СГБОУ ПО

«Севастопольский медицинский колледж

имени Жени Дерюгиной»

Селекция микроорганизмов. Биотехнология

Преподаватель Смирнова З. М.

Селекция микроорганизмов

Селекция микроорганизмов (бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов) производится с целью получения продуктивных штаммов и последующего их использования в промышленности, сельском хозяйстве и медицине.

Штамм – по­пу­ля­ция мик­ро­ор­га­низ­мов, ха­рак­те­ри­зу­ю­ща­я­ся сходными на­след­ствен­ны­ми осо­бен­но­стя­ми и опре­делёнными при­зна­ка­ми, по­лу­чен­ная в ре­зуль­та­те ис­кус­ствен­но­го от­бо­ра.

Методы селекции микроорганизмов

Искусственный

Выявление

отбор:

продуктивного

• по скорости роста;
• по продуктивности;
• по окраске и др.

штамма

Индуцированный

(искусственный)

мутагенез

Особенности микроорганизмов

• Геном бактерий гаплоидный, любые мутации проявляются уже в первом поколении.

Генетический аппарат бактерий представлен одной

хромосомой (1n) – гигантской кольцевой молекулой ДНК и мелкие кольцевые молекулы ДНК – плазмиды.

• Очень высокая интенсивность размножения обеспечивает наличие неограниченного количества материала для работы.

Плазмиды

Нуклеоид с генофором

Микробиологический синтез

Микробиологический синтез – промышленный способ получения химических соединений и продуктов (например, белков, антибиотиков, витаминов), осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток.

Микроорганизмы служат важным источником белка, который они синтезируют в 10 – 100 тыс. раз быстрее, чем животные.

Так, 400-килограммовая корова производит в день 400 граммов белка, а 400 килограммов бактерий – 40 тысяч тонн.

Результаты селекции

микроорганизмов

Результаты селекции

микроорганизмов

• Продуктивность штаммов гриба пеницилла была повышена

в 1000 раз.

• С помощью микробиологического синтеза получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, ферменты, витамины и многое другое.
• Продукты микробиологической промышленности используются

в хлебопечении, пивоварении, виноделии, приготовлении многих молочных продуктов.

• Микроорганизмы используют для биологической очистки сточных вод, улучшений качеств почвы.
• Разработаны методы получения марганца, меди, хрома при разработке отвалов старых рудников с помощью бактерий, где обычные методы добычи экономически невыгодны.

Биотехнология

Биотехнология – это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

Методы биотехнологии

Хромосомная инженерия

Клеточная инженерия

Генная инженерия

Микробиологический синтез

(селекция

микроорганизмов)

С развитием биотехнологии связывают решение проблем обеспечения населения продовольствием, минеральными ресурсами и энергией (биогаз), охраны окружающей среды (биологическая очистка воды) и др.

Биотехнология

Объекты биотехнологии:

• вирусы,
• бактерии,

• грибы,
• клетки и ткани растений, животных и человека.

Их выращивают на питательных средах в биореакторах-ферментерах.

Генная инженерия

Генная инженерия – совокупность методик, позволяющих выделять нужный ген из генома одного организма и вводить его

в геном другого организма.

Успешно реализуются два направления:

• Пересадка природных генов в ДНК бактерий или грибов;

• Встраивание искусственно созданных генов, несущих заданную информацию, в плазмиды.

В настоящее время основным объектом биотехнологии являются прокариоты.

Генная инженерия

Растения и животные, в геном которых внедрены «чужие» гены, называются трансгенными,

бактерии и грибы – трансформированными ,

Трансдукция – перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериофагов.

Классическим объектом генной инженерии является кишечная палочка.

Генная инженерия

Процесс создания трансформированных бактерий включает в себя следующие этапы:

• Рестрикция – «вырезание» нужных генов. Проводится с

помощью специальных «генетических ножниц», ферментов –

рестриктаз.

2. Создание вектора – специальной генетической конструкции, в составе которой намеченный ген будет внедрен в геном другой клетки.

Ген "вшивают" в вектор – плазмиду, с помощью которого ген вводится в бактерию. "Вшивание" осуществляется с помощью другой группы ферментов – лигаз.

3. Трансформация – внедрение вектора в бактерию.

4. Скрининг – отбор тех бактерий, в которых внедренные гены успешно работают.

5. Клонирование трансформированных бактерий.

Процесс создания трансформированных бактерий

Искусственная ДНК-затравка для синтеза комплементарной ДНК (кДНК)

Выделение иРНК

Клетки, вырабатывающие требуемый белок

иРНК

Рестрикция

Гибридизация

Синтез кДНК

Гибрид ДНК-РНК

Одночепочечная кДНК

Удаление РНК

Синтез второй цепи кДНК

Внехромосомная ДНК (плазмида)

Разрезание плазмиды

Двухцепочечная кДНК – ген требуемого белка

«Сшивка» ДНК-лигазой

Бактерии

Клонирование

Колонии бактерий

Рекомиби-нантная плазмида

Встраивание

в бактерию

Выделение требуемого

белка

Трансформация

(вектор)

Процесс создания трансформированных бактерий:

Из эукариотических клеток, например клеток поджелудочной железы человека, выделяют мРНК-продукт нужного гена и с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы) – фермент обнаруженный у РНК-содержащих вирусов, синтезируют комплементарную ей цепь ДНК.

• Образуется гибридная ДНК-РНК-молекула.
• мРНК удаляют при помощи гидролиза.
• Оставшуюся цепь ДНК реплицируют при помощи ДНК-полимеразы.
• Полученная двойная спираль ДНК состоит только из транскрибируемой части гена и не содержит интронов. Она называется комплементарной ДНК (кДНК)
• Создание вектора – генетической конструкции, в составе которой намеченный ген будет внедрен в геном другой клетки. Основой для создания вектора являются плазмиды.

• Ген вшивают в плазмиду с помощью ферментов – лигаз.
• Трансформация – внедрение вектора (плазмиды) в бактерию.
• Бактериальные клетки приобретают способность синтезировать белки, кодируемые нужным геном.

Достижения генной инженерии

• Более 350 препаратов и вакцин, разработанных с помощью

биотехнологий, широко используются в медицине, например:

- соматотропин – гормон роста, применяют при лечении карликовости;

- инсулин – гормон поджелудочной железы, используется для лечения

сахарного диабета;

- интерферон – антивирусный препарат, используется для лечения

некоторых форм раковых заболеваний;

• Создание генномодифицированных растений. Лидером среди ГМО растений является соя – дешевый источник масла и белка;

- ген азотфиксации перенесен в генотип ценных с/х растений;

Получение трансгенных растений с геном bt, несущим устойчивость к насекомым

Бактерия Bacillus thuringiensis вырабатывает эндотоксин, токсичный для насекомых и безвредный для млекопитающих.

Из бактерии выделили этот

ген и ввели его в плазмиду почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens.

Этой бактерией были заражены растительной ткани,

выращиваемой на питательной

среде.

Трансгенные растения, созданные при помощи агробактерий

Двудольные растения:

пасленовые (картофель, томаты), бобовые (соя), крестоцветные

(капуста, редис, рапс), и т.д.

Однодольные растения:

злаки,

банановые.

Первый трансгенный продукт (томаты) поступил на рынок в 1994 г.

Сегодня в мире более 150 сортов ГМ растений допущено

к промышленному производству.

Результаты генетической модификации:

• Устойчивость к гербицидам;
• Устойчивость к болезням и вредителям;
• Изменение морфологии растений;
• Изменение размера, формы и количества плодов;
• Повышение эффективности фотосинтеза;
• Устойчивость к воздействию климатических факторов, засолению почв.

Хромосомная инженерия

Хромосомная инженерия – совокупность методик, позволяющих осуществлять манипуляции с хромосомами.

Одна группа методов основана на введении в генотип растительного организма пары чужих гомологичных хромосом, контролирующих развитие нужных признаков ( дополненные линии ),

или замещении одной пары гомологичных хромосом на другую ( замещенные линии ).

В полученных таким образом замещенных и дополненных линиях собираются признаки, приближающие растения к «идеальному сорту».

Хромосомная инженерия.

Метод гаплоидов

основан на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом.

Например, из пыльцевых зерен кукурузы выращивают гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом ( n = 10), затем хромосомы удваивают и получают диплоидные ( n = 20), полностью гомозиготные растения всего за 2–3 года вместо 6–8-летнего инбридинга.

Сюда же можно отнести и метод получения полиплоидных растений

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия – конструирование клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции.

Методы клеточной инженерии

Культивирование –

Клонирование (реконструкция) – методы внедрения в соматическую клетку отдельных клеточных органоидов, ядра, цитоплазмы (частичная гибридизация)

метод сохранения (in vitro) и выращивания в специальных питательных средах клеток, тканей, небольших органов или их частей

Гибридизация – метод получения гибридов соматических клеток неродственных и филогенетически отдаленных видов

Культивирование

Метод культуры клеток и тканей – выращивание вне организма в искусственных условиях кусочков органов, тканей или отдельных клеток;

Этапы выращивания растений из клеток:

• Разделение клеток друг от друга и помещение в питательную среду.
• Интенсивное размножение и развитие клеток и возникновение каллуса.
• Помещение каллуса на другую питательную среду и образование побега.
• Пересадка нового побега в почву.

Например, выращивание женьшеня в искусственных условиях за 6 недель, на плантациях – 6 лет, в естественной среде – 50 лет.

Гибридизация

Посев на селективную среду, выжить на которой можно только, если есть определенный человеческий ген (например, ген А)

слияние

Клетка человека

Клетка мыши

В ходе клеточных делений в гибридной клетке утрачиваются все хромосомы человека, кроме одной (например, № 17)

Клетки выжили, значит ген А лежит в хромосоме 17

Гибридная клетка (гетерокарион)

Метод гибридизации соматических клеток

При определённых условиях происходит слияние двух разных клеток

в одну гибридную, содержащую оба генома объединившихся клеток.

Гибриды между опухолевыми клетками и лимфоцитами (гибридомы)

способны неограниченно долго делиться (т.е. они «бессмертны»), как

раковые клетки и, как лимфоциты, могут вырабатывать антитела.

Такие антитела применяют в лечебных и диагностических целях.

Схема клонирования (реконструкции)

Клонирование – точное воспроизведение какого-либо объекта. Объекты, полученные в результате клонирования, называются клонами (см. «Селекция животных).

Использование микробов В хлебопечении В виноделии В производстве кормового белка В производстве молочнокислых продуктов В производстве биологически активных веществ (антибиотиков, гормонов, витаминов, аминокислот, ферментов) В сельском хозяйстве (при производстве силоса) Для биологической защиты растений и очистки сточных вод

Из более чем 100 тыс. видов известных в природе микроорганизмов человеком используется несколько сотен, и число это растет. Качественный скачок в их использовании произошел в последние десятилетия, когда были установлены многие генетические механизмы регуляции биохимических процессов в клетках микроорганизмов.

Особенности селекции микроорганизмов 1) у селекционера имеется неограниченное количество материала для работы: за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить миллиарды клеток; 2) более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении; 3) простота генетической организации бактерий: значительно меньшее количество генов, их генетическая регуляция более простая, взаимодействия генов просты или отсутствуют.

Методы селекции микроорганизмов Широко используют различные способы рекомбинирования генов: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) позволила создать штамм Pseudomonas putida, способный утилизировать углеводороды нефти.

Методы селекции микроорганизмов Важнейшим этапом в селекционной работе является индуцирование мутаций. Экспериментальное получение мутаций открывает почти неограниченные перспективы для создания высокопродуктивных штаммов. Вероятность возникновения мутаций у микроорганизмов (1x х) ниже, чем у всех других организмов (1x x10 -4). Но вероятность выделения мутаций по данному гену у бактерий значительно выше, чем у растений и животных, поскольку получить многомиллионное потомство у микроорганизмов довольно просто и сделать это можно быстро.

Cлайд 1

Cлайд 2

Cлайд 3

Cлайд 4

Cлайд 5

Cлайд 6

Cлайд 7

Cлайд 8

Cлайд 9

Cлайд 10

Cлайд 11

Cлайд 12

Cлайд 13

Cлайд 14

Понятие селекции

• В широком смысле слова селекция как процесс изменения домашних животных и культурных растений, по выражению Н.И. Вавилова, «представляет собой эволюцию, направленную волей человека».
• Селекция - наука о методах создания новых пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов с нужными человеку признаками.

• Дайте формулировку закона гомологических рядов в наследственной изменчивости.

• Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов.

• Какое значение для селекции имеет закон гомологических рядов в наследственной изменчивости?

• Закон успешно используется в селекционной практике:
• а) обнаружение спонтанных мутаций у одного вида дает основание для поисков сходных мутаций у родственных видов растений или животных;
• б) некоторые наследственные заболевания и уродства, встречающиеся у человека, отмечены и у некоторых животных, животных с такими болезнями используют в качестве модели для изучения дефектов у человека.
• Пр. катаракта глаза бывает у мышей, крыс, собак, лошадей; гемофилия - у мыши и кошки; диабет у крысы и т.д.

• Порода, сорт -это искусственно созданная человеком популяция, характеризующаяся специфическим генофондом, наследственно закрепленными морфологическими и физиологическими признаками, определенным уровнем и характером продуктивности.
• Штамм – чистая одновидовая культура микроорганизмов(или вирусов), выделенная из определенного источника и обладающая специфическими физиолого-биохимическими признаками

• Создание новых пород домашних животных и сортов культурных растений
• Улучшение ранее известных пород и сортов

• методы
• селекционной
• работы

• Скрещивание

• Искусственный
• отбор

• родственное

• неродственное

• Внутрипородное
• (внутрисортовое)

• Межпородное
• (межсортовое)

• Отдаленная
• гибридизация

• массовый

• индивидуальный

• Инбридинг

• Аутбридинг

• Гетерозис

• Скрещивание внутри
• одной породы между
• близкими родственниками
• для сохранения важных
• признаков

• Скрещивание различных
• пород животных, отличающихся по ряду признаков для получения межвидовых гибридов

• Скрещивание генетически
• отдаленных форм
• Получение межпородных
• высокопродуктивных
• гибридов

• Каждый сорт, каждая порода имеют особого дикого предка.
• Все породы кур происходят от дикой банкивской курицы,
• домашние утки – от дикой кряковой утки,
• породы кроликов – от дикого европейского кролика
• предки крупного рогатого скота – два вида диких туров,
• собаки – волк.

• размеры и продуктивность культурных растений выше, чем у родственных диких видов;
• культурные растения лишены средств защиты от поедания: горьких и ядовитых веществ, шипов, колючек;
• так же у культурных форм сильно развиты отдельные признаки, бесполезные или вредные для существования в естественных условиях, но полезные для человека.

• Экстерьер крупного рогатого скота мясного направления (шортгорнская порода)

• Экстерьер крупного рогатого скота молочного направления
• (джерсейская порода)

• Высокая продуктивность по тому или иному признаку связана с определенными экстерьерными особенностями.

• Порода была создана, чтобы объединить характеристики обоих животных и с целью увеличить производство говядины.

• Стада их круглогодично пасутся на высокогорных пастбищах в таких условиях, при которых не могут существовать тонкорунные овцы - мериносы

• Мулы более терпеливы, устойчивы, выносливы и живут дольше, чем лошади, и менее упрямые, более быстрые и умные, чем ослы.

• Лигры - крупнейшие кошки на Земле.
• Самый большой лигр по имени Геркулес, весом как два льва, проживает в парке «Остров джунглей» в Майами. В отличие от самок лигры-самцы обычно бесплодны, поэтому их нельзя разводить.

• Саванны гораздо более общительные, чем обычные домашние кошки, и их часто сравнивают с собаками благодаря их преданности хозяину. Их можно обучить ходить на поводке и даже приносить брошенные хозяином предметы.

• Близко родственное скрещивание и самоопыление используется для выведения «чистых линий»
• Гетерозис – гибридная сила. Потомки от скрещивания чистых линий превосходят по качествам родительские формы.
• И. В. Мичурин разработал метод отдаленной гибридизации для получения новых сортов

• Гетерозис- явление гибридной силы.
• В первом поколении гибридов повышается жизнеспособность и наблюдается мощное развитие (более крупные размеры), более высокая урожайность, более активный синтез органических веществ. Объясняется гетерозис переходом многих генов в гетерозиготное состояние и взаимодействием благоприятных доминантных генов.
• При последующих скрещиваниях гибридов между собой гетерозис затухает вследствие выщепления гомозигот.

• Тритикале
• (от лат. triticum - пшеница и лат. secale - рожь) - злак, гибрид ржи и пшеницы.
• Тритикале обладает повышенной морозостойкостью (больше чем у озимой пшеницы), устойчивостью против грибных и вирусных болезней, пониженной требовательностью к плодородию почвы, содержат много белка в зерне.

• использование микро
• организмов

• Синтез пищевых
• добавок

• Синтез БАВ

• Производство
• лекарств

• Производство
• кормов для
• животных

• Искусственный мутагенез – метод селекционной работы с микроорганизмами
• Мутагены: рентгеновские лучи, яды, радиация…

• Микроорганизмы

• Бактерии

• Вирусы

• Грибы

• Простейшие

• Сине-зеленые водоросли

• Микроорганизмы– это группа прокариотических и эукариотических одноклеточных организмов, различаемых только под микроскопом.

• Кокки - возбудители бактериального менингита

• Герпес-вирус
• 6-го типа

• Дрожжеподобные грибы вида C.albicans

• Paramecium, род простейших одноклеточных

• Цианобактерии

• Биотехнология – это технология получения из живых клеток или с их помощью необходимых человеку продуктов.

• Примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов:
• хлебопечение;
• пивоварение;
• виноделие;
• приготовление молочных продуктов;
• производство кормового белка;
• производство ферментных и витаминных препаратов используемых в пищевой промышленности, медицине, животноводстве.

• Генная инженерия

• Клеточная
• инженерия

• Биотехнология

ионизирующих излучений и ультрафиолетовых лучей наследственных изменений (мутаций). Под действием излучений возникают качественно те же мутации, что и без облучения, но значительно чаще; соотношение разных типов мутаций также может быть иным. Используется в генетических исследованиях, в селекции промышленных микроорганизмов, сельскохозяйственных и декоративных растений. Повышение частоты вредных мутаций в результате увеличения содержания в биосфере радиоактивных изотопов - одна из основных опасностей радиоактивного загрязнения биосферы. Отдельно выделена группа биологически активных веществ, которые влияют не только на процессы роста и развития растений, но и вызывают наследственные изменения в организме - химические мутагены. С помощью мутагенов можно разорвать сцепленно наследуемые признаки, преодолеть нескрещиваемость между отдаленными формами и стерильность собственной пыльцы, решить задачи, не поддающиеся разрешению при использовании других методов селекции. В ряде случаев возникают совершенно новые формы и признаки, не встречающиеся в природе, что позволяет расширить естественное разнообразие форм культурных растений.