Підручник з Біології і екології (профільний рівень). 11 клас. Задорожний - Нова програма

§ 74. Селекція мікроорганізмів

Поміркуйте

  • Чому мікроорганізмам удається швидко пристосовуватися до дії антибіотиків, які спрямовані проти них?

Згадайте

  • Прокаріоти
  • Еукаріоти
  • Горизонтальне перенесення генів
  • Штам

Особливості селекції мікроорганізмів

Мікроорганізми активно використовуються в різноманітних біотехнологічних виробництвах. Тому їх селекція спрямована на задоволення потреб промисловості. Також селекцію мікроорганізмів використовують в наукових дослідженнях для створення штамів із певними властивостями.

Мікроорганізми розмножуються швидко, але потребують спеціального поживного середовища для розведення і захисту від потрапляння до колоній сторонніх мікроорганізмів.

Методи селекції мікроорганізмів

У мікроорганізмів, які розмножуються нестатевим шляхом, існують спеціальні механізми комбінативної мінливості. Це кон'югація, трансдукція і трансформація. Ці механізми широко використовуються в селекції цієї групи для отримання нових варіантів із наступним відбором вдалих форм.

Кон'югація — це безпосередній контакт між двома бактеріальними клітинами за допомогою спеціальних порожнистих трубочок (F-пілі), під час якого генетичний матеріал з однієї клітини переноситься в іншу. Зазвичай кон'югація контролюється генами, які розташовані в плазміді.

Трансформація — це перенесення ДНК, яка була ізольована, з одних бактеріальних клітин до інших. Найчастіше вона відбувається після загибелі цих клітин. Після того, як загиблі клітини руйнуються, окремі фрагменти їхньої ДНК можуть поглинатися іншими бактеріями. Потім бактерії вбудовують ці фрагменти у свою кільцеву молекулу ДНК.

Трансдукція — це перенесення бактеріальних генів з однієї клітини в іншу за допомогою бактеріофага. Коли бактеріофаги розмножуються в клітині, то в деякі з вірусних часток потрапляє ДНК не вірусу, а бактерії. Вірусна частка переносить цю ДНК в іншу бактеріальну клітину, де вона вбудовується в бактеріальну хромосому.

Створення векторів

Мікроорганізми широко використовуються в технології генетичної інженерії. Суть методу полягає в штучному створенні генів із потрібними властивостями і введенні їх у відповідну клітину.

Перенесення гена здійснює вектор (рекомбінантна ДНК) — спеціальна молекула ДНК, сконструйована на основі ДНК вірусів або плазмід, яка містить потрібний ген і здатна транспортувати його до клітини та забезпечити його вбудовування в її генетичний апарат. Для маркування певних клітин організмів у молекулярно-генетичних дослідженнях використовують ген GFP, виділений із медузи. Він забезпечує синтез флуоресцентного білка, який світиться в темряві.

Особливості селекції мікроорганізмів на прикладі дріжджів

Основна особливість селекції дріжджів полягає в тому, що вона майже весь час після доместикації (одомашнення) цих мікроорганізмів відбувалася несвідомо. Адже люди використовують дріжджі вже кілька тисяч років. А побачили їх уперше 1680 року (це вдалося А. ван Левенгуку). Ідею про те, що саме вони утворюють спирт, висунув французький учений Каньяр де ля Турв у 1837 році, а довів її Луї Пастер 1857-го. Перша ж промислова чиста культура дріжджів для пивоваріння була створена лише 1881 року данським мікробіологом Емілем Хансеном, який працював у фірмі «Карлсберг».

Але це не заважало здійснювати селекцію дріжджів (мал. 74.1). Характерними ознаками доместикації були втрата статевого розмноження, зміни плоїдності різних штамів, подвоєння одних ділянок ДНК геному і втрата інших. Але слід відзначити, що ці зміни стосувалися різних рас дріжджів у різному ступені.

Найбільші видозміни відбулися з пивними та пекарськими дріжджами. Набагато менше порівняно з дикими формами змінилися винні дріжджі та дріжджі, за допомогою яких виготовляють спиртні напої в Азії (наприклад, саке). Це було пов'язано з особливостями технології роботи з дріжджами.

Пивні і пекарські дріжджі використовують багаторазово. Закваску, у якій вони містилися, могли багато років зберігати виробники пива або хліба. Таким чином, штами тривалий час перебували у сприятливому середовищі з мінімумом конкурентів. Одночасно відбувався відбір за якістю продукції, яку отримували. Так, ці дріжджі мали високу здатність до переробки мальтотріози, яка є одним з основних компонентів пивного сусла. А пивні дріжджі втратили можливість синтезу деяких ароматичних сполук, потрібних для виживання в дикій природі, бо вони псували аромат пива. Пекарські дріжджі цю здатність не втратили, бо такі сполуки руйнуються під час випічки і на смак хліба не впливають.

У винних дріжджів ознак одомашнення набагато менше. Для виготовлення вина вони використовувалися одноразово і більшу частину життєвого циклу перебували в природі на ягодах винограду. Хоча, як і пивні дріжджі, вони виробили здатність виживати за більш високих концентрацій алкоголю в середовищі, ніж дикі форми дріжджів.

Мал. 74.1. Історія селекції дріжджів

Генетичний аналіз показав, що промислові пивні дріжджі поділяються на дві групи (клади), які мають різне походження. Хоча обидві ці групи утворилися в Європі, але відбулося це в різний час. Перша група була створена в 1573-1604 рр., коли відбувався перехід від домашнього виробництва пива до появи великих виробництв при монастирях або в окремих пивоварнях. Друга група виникла трохи пізніше — у 1645-1671 роках. Усі американські форми пивних дріжджів мають європейське походження і належать до однієї з цих двох груп.

Ключова ідея

Селекція мікроорганізмів має свою специфіку, яка пов'язана з особливостями їхньої біології. У ній широко застосовуються механізми обміну інформацією, які існують у мікроорганізмів: трансформація, трансдукція і кон'югація. Також мікроорганізми використовують у технології генетичної інженерії як джерело векторів на основі бактеріальних плазмід.

Запитання та завдання

1. Чим різниться селекція мікроорганізмів, які належать до різних доменів еукаріотів та прокаріотів? 2. Які обмеження накладає на можливість селекції одноклітинна форма існування більшості мікроорганізмів?