§67. Селекция микроорганизмов

Определения и обозначения

Штамм микроорганизмов — генетически однородная культура с устойчивыми наследственными признаками, ценными для производства. Проще говоря, это потомство одной отобранной линии клеток. Понятие нужно, чтобы отличать стабильную производственную культуру от случайной смеси микроорганизмов.

Мутагенез — возникновение наследственных изменений под действием мутагенных факторов. Мутагенами могут быть, например, излучение или специальные химические вещества. Мутагенез используют, чтобы увеличить разнообразие вариантов и получить материал для последующего отбора.

Клеточная инженерия — получение новых форм микроорганизмов путём объединения клеток или их частей. При этом соединяют генетический материал разных исходных форм. Такой подход помогает сочетать полезные свойства, которых не было у одной родительской культуры.

Генетическая инженерия — целенаправленное изменение наследственного материала микроорганизма и перенос нужных генов. В клетку вводят ген, связанный с синтезом определённого вещества или признаком. Метод нужен, когда требуется получить заранее заданное свойство, а не искать его случайно среди множества вариантов.

Как это устроено

Микроорганизмы удобны для селекции, потому что их жизненный цикл обычно короток, а деление даёт большое число потомков. Это позволяет проверить много вариантов и быстрее заметить редкую полезную особенность. Культуры легко выращивать на питательных средах, а разнообразие обменных процессов делает их источниками ферментов, кислот, витаминов и других продуктов.

Материалом для отбора служит наследственная изменчивость. Спонтанные мутации появляются естественно, но встречаются нечасто, поэтому селекционеры применяют индуцированный мутагенез и искусственно повышают частоту изменений. Затем нельзя просто выбрать любую изменённую клетку: нужно проверить, полезен ли признак и передаётся ли он потомкам.

Производственный штамм получают поэтапно. Сначала из большого числа вариантов выделяют клетки с высокой продуктивностью, затем выращивают их отдельно и сравнивают результаты в одинаковых условиях. Подходящий вариант проверяют на устойчивость признака и только после этого размножают культуру для производства.

Гибридизация и клеточная инженерия нужны, когда полезные признаки распределены между разными формами. Объединение клеток или их генетического материала создаёт потомство, в котором могут сочетаться нужные свойства исходных организмов. Генетическая инженерия действует точнее: в микроорганизм вводят известный ген, но затем всё равно проверяют его работу, стабильность и выход продукта.

Методы селекции микроорганизмов

Таблица показывает, какой объект изменяют или используют при каждом методе и к какому результату стремятся. При выборе способа нужно учитывать, известна ли причина нужного признака и требуется ли получить широкий набор вариантов. На практике методы могут сочетаться: после мутагенеза или введения гена клетки всё равно отбирают и проверяют.

Разбор задач

Задача 1

Объясните, почему микроорганизмы размножают в больших ферментёрах и почему среди их потомства можно быстро найти продуктивный вариант. Ферментёр — это аппарат, в котором поддерживают подходящие условия для выращивания культуры. Нужно связать особенности размножения с эффективностью отбора.

1. Установим, что микроорганизмы делятся быстро и за короткое время образуют много поколений.
2. Учтём, что большая культура даёт огромное число клеток, среди которых могут возникнуть разные наследственные варианты.
3. Сравним продукты обмена этих вариантов и оставим клетки, образующие больше нужного вещества.

Ответ: большие ферментёры позволяют получить многочисленное потомство в контролируемых условиях. Благодаря быстрому размножению полезный вариант можно обнаружить и размножить значительно быстрее, чем у организмов с длинным жизненным циклом.

Задача 2

Предложите способ получения штамма микроорганизма, который образует больше антибиотика, чем исходная культура. Одного обнаружения повышенной продуктивности недостаточно, потому что признак должен быть наследственным и сохраняться при выращивании. Поэтому решение включает создание вариантов, отбор и проверку.

1. Воздействуем на исходную культуру мутагеном, чтобы повысить частоту наследственных изменений.
2. Вырастим большое число полученных вариантов и определим, сколько антибиотика образует каждый из них.
3. Выберем самые продуктивные клетки, несколько раз проверим их потомство и сравним устойчивость признака с исходной культурой.

Ответ: применяют индуцированный мутагенез, затем проводят отбор и проверку стабильности продуктивности. Подходящая линия становится промышленным штаммом-продуцентом антибиотика.

Задача 3

Выберите метод для получения микроорганизма, синтезирующего человеческий белок, если ген этого белка известен. В такой ситуации не требуется случайно создавать множество мутаций и искать редкий результат. Известная последовательность позволяет сразу использовать целенаправленный подход.

1. Выберем генетическую инженерию, потому что она позволяет перенести нужный ген в клетку микроорганизма.
2. Получим клетки с введённым геном и проверим, присутствует ли он в наследственном материале.
3. Из отобранных клеток выберем те, где ген работает устойчиво и обеспечивает высокий выход человеческого белка.

Ответ: используют генетическую инженерию с последующим отбором клеток-продуцентов. Введение гена само по себе не гарантирует результат, поэтому проверяют его работу и продуктивность культуры.

Типичные ошибки

Считать любой полезный признак результатом только отбора. Отбор не создаёт наследственные изменения, а лишь сохраняет уже возникшие варианты. Проверка: назовите источник изменчивости до того, как описывать выбор лучшей культуры.

Путать мутагенез с направленным получением конкретной мутации. Мутагенез повышает разнообразие, но не указывает, какая именно мутация появится. Проверка: после мутагенеза обязательно назовите поиск, испытание и отбор нужного варианта.

Называть любую культуру промышленным штаммом. Производственный штамм должен иметь устойчивые наследственные свойства и заданную продуктивность. Проверка: выясните, сохраняется ли признак у потомков и достаточно ли высок выход продукта.

Считать, что введение гена автоматически гарантирует высокий выход продукта. Ген может работать слабо или нестабильно, а клетка может плохо переносить его активность. Проверка: оцените работу гена, стабильность признака и продуктивность культуры.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания о наследственной и ненаследственной изменчивости, мутациях, естественном и искусственном отборе, строении клетки и основах генетики. Эти понятия объясняют, откуда берутся варианты и как их сохраняют.

Дальше тема связана с биотехнологией и микробиологической промышленностью, производством лекарств и пищевых продуктов. Селекция микроорганизмов также применяется в экологических технологиях, например при использовании полезных продуктов их обмена.

Методы работы с микроорганизмами дополняют селекцию растений и животных. Главное отличие состоит в скорости: микробные культуры быстрее размножаются и позволяют получать нужные продукты обмена в больших количествах.

Что запомнить

• Микроорганизмы удобны для селекции благодаря быстрому размножению и многочисленному потомству.
• Основой селекции служит наследственная изменчивость.
• Мутагенез создаёт множество вариантов, а отбор выделяет нужный штамм.
• Производственный штамм должен сочетать высокую продуктивность и устойчивость признака.
• Клеточная инженерия позволяет объединять генетический материал разных клеток.
• Генетическая инженерия даёт возможность целенаправленно вводить нужные гены.
• Селекция микроорганизмов обеспечивает получение антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот и других веществ.