"Биология (базовый уровень)", Сухорукова Л.Н., Кучменко В.С.
Селекция микроорганизмов помогает получать штаммы, которые производят нужные человеку вещества или обладают другими полезными свойствами. Микробы быстро размножаются и дают многочисленное потомство, поэтому среди них можно искать подходящие наследственные варианты. Их отбирают из природных популяций, получают с помощью мутагенеза или создают методами генной инженерии. Отобранные штаммы используют в биотехнологии — например, для производства антибиотиков, ферментов и витаминов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Селекция микроорганизмов — это выведение и улучшение штаммов, обладающих полезными для человека свойствами. Такие свойства могут помогать получать нужные вещества или использовать микроорганизмы в производстве. Селекция позволяет находить и сохранять варианты, которые лучше подходят для конкретной задачи.
Штамм — генетически однородная группа микроорганизмов одного вида с характерными наследственными признаками. Проще говоря, это особая линия внутри вида, представители которой обладают общим набором важных свойств. Понятие штамма нужно, чтобы отличать варианты микроорганизмов и выбирать подходящий для использования.
Биотехнология — использование организмов, клеток и биологических процессов для получения полезных продуктов. При этом человек направляет жизнедеятельность живых систем на решение практической задачи. Это понятие охватывает разные способы производства, а не только работу с генами.
Промышленный биосинтез — получение нужных веществ микроорганизмами в специально организованных производственных условиях. Микробы выращивают так, чтобы они производили целевой продукт в достаточном количестве. Это понятие связывает особенности штамма с его применением в производстве.
Микроорганизмы удобны для селекции, потому что при благоприятных условиях быстро размножаются и дают многочисленное потомство. За короткое время можно получить большое число клеток, а значит, проверить множество наследственных вариантов. Это повышает вероятность найти даже редкий вариант с полезным свойством и ускоряет селекционную работу.
Новые свойства появляются благодаря наследственной изменчивости, в том числе мутациям — изменениям генетического материала. Большинство таких изменений не обязательно полезны, но некоторые могут усилить нужное человеку свойство. Селекционер не создаёт полезный результат одним лишь выбором: он находит подходящий вариант, сохраняет его и размножает, чтобы признак передавался потомству.
Улучшенный штамм можно получить, отбирая природные варианты или вызывая искусственный мутагенез. В природе уже могут существовать микроорганизмы с нужными особенностями, поэтому их ищут и проверяют. При мутагенезе создают условия для возникновения множества случайных изменений, а затем исследуют полученные варианты: случайность изменений означает, что без последующего отбора нужный результат не гарантирован.
Генная инженерия позволяет целенаправленно изменять наследственный материал микроорганизмов. С её помощью можно внести генетическую информацию, которой исходный организм не имел, или изменить уже имеющуюся. Такой подход используют, когда требуется получить конкретное свойство, например способность синтезировать определённый белок; итоговый микроорганизм затем проверяют и выращивают.
Для биотехнологического производства выбирают штамм, способный вырабатывать нужный продукт, и создают ему контролируемые условия для роста. Это важно, потому что температура, питание и другие условия влияют на жизнедеятельность клеток и количество продукта. В производственных ёмкостях микроорганизмы могут синтезировать антибиотики, ферменты, витамины и другие вещества, которые затем получают и используют.
В таблице сопоставлены способы получения полезных штаммов и их применение. При выборе метода учитывают, существует ли нужный признак в природе или требуется создать новые варианты. Используйте последний столбец, чтобы связать способ работы с конкретным результатом.
| Метод или направление | Как получают результат | Что позволяет делать | Примеры применения |
|---|---|---|---|
| Отбор природных вариантов | Ищут микроорганизмы с подходящими признаками и проверяют их свойства. | Выбирать уже существующие наследственные варианты. | Находить штаммы, вырабатывающие нужное вещество. |
| Искусственный мутагенез и отбор | Вызывают случайные изменения, затем исследуют и отбирают подходящие варианты. | Получать новые наследственные варианты и находить среди них полезные. | Выбирать штаммы с повышенной выработкой продукта. |
| Генная инженерия | Целенаправленно изменяют наследственный материал, в том числе вводят нужную генетическую информацию. | Придавать микроорганизму новую способность. | Получать штаммы, синтезирующие заданный белок. |
| Использование микроорганизмов в биотехнологии | Выращивают подходящий штамм в контролируемых производственных условиях. | Получать полезные вещества в нужном количестве. | Производство антибиотиков, ферментов и витаминов. |
Задача 1. Назовите два свойства микроорганизмов, благодаря которым их удобно использовать в селекции. Нужно не просто перечислить особенности, а объяснить, как каждая помогает искать полезные варианты.
Ответ: микроорганизмы быстро размножаются и дают многочисленное потомство, поэтому селекционер может быстро проверить много вариантов и найти среди них подходящий.
Задача 2. После воздействия мутагена в культуре обнаружили варианты, которые вырабатывают больше нужного вещества. Опишите дальнейшие действия селекционера. В условии уже указан полезный признак, но пока неизвестно, сохранится ли он у потомков.
Ответ: отобрать лучшие варианты, проверить наследуемость повышенной выработки и размножить тот штамм, у которого признак устойчиво передаётся потомкам.
Задача 3. Предприятие хочет получать белок, который исходный микроорганизм не синтезирует. Какой подход поможет решить задачу и почему? Здесь важно отличить случайный поиск вариантов от целенаправленного изменения наследственной информации.
Ответ: применить генную инженерию, чтобы снабдить микроорганизм нужной генетической информацией и получить способность синтезировать белок.
Ошибка — считать, что любой микроорганизм автоматически подходит для производства. Это кажется правдоподобным, потому что микроорганизмы широко используют в биотехнологии, но их свойства различаются. Проверяйте, способен ли конкретный штамм производить нужный продукт и сохраняет ли он полезные признаки.
Мутагенез иногда путают с направленным изменением конкретного гена. Причина путаницы в том, что оба подхода связаны с изменениями наследственного материала. Проверьте себя: если изменения возникают случайно и затем ищут нужный вариант, это мутагенез; целенаправленное изменение относится к генной инженерии.
Появление полезного признака не означает, что он уже закреплён в штамме. Его могли обнаружить только у отдельных клеток, поэтому признак ещё нужно проверить у потомства. Убедитесь, что свойство наследуется: если оно исчезает при размножении, использовать такой вариант как устойчивый штамм нельзя.
Биотехнологию ошибочно сводят только к генной инженерии. Такое представление возникает из-за того, что инженерные методы часто обсуждают отдельно и подробно. Чтобы проверить себя, вспомните: биотехнология включает также использование природных микроорганизмов, отбор штаммов и их выращивание для получения продуктов.
Для понимания селекции микроорганизмов нужны знания о клетке, наследственной изменчивости и мутациях. Представление о естественном отборе помогает понять, почему варианты с определёнными свойствами сохраняются, хотя в селекции отбор проводит человек. Эти понятия объясняют, откуда берутся различия между микроорганизмами и как можно использовать их в работе.
Тема связана с генетикой и генной инженерией, поскольку полезные признаки определяются наследственным материалом. Она также помогает понять микробиологическое производство лекарств и пищевых продуктов: свойства выбранного штамма используют в контролируемых условиях, чтобы получить нужный продукт.
Почему микроорганизмы размножаются быстрее, чем многие другие организмы?
Многие микроорганизмы состоят из одной клетки и при благоприятных условиях быстро делятся. Им не нужно долго расти и формировать сложные органы, поэтому за короткое время возникает многочисленное потомство.
Чем штамм отличается от вида микроорганизмов?
Вид объединяет микроорганизмы с общими признаками и общим происхождением. Штамм — это группа внутри вида, обладающая определёнными наследственными особенностями, например повышенной выработкой нужного вещества.
Зачем после мутагенеза проводят отбор?
Мутагенез вызывает изменения наследственного материала, но заранее неизвестно, какие именно свойства приобретёт каждый микроорганизм. Отбор позволяет найти варианты с нужным признаком и проверить, передаётся ли он потомству.
Чем генная инженерия отличается от искусственного мутагенеза?
При искусственном мутагенезе изменения возникают случайно, поэтому после него приходится проверять множество вариантов. Генная инженерия позволяет целенаправленно изменять наследственный материал, например вводить ген, нужный для получения заданного продукта.
Какие вещества получают с помощью микроорганизмов?
Микроорганизмы используют для получения антибиотиков, ферментов, витаминов и других полезных веществ. Также их применяют в производстве пищевых продуктов и других биотехнологических процессах.
10. Селекция микроорганизмов. Биотехнология
