11.3. Селекция микроорганизмов

Определения и обозначения

Штамм — генетически однородная культура микроорганизмов одного вида, обладающая определёнными наследственными свойствами. Иными словами, это культура, у которой можно ожидать сохранения важных признаков при размножении. В селекции отбирают и сохраняют именно штаммы, чтобы производственные свойства были устойчивыми и воспроизводились в большой культуре.

Селекция микроорганизмов — получение и размножение штаммов с полезными для человека свойствами. Сначала находят или создают наследственные варианты, затем проверяют их и выбирают подходящие. Такое определение подчёркивает, что одного обнаружения полезного признака мало: выбранную культуру нужно ещё размножить.

Искусственный мутагенез — вызванное человеком увеличение частоты наследственных изменений, среди которых можно отобрать полезные варианты. Он расширяет разнообразие признаков, с которыми работает селекционер. Сам по себе мутагенез не выбирает нужный результат, поэтому за ним обязательно следуют проверка и отбор.

Микробиологический синтез — получение необходимых веществ с помощью жизнедеятельности микроорганизмов. Микробы образуют продукт, пока растут и осуществляют обмен веществ. Это понятие помогает связать работу селекционера с практической целью — производством нужных соединений.

Как это устроено

Микроорганизмы удобны для селекции благодаря быстрому размножению: за короткое время появляется много потомков, а значит, можно изучить множество наследственных вариантов. Большое потомство повышает шанс обнаружить редкий признак, который пригодится человеку. Кроме того, микроорганизмы выращивают в больших количествах, поэтому подходящий результат можно проверять и затем использовать в производстве.

Наследственные изменения создают различия между микроорганизмами, например в способности образовывать определённое вещество. Если признак передаётся потомству, он может сохраняться при размножении культуры. Отбор позволяет сравнить варианты и оставить те, у которых нужное свойство выражено лучше; без него полезные изменения могли бы остаться незамеченными.

Естественных мутаций обычно недостаточно, чтобы быстро получить большой выбор вариантов. Поэтому селекционеры иногда увеличивают частоту изменений искусственно, воздействуя на культуру мутагеном. Возникают разные, в том числе неблагоприятные и нейтральные, изменения, так что каждую культуру приходится проверять по нужному признаку и выделять перспективные варианты.

Чтобы получить промышленно ценный микроорганизм, сначала подбирают вариант, который образует нужный продукт, и проверяют его продуктивность. Затем наиболее подходящие микроорганизмы отбирают и размножают, поддерживая условия, позволяющие сохранить свойства культуры. В итоге производство строят не на случайной смеси микробов, а на проверенном штамме с предсказуемыми характеристиками.

Микроорганизмы используют для получения антибиотиков, аминокислот и ферментов. Антибиотики применяют для борьбы с некоторыми бактериями, аминокислоты нужны, в частности, для производства пищевых и кормовых продуктов, а ферменты ускоряют реакции в разных технологических процессах. Благодаря микробиологическому синтезу ценные вещества можно получать в больших объёмах, что делает отбор продуктивных штаммов практически важным.

Селекция микроорганизмов и использование её результатов

Таблица показывает путь от появления наследственных различий до применения продукта. При разборе конкретного примера проследите, на каком этапе создают варианты, а на каком выбирают лучшие. Так проще не смешивать мутагенез, отбор и последующее производство.

Разбор задач

Задача 1. Штамм быстро размножается, но не производит нужное человеку вещество. Нужно объяснить, почему одной скорости размножения недостаточно. Разделим способность быстро давать потомство и наличие полезного для производства признака: это разные свойства.

1. Быстрый рост означает, что культура быстро увеличивает свою численность.
2. Но в условии сказано, что нужного вещества она не производит, поэтому массовое размножение не обеспечит получения продукта.
3. Для производства требуется найти или получить вариант с нужным наследственным свойством, а затем проверить его продуктивность.

Ответ: высокая скорость размножения полезна, но не делает штамм подходящим без способности образовывать нужное вещество.

Задача 2. После обработки культуры мутагеном найдены микроорганизмы с разными свойствами. Требуется получить штамм — активный продуцент нужного вещества. Здесь важно не считать все возникшие варианты полезными: сначала их исследуют, а потом сохраняют лучший.

1. Разделить варианты культуры и проверить, какие из них образуют нужное вещество.
2. Сравнить найденные культуры по продуктивности и выбрать наиболее подходящую.
3. Размножить выбранные микроорганизмы и проверить, сохраняется ли признак у потомства.
4. Поддерживать отобранную культуру как штамм и использовать её для дальнейшего получения продукта.

Ответ: нужно выявить продуцентов, отобрать наиболее продуктивный вариант, проверить наследуемость признака и размножить подходящий штамм.

Задача 3. В двух культурах одинакового объёма первая содержит исходный штамм, а вторая — отобранный штамм, выделяющий в несколько раз больше антибиотика. Нужно объяснить выбор и условия размножения. При равном объёме сравниваем прежде всего выход нужного продукта, а не только способность микробов расти.

1. Вторая культура даёт больше антибиотика при том же объёме, значит, её штамм продуктивнее по заданному признаку.
2. Для промышленного производства его выбирают, поскольку он позволяет получить больше целевого вещества при сопоставимом объёме культуры.
3. При размножении нужно поддерживать условия, подходящие этому штамму, и не допускать подмены или смешивания культур.
4. Также следует контролировать, сохраняется ли способность активно образовывать антибиотик у размноженного потомства.

Ответ: выбирают второй штамм из-за более высокого выхода антибиотика. При массовом выращивании поддерживают чистоту культуры и условия, позволяющие сохранить её наследственные свойства и продуктивность.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что мутаген сразу создаёт только полезные изменения. Так думают, потому что искусственное воздействие связывают с заранее заданной целью, однако мутации возникают случайно и могут оказаться нейтральными или вредными. Проверьте себя: после мутагенеза всё равно требуется сравнить варианты и отобрать подходящий.

Другая ошибка — смешивать мутагенез и отбор. Их могут воспринимать как одну операцию, хотя мутагенез увеличивает разнообразие наследственных вариантов, а отбор сохраняет нужные. Чтобы проверить себя, спросите: действие создаёт варианты или выбирает среди уже имеющихся?

Нельзя считать, что любой быстро растущий микроорганизм годится для производства. Быстрый рост говорит о размножении, но не доказывает, что культура образует нужный продукт или делает это в достаточном количестве. Проверяйте не только скорость роста, но и наличие нужного признака и продуктивность.

Полезный признак отдельного микроорганизма не гарантирует, что вся культура будет обладать им автоматически. Если размножать неподходящие или смешанные варианты, свойства могут оказаться нестабильными. Проверьте себя: для производства выбран и поддерживается именно отобранный штамм, а его продуктивность контролируется при размножении.

Связь с другими темами

Для понимания селекции микроорганизмов нужны знания о наследственной изменчивости, мутациях и искусственном отборе. Эти понятия помогают различать появление новых вариантов и выбор полезных признаков. С темой связана генетика микроорганизмов, а общий принцип отбора вариантов действует также в селекции растений и животных.

Представление о штаммах и микробиологическом синтезе пригодится при изучении биотехнологии. Оно объясняет, как наследственные свойства культуры используют для получения лекарств и пищевых продуктов. Поэтому селекция микроорганизмов связывает генетику с практическим производством.

Что запомнить

• Микроорганизмы быстро размножаются и дают многочисленное потомство.
• Мутации создают наследственные варианты признаков.
• Искусственный мутагенез помогает увеличить число вариантов для отбора.
• Полезные свойства выявляют, а затем отбирают и закрепляют в штамме.
• Отобранные штаммы используют для получения необходимых человеку веществ.
• Продуктивность штамма важна для промышленного микробиологического синтеза.