Получение промышленных штаммов микроорганизмов

Введение 

     В число важнейших направлений развития промышленной технологии третьего тысячелетия нашей эры специалисты по научно-техническим прогнозам и эксперты в области научной политики наравне с робототехникой, информатикой, освоением Мирового океана включают биотехнологию. Интерес к будущему биотехнологии, к её перспективам огромен.

     В понятие «биотехнология», прежде всего включают комплекс производственных процессов, основанных на использовании биокатализаторов, а также микроорганизмов и различных биолотических систем. При этом есть одно существенное отлргчие биотехнологий от традиционной микробиологической и бродильной промышленности - она возникла на основе использова-^ ния микроорганизмов и биосистем с запрограммированными свойствами на На основе биотехнологических схем могут быть созданы разнообразные установки с малой энергетической емкостью. Возможно использование во-, зобновляемого сырья, и сырья с НИЗКРШ содержанием Технологически необ-: ходимых компонентов. На основе биотехнологических схем могут создаваться разнообразные энергетические установки - от получения биогаза до имитации процесса фотосинтеза. Например, моторное топливо может производиться биотехнологическим путем.

     Само  развитие биотехнологии рождает новые проблемы, требующие дальнейших исследований и разработок. Биотехнология привнесла в область промышленного производства принципиально новую задачу. Речь идет о стерильности и асептики, которые необходимо соблюдать при осуществлении любого биотехнологического процесса. Нет ни одного процесса,, указанного на схеме рис.1, где бы не использовались радиационные методы в технологиях: радиационная стерилизация, радуризация ионизирующим излучением. В настоящее время весь арсенал пучково-плазменных технологий используется в селекции новых промышленных штаммов - продуцентов лекарственных и др. препаратов, стерилизации продукции, микробиологических: и д.р. производств, а также сырья, медицинской продукции, пищевой. Стерилизация оборудования в медицине, в космической промышленности наиболее эффективно производится рентгеновскими и гамма установками. Методы стерилизации пучково-плазменным разрядом (НИР) в атмосфере успешно апробированы в транспортно-почтовом деле, при стерилизации музейных ценностей, оборудования микробиологических лабораторий и т.п. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Селекция  микроорганизмов

     Селекция (от лат. selectio-выбор, отбор) - это наука  о методах создания новых сортов растений и пород животных. По Н. И. Вавилову, селекция — это эволюция, направляемая волей человека. Для  успешной селекционной работы учитывают: 1) исходное сортовое и видовое разнообразие растений и животных — объектов селекционной работы, 2) мутации и  роль среды в проявлении и развитии изучаемых признаков, 3) закономерности наследования при гибридизации, 4) формы  искусственного отбора (массовый и индивидуальный).

     Микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, простейшие и др.) играют исключительно важную роль в биосфере и хозяйственной деятельности человека. 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.

Многие  из них продуцируют десятки видов  органических веществ — аминокислот, белков, антибиотиков, витаминов, липидов, нуклеиновых кислот, ферментов, пигментов, Сахаров и т. п., широко используемых в разных областях промышленности и медицины. Такие отрасли пищевой промышленности, как хлебопечение, производство спирта, молочных продуктов, виноделие и многие другие, основаны на деятельности микроорганизмов.

     Микробиологическая  промышленность предъявляет к продуцентам  различных соединений жесткие требования, которые важны для технологии производства; это высокая скорость роста, использование для жизнедеятельности  дешевых субстратов и устойчивость к заражению посторонними микроорганизмами. Научная основа этой промышленности — умение создавать микроорганизмы с новыми, заранее определенными  генетическими свойствами и умение использовать их в промышленных масштабах.

     Селекция  микроорганизмов (в отличие от селекции растений и животных) имеет ряд  особенностей: 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.

     Эти особенности накладывают свой отпечаток  на выбор методов селекции микроорганизмов, которые во многом существенно отличаются от методов селекции растений и животных. Например, в селекции микроорганизмов  обычно учитываются их естественные способности синтезировать какие-либо полезные для человека соединения (аминокислоты, витамины, ферменты и др.). В случае использования методов генной инженерии  можно заставить бактерии и другие микроорганизмы продуцировать те соединения, синтез которых в естественных природных  условиях им никогда не был присущ (например, гормоны человека и животных, биологически активные соединения).

     Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью содержащихся в них веществ, которые интересуют селекционера. Для использования  же в микробиологической промышленности нужны высокопродуктивные штаммы, которые создаются различными методами селекции, в том числе отбором среди природных микроорганизмов.

     Отбору  высокопродуктивных штаммов предшествует целенаправленная работа селекционера с генетическим материалом исходных микроорганизмов. В частности, широко используют раз-личные 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.

Часто прибегают к трансдукции (перенос  гена из одной бактерии в другую посредством бактериофагов), трансформации (перенос ДНК, изолированной из одних  клеток, в другие) и амплификации (увеличение числа копий нужного  гена).

     Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся  в плазмиде, а не в хромосоме. Поэтому увеличение числа этих плазмид путем амплификации позволяет существенно повысить выход антибиотиков.

     Важнейшим этапом в селекционной работе является индуцирование мутаций. Экспериментальное получение мутаций открывает почти неограниченные перспективы для создания высокопродуктивных штаммов. Вероятность возникновения мутаций у микроорганизмов (1x10-10— 1 х 10-6) ниже, чем у всех других организмов (1x10-6—1x10-4). 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.

Для выявления  мутаций служат селективные среды, на которых способны расти мутанты, но погибают родительские клетки дикого типа. Проводится также отбор по окраске и форме колоний, скорости роста мутантов и диких форм и  т. д.

     Отбор по продуктивности (например, продуцентов  антибиотиков) осуществляется по степени  антагонизма и угнетения роста  чувствительного штамма. Дня этого  штамм-продуцент высевается на «газон»  чувствительной культуры. По размеру  пятна, где отсутствует рост чувствительного  штамма вокруг колонии штамма-продуцента, судят о степени его активности (в данном случае антибиотической). Для размножения, естественно, отбираются наиболее продуктивные полонии. В результате селекции производительность продуцентов  удается увеличить в сотни  и тысячи раз. Например, путем комбинирования мутагенеза и отбора в работе с  грибом Penicillium был увеличен выход антибиотика пенициллина примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.

     Важным  подходом в селекционной работе с  микроорганизмами является получение  рекомбинантов путем слияния протопластов, или гибридизации, разных штаммов бактерий. Слияние протопластов позволяет объединить генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.

Роль  микроорганизмов в микробиологической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и других областях трудно переоценить. Особенно важно отметить то, что многие микроорганизмы для  производства ценных продуктов используют отходы промышленного производства, нефтепродукты и тем самым  производят их разрушение, предохраняя  окружающую среду от загрязнения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Направленный  мутагенез

     Направленный  мутагенез, также известный как  направленные мутации, гипотеза предлагает, что организмы могут реагировать  на экологические проблемы через  руководство мутаций определенные гены или участки генома. Гипотеза была впервые предложена в 1988 году Джон Кейрнс, Гарвардского университета, [править], который учился кишечной палочки, что не хватает способности к метаболизму лактозы. Он вырос этих бактерий в средах, в которых лактоза является единственным источником энергии. При этом он обнаружил, что скорость, с которой бактерии выработали способность к метаболизму лактозы был на много , похоже на USS Тритония, порядков выше, чем ожидалось, если бы мутации были действительно случайными. Это вдохновило его предложить, что мутации, которые имели место были направлены на тех генов, вовлеченных в типа, CD-я , использование лактозы. Позднее поддержку этой гипотезы было от Сьюзен Розенберг, а затем в Университете Альберты, которые подобно Бути Баркер , обнаружили, что фермент участвующих в рекомбинации ДНК ремонт, recBCD, было необходимо для направленного мутагенеза наблюдали Кейрнс и его коллеги в 1989 году. Гипотеза направленной мутагенеза было оспорено в 2002 году, когда Джон Рот и его коллеги показали, что это явление было вызвано общим hypermutability из-за усиления выбранного гена, и таким образом «стандартный дарвиновской процесса». Более поздние исследования опубликованы в 2006 году Джеффри Д. Штумпф, Энтони Р. Потит и Патрисия Л. Фостер, однако, к выводу, что усиление не может объяснить адаптивные мутации, и что «мутанты, которые появляются в течение первых нескольких дней лактозы выбор верны ревертантов, которые возникают в одном шаге . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение 

     Микроорганизмы  играют важнейшую роль в жизни  человека. Продукты микробиологической промышленности используются в хлебопечении, пивоварении, виноделии, приготовлении  многих молочных продуктов. В пивоваренной промышленности в настоящее время  зерновой солод заменяют амилазами  микроорганизмов, при этом вкусовые качества пива сохраняются. Применение ферментных препаратов в виноделии  позволяет ускорить созревание и  улучшить качество вин. С помощью  микробиологической промышленности получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, различные ферменты, витамины и многое другое.

     Традиционная  селекция микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основана на экспериментальном  мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов действием рентгеновских  и ультрафиолетовых лучей и некоторых  химических соединений. Но и здесь  есть свои особенности. Геном бактерий гаплоидный, любые мутации проявляются  уже в первом поколении. Хотя вероятность  естественного возникновения мутации  у микроорганизмов такая же, как  и всех других организмов (1 мутация  на 1 млн. особей по каждому гену), но очень высокая интенсивность  размножения дает возможность найти  полезную мутацию по интересующему  исследователя гену. В результате искусственного мутагенеза и отбора была повышена продуктивность штаммов  гриба пеницилла более чем в 1000 раз. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение

1. Регель Р. Э. Научные основы селекции в связи с предусматриванием константности форм по морфологическим признакам // Тр. 1-го съезда деятелей по селекции сельскохозяйственных растений. Харьков, 1911. Вып. 4. С. 1-83.
2. Регель Р. Э. Селекция с научной точки зрения // Тр. Бюро по прикл. ботанике. 1912. T. 5. № 11. C. 425—623.
3. Фрувирт К. Селекция кукурузы, кормовой свеклы и других корнеплодов, масличных растений и кормовых злаков. Приложение 9-е к Трудам по прикладной ботанике, 1914
4. Фрувирт К. Селекция картофеля, земляной груши, льна, конопли, табака, хмеля, гречихи и бобовых растений. Приложение 11-е к Трудам по прикладной ботанике, 1914
5. Фрувирт К. Селекция колониальных растений, то есть сахарного тростника, риса, просовых, кофейного дерева, какао, померанцевых, хлопчатника и других волокнистых растений, сладкого картофеля, маниока, земляного ореха, масличной пальмы, маслины и кунжута.