Селекція мікроорганізмів

Мікроорганізми (бактерії, мікроскопічні гриби, найпростіші тощо) відіграють виключно важливу роль у біосфері та господарській діяльності людини.

Із понад 100 тис. видів відомих у природі мікроорганізмів людиною використовується кілька сотень, і число це зростає. Якісний стрибок у їх використанні відбувся в останні десятиліття, коли були встановлені багато генетичні механізми регуляції біохімічних процесів в клітинах мікроорганізмів.

Багато хто з них продукують десятки видів органічних речовин:

  • амінокислот;
  • білків;
  • антибіотиків;
  • вітамінів;
  • ліпідів;
  • нуклеїнових кислот;
  • ферментів;
  • пігментів;
  • цукрів і т. п.,

Всі ці сполуки широко використовуються в різних галузях промисловості і медицини. Такі галузі харчової промисловості, як:

  • хлібопечення;
  • виробництво спирту;
  • молочних продуктів;
  • виноробство і багато інших, засновані на діяльності мікроорганізмів.

Мікробіологічна промисловість пред’являє до продуцентів різних сполук жорсткі вимоги, які важливі для технології виробництва, це:

  • висока швидкість росту;
  • використання для життєдіяльності дешевих субстратів;
  • стійкість до зараження сторонніми мікроорганізмами.

Наукова основа цієї промисловості – вміння створювати мікроорганізми з новими, заздалегідь певними генетичними властивостями і вміння використовувати їх у промислових масштабах.

Селекція мікроорганізмів (на відміну від селекції рослин і тварин) має ряд особливостей:

  • У селекціонера мається необмежена кількість матеріалу для роботи: за лічені дні в чашках Петрі або пробірках на поживних середовищах можна виростити мільярди клітин;
  • Більш ефективне використання мутаційного процесу, оскільки геном мікроорганізмів гаплоїдний, що дозволяє виявити будь-які мутації вже в першому поколінні;
  • Простота генетичної організації бактерій: значно менша кількість генів, їх генетична регуляція більш проста, взаємодії генів прості або відсутні.

Ці особливості накладають свій відбиток на вибір методів селекції мікроорганізмів, які багато в чому істотно відрізняються від методів селекції рослин і тварин.

Наприклад, в селекції мікроорганізмів зазвичай враховуються їх природні здібності синтезувати будь-які корисні для людини сполуки:

  • амінокислоти;
  • вітаміни;
  • ферменти та ін.

У разі використання методів генної інженерії можна змусити бактерії та інші мікроорганізми продукувати ті сполуки, синтез яких у природних умовах їм ніколи не був притаманний (наприклад, гормони людини і тварин, біологічно активні сполуки).

Природні мікроорганізми, як правило, володіють низькою продуктивністю містячих в них речовин, які цікавлять селекціонера.

Для використання ж у мікробіологічній промисловості потрібні високопродуктивні штами, які створюються різними методами селекції, у тому числі відбором серед природних мікроорганізмів.

Відбору високопродуктивних штамів передує цілеспрямована робота селекціонера з генетичним матеріалом вихідних мікроорганізмів. Зокрема, широко використовують різні способи некомбінації генів:

  • кон’югація;
  • трансдукція;
  • трансформацію та інші генетичні процеси.

Наприклад, кон’югація (обмін генетичним матеріалом між бактеріями) дозволила створити штам Pseudomonas putida, здатний утилізувати вуглеводні нафти.

Часто вдаються до трансдукції (перенесення гена з однієї бактерії в іншу за допомогою бактеріофагів), трансформації (перенесення ДНК, ізольованої з одних клітин, в інші) і ампліфікації (збільшення числа копій потрібного гена).

Так, у багатьох мікроорганізмів гени біосинтезу антибіотиків або їх регулятори знаходяться в плазміді, а не в хромосомі. Тому збільшення числа цих плазмід шляхом ампліфікації дозволяє істотно підвищити вихід антибіотиків.

Найважливішим етапом в селекційній роботі є індукування мутацій.

Експериментальне отримання мутацій відкриває майже необмежені перспективи для створення високопродуктивних штамів. Імовірність виникнення мутацій у мікроорганізмів (1×10-10-1 х 10-6) нижче, ніж у всіх інших організмів (1×10-6-1x10-4).

Але ймовірність виділення мутацій з даного гену у бактерій значно вище, ніж у рослин і тварин, оскільки отримати багатомільйонне потомство у мікроорганізмів досить просто і зробити це можна швидко.

Для виявлення мутацій служать селективні середовища, на яких здатні рости мутанти, але гинуть батьківські клітини дикого типу.

Проводиться також відбір за забарвленням і формою колоній, швидкості росту мутантів і диких форм і т. д.

Відбір за продуктивністю (наприклад, продуцентів антибіотиків) здійснюється за ступенем антагонізму і пригнічення росту чутливого штаму. Дня цього штам-продуцент висівається на “газон” чутливої культури.

За розміром плями, де відсутній ріст чутливого штаму навколо колонії штаму-продуцента, судять про ступінь його активності (в даному випадку антибіотичною). Для розмноження, природно, відбираються найбільш продуктивні полонії.

У результаті селекції продуктивність продуцентів вдається збільшити в сотні і тисячі разів. Наприклад, шляхом комбінування мутагенезу і відбору в роботі з грибом Penicillium був збільшений вихід антибіотика пеніциліну приблизно в 10 тис. разів порівняно з вихідним диким штамом.

Важливим підходом в селекційній роботі з мікроорганізмами є отримання рекомбінантів шляхом злиття протопластів, або гібридизації, різних штамів бактерій. Злиття протопластів дозволяє об’єднати генетичні матеріали і таких мікроорганізмів, які в природних умовах не схрещуються.

Роль мікроорганізмів у мікробіологічній, харчовій промисловості, в сільському господарстві та інших областях важко переоцінити.

Особливо важливо відзначити те, що багато мікроорганізми для виробництва цінних продуктів використовують відходи промислового виробництва, нафтопродукти і тим самим виробляють їх руйнування, оберігаючи навколишнє середовище від забруднення.

Посилання на основну публікацію