Презентация "Селекция микроорганизмов. Биотехнология"

СГБОУ ПО

«Севастопольский медицинский колледж

имени Жени Дерюгиной»

Селекция микроорганизмов. Биотехнология

Преподаватель Смирнова З. М.

Селекция микроорганизмов

Селекция микроорганизмов (бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов) производится с целью получения продуктивных штаммов и последующего их использования в промышленности, сельском хозяйстве и медицине.

Штамм – по­пу­ля­ция мик­ро­ор­га­низ­мов, ха­рак­те­ри­зу­ю­ща­я­ся сходными на­след­ствен­ны­ми осо­бен­но­стя­ми и опре­делёнными при­зна­ка­ми, по­лу­чен­ная в ре­зуль­та­те ис­кус­ствен­но­го от­бо­ра.

Методы селекции микроорганизмов

Искусственный

Выявление

отбор:

продуктивного

• по скорости роста;
• по продуктивности;
• по окраске и др.

штамма

Индуцированный

(искусственный)

мутагенез

Особенности микроорганизмов

• Геном бактерий гаплоидный, любые мутации проявляются уже в первом поколении.

Генетический аппарат бактерий представлен одной

хромосомой (1n) – гигантской кольцевой молекулой ДНК и мелкие кольцевые молекулы ДНК – плазмиды.

• Очень высокая интенсивность размножения обеспечивает наличие неограниченного количества материала для работы.

Плазмиды

Нуклеоид с генофором

Микробиологический синтез

Микробиологический синтез – промышленный способ получения химических соединений и продуктов (например, белков, антибиотиков, витаминов), осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток.

Микроорганизмы служат важным источником белка, который они синтезируют в 10 – 100 тыс. раз быстрее, чем животные.

Так, 400-килограммовая корова производит в день 400 граммов белка, а 400 килограммов бактерий – 40 тысяч тонн. 

Результаты селекции

микроорганизмов

Результаты селекции

микроорганизмов

• Продуктивность штаммов гриба пеницилла была повышена

в 1000 раз.

• С помощью микробиологического синтеза получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, ферменты, витамины и многое другое.
• Продукты микробиологической промышленности используются

в хлебопечении, пивоварении, виноделии, приготовлении многих молочных продуктов.

• Микроорганизмы используют для биологической очистки сточных вод, улучшений качеств почвы.
• Разработаны методы получения марганца, меди, хрома при разработке отвалов старых рудников с помощью бактерий, где обычные методы добычи экономически невыгодны.

Биотехнология

Биотехнология – это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

Методы биотехнологии

Хромосомная инженерия

Клеточная инженерия

Генная инженерия

Микробиологический синтез

(селекция

микроорганизмов)

С развитием биотехнологии связывают решение проблем обеспечения населения продовольствием, минеральными ресурсами и энергией (биогаз), охраны окружающей среды (биологическая очистка воды) и др.

3

Биотехнология

Объекты биотехнологии:

• вирусы,
• бактерии,

• грибы,
• клетки и ткани растений, животных и человека.

Их выращивают на питательных средах в биореакторах-ферментерах.

Генная инженерия

Генная инженерия – совокупность методик, позволяющих выделять нужный ген из генома одного организма и вводить его

в геном другого организма.

Успешно реализуются два направления:

• Пересадка природных генов в ДНК бактерий или грибов;

• Встраивание искусственно созданных генов, несущих заданную информацию, в плазмиды.

В настоящее время основным объектом биотехнологии являются прокариоты.

Генная инженерия

Растения и животные, в геном которых внедрены «чужие» гены, называются трансгенными,

бактерии и грибы – трансформированными ,

Трансдукция – перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериофагов.

Классическим объектом генной инженерии является кишечная палочка.

Генная инженерия

Процесс создания трансформированных бактерий включает в себя следующие этапы:

• Рестрикция – «вырезание» нужных генов. Проводится с

помощью специальных «генетических ножниц», ферментов –

рестриктаз.

2. Создание вектора – специальной генетической конструкции, в составе которой намеченный ген будет внедрен в геном другой клетки.

Ген "вшивают" в вектор – плазмиду, с помощью которого ген вводится в бактерию. "Вшивание" осуществляется с помощью другой группы ферментов – лигаз.

3. Трансформация – внедрение вектора в бактерию.

4. Скрининг – отбор тех бактерий, в которых внедренные гены успешно работают.

5. Клонирование трансформированных бактерий.

Процесс создания трансформированных бактерий

Искусственная ДНК-затравка для синтеза комплементарной ДНК (кДНК)

Выделение иРНК

Клетки, вырабатывающие требуемый белок

иРНК

Рестрикция

Гибридизация

Синтез кДНК

Гибрид ДНК-РНК

Одночепочечная кДНК

Удаление РНК

Синтез второй цепи кДНК

Внехромосомная ДНК (плазмида)

Разрезание плазмиды

Двухцепочечная кДНК – ген требуемого белка

«Сшивка» ДНК-лигазой

Бактерии

Клонирование

Колонии бактерий

Рекомиби-нантная плазмида

Встраивание

в бактерию

Выделение требуемого

белка

Трансформация

(вектор)

Процесс создания трансформированных бактерий:

Из эукариотических клеток, например клеток поджелудочной железы человека, выделяют мРНК-продукт нужного гена и с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы) – фермент обнаруженный у РНК-содержащих вирусов, синтезируют комплементарную ей цепь ДНК.

• Образуется гибридная ДНК-РНК-молекула.
• мРНК удаляют при помощи гидролиза.
• Оставшуюся цепь ДНК реплицируют при помощи ДНК-полимеразы.
• Полученная двойная спираль ДНК состоит только из транскрибируемой части гена и не содержит интронов. Она называется комплементарной ДНК (кДНК)
• Создание вектора – генетической конструкции, в составе которой намеченный ген будет внедрен в геном другой клетки. Основой для создания вектора являются плазмиды.

• Ген вшивают в плазмиду с помощью ферментов – лигаз.
• Трансформация – внедрение вектора (плазмиды) в бактерию.
• Бактериальные клетки приобретают способность синтезировать белки, кодируемые нужным геном.

Достижения генной инженерии

• Более 350 препаратов и вакцин, разработанных с помощью

биотехнологий, широко используются в медицине, например:

- соматотропин – гормон роста, применяют при лечении карликовости;

- инсулин – гормон поджелудочной железы, используется для лечения

сахарного диабета;

- интерферон – антивирусный препарат, используется для лечения

некоторых форм раковых заболеваний;

• Создание генномодифицированных растений. Лидером среди ГМО растений является соя – дешевый источник масла и белка;

- ген азотфиксации перенесен в генотип ценных с/х растений;

Получение трансгенных растений с геном bt, несущим устойчивость к насекомым

Бактерия Bacillus thuringiensis вырабатывает эндотоксин, токсичный для насекомых и безвредный для млекопитающих.

Из бактерии выделили этот

ген и ввели его в плазмиду почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens.

Этой бактерией были заражены растительной ткани,

выращиваемой на питательной

среде.

Трансгенные растения, созданные при помощи агробактерий

Двудольные растения:

пасленовые (картофель, томаты), бобовые (соя), крестоцветные

(капуста, редис, рапс), и т.д.

Однодольные растения:

злаки,

банановые.

Первый трансгенный продукт (томаты) поступил на рынок в 1994 г.

Сегодня в мире более 150 сортов ГМ растений допущено

к промышленному производству.

Результаты генетической модификации:

• Устойчивость к гербицидам;
• Устойчивость к болезням и вредителям;
• Изменение морфологии растений;
• Изменение размера, формы и количества плодов;
• Повышение эффективности фотосинтеза;
• Устойчивость к воздействию климатических факторов, засолению почв.

Хромосомная инженерия

Хромосомная инженерия – совокупность методик, позволяющих осуществлять манипуляции с хромосомами.

Одна группа методов основана на введении в генотип растительного организма пары чужих гомологичных хромосом, контролирующих развитие нужных признаков ( дополненные линии ),

или замещении одной пары гомологичных хромосом на другую ( замещенные линии ).

В полученных таким образом замещенных и дополненных линиях собираются признаки, приближающие растения к «идеальному сорту».

Хромосомная инженерия.

Метод гаплоидов

основан на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом.

Например, из пыльцевых зерен кукурузы выращивают гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом ( n = 10), затем хромосомы удваивают и получают диплоидные ( n = 20), полностью гомозиготные растения всего за 2–3 года вместо 6–8-летнего инбридинга.

Сюда же можно отнести и метод получения полиплоидных растений

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия – конструирование клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции.

Методы клеточной инженерии

Культивирование –

Клонирование (реконструкция) – методы внедрения в соматическую клетку отдельных клеточных органоидов, ядра, цитоплазмы (частичная гибридизация)

метод сохранения (in vitro) и выращивания в специальных питательных средах клеток, тканей, небольших органов или их частей

Гибридизация – метод получения гибридов соматических клеток неродственных и филогенетически отдаленных видов

Культивирование

Метод культуры клеток и тканей – выращивание вне организма в искусственных условиях кусочков органов, тканей или отдельных клеток;

Этапы выращивания растений из клеток:

• Разделение клеток друг от друга и помещение в питательную среду.
• Интенсивное размножение и развитие клеток и возникновение каллуса.
• Помещение каллуса на другую питательную среду и образование побега.
• Пересадка нового побега в почву.

Например, выращивание женьшеня в искусственных условиях за 6 недель, на плантациях – 6 лет, в естественной среде – 50 лет.

3

Гибридизация

Посев на селективную среду, выжить на которой можно только, если есть определенный человеческий ген (например, ген А)

2 х 23

2 х 20

слияние

Клетка человека

Клетка мыши

20 + 23

В ходе клеточных делений в гибридной клетке утрачиваются все хромосомы человека, кроме одной (например, № 17)

Клетки выжили, значит ген А лежит в хромосоме 17

Гибридная клетка (гетерокарион)

Метод гибридизации соматических клеток

При определённых условиях происходит слияние двух разных клеток

в одну гибридную, содержащую оба генома объединившихся клеток.

Гибриды между опухолевыми клетками и лимфоцитами (гибридомы)

способны неограниченно долго делиться (т.е. они «бессмертны»), как

раковые клетки и, как лимфоциты, могут вырабатывать антитела.

Такие антитела применяют в лечебных и диагностических целях.

Схема клонирования (реконструкции)

Клонирование – точное воспроизведение какого-либо объекта. Объекты, полученные в результате клонирования, называются клонами (см. «Селекция животных).