Тема: «Основные методы селекции микроорганизмов» Пименов А.В. Глава IХ

ОТКРЫТИЯ В ОБЛАСТИ БИОЛОГИИ В ЭПОХУ НТР

Введение
Современное состояние биотехнологии
Биотехнология и её роль в практической деятельности человека
Биотехнологии в растениеводстве

Метод культуры тканей

Клонирование

Новые открытия в области медицины

Генная инженерия

Трансгенные продукты: за и против
Генно-модифицированные продукты

Последствия развития биотехнологии в эпоху НТР

Введение

Биотехнология – это промышленное использование биологических процессов и систем на основе выращивания высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с необходимыми человеку свойствами. Отдельные биотехнологические процессы (хлебопечение, виноделие) известны с древних времен. Но наибольших успехов биотехнология достигла во второй половине XX века и приобретает всё большее значение для человеческой цивилизации.

Современное состояние биотехнологии

С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в сферах практической деятельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, пивоварение, приготовление кисломолочных продуктов и т. д. Наши предки не имели представления о сути процессов, лежащих в основе таких технологий, но в течение тысячелетий, используя метод проб и ошибок, совершенствовали их. Биологическая сущность этих процессов была выявлена лишь в XIX в. благодаря научным открытиям Л. Пастера. Его работы послужили основой для развития производств с использованием разнообразных видов микроорганизмов. В первой половине XX в. стали применять микробиологические процессы для промышленного получения ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.
Успехи, достигнутые во второй половине XX в. в области цитологии, биохимии, молекулярной биологии и генетики, создали предпосылки для управления элементарными механизмами жизнедеятельности клетки, что способствовало бурному развитию биотехнологии. Благодаря селекции высокопродуктивных штаммов микроорганиз­мов, эффективность биотехнологических процессов увеличилась в десятки и сотни раз.

Биотехнология и её роль в практической деятельности человека

Особенностью биотехнологии является то, что она сочетает в себе самые передовые достижения научно-технического прогресса с накопленным опытом прошлого, выражающимся в использовании природных источников для создания полезных для человека продуктов. Любой биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование полученных продуктов. Многоэтапность и сложность процесса обусловливает необходимость привлечения к его осуществлению самых разных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, цитологов, биохимиков, вирусологов, микробиологов и физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования.

Биотехнология в растениеводстве

Метод культура тканей

Всё шире на промышленной основе применяется метод вегетативного размножения сельскохозяйственных растений культурой тканей. Он позволяет не только быстро размножать новые перспективные сорта растений, но и получить незараженный вирусами посадочный материал.

Биотехнологии в животноводстве

В последние годы повышается интерес к дождевым червям как к источнику животного белка для сбалансирования кормовых рационом животных, птиц, рыб, пушных зверей, а также белковой добавки, обладающей лечебно-профилактическими свойствами.
Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов - бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Как показали промышленные испытания, богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет сэкономить 5-7 т зерна. Это имеет большое значение, поскольку 80% площадей сельскохо­зяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.

Клонирование

Клонирование овцы Долли в 1996 году Яном Вильмутом и его коллегами в Рослинском институте в Эдинбурге вызвало бурную реакцию во всем мире. Долли была зачата из клетки молочной железы овцы, которой уже давно не было в живых, а ее клетки хранились в жидком азоте. Методика, с помощью которой была создана Долли, известна под названием «перенос ядра», то есть из неоплодотворенной яйцеклетки было удалено ядро, а вместо него помещено ядро из соматической клетки. Из 277 яйцеклеток с пересаженным ядром лишь одна развивалась в относительно здоровое животное. Этот метод размножения является «асексуальным», так как он не требует наличия представителя каждого пола, чтобы создать ребенка. Успех Вильмута стал международной сенсацией.
В декабре 1998 года стало известно об удачных закончившихся попытках клонирования крупного рогатого скота, когда японцам И. Като, Т. Тани и сотр. удалось получить 8 здоровых телят после переноса 10 реконструированных эмбрионов в матку коров-реципиентов.

Слайд №10

Новые открытия
в области медициныОсобенно широко успехи биотехнологии применяются в медицине. В настоящее время с помощью биосинтеза получают антибиотики, ферменты, аминокислоты, гормоны.
Например, гормоны раньше, как правило, получали из органов и тканей животных. Даже для получения небольшого количества ле­чебного препарата требовалось много исходного материала. Следовательно, трудно было получить необходимое количество препарата, и он был очень дорог.
Так, инсулин, гормон поджелудочной железы, - основное средство лечения при сахарном диабете. Этот гормон надо вводить больным постоянно. Производство его из поджелудочной железы свиньи или крупного рогатого скота сложно и дорого. К тому же молекулы инсулина животных отличаются от молекул инсулина человека, что нередко вызывало аллергические реакции, особенно у детей. В настоящее время налажено биохимическое производство человеческого инсулина. Был получен ген, осуществляющий синтез инсулина. С помощью генной инженерии этот ген был введен в бактериальную клетку, которая в результате приобрела способность синтезировать инсулин человека.
Помимо получения лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, ДНК/РНК -проб.
С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.

Слайд №11

Метод стволовых клеток: лечит или калечит?

Японские ученые под руководством профессора Синья Яманака из Университета Киото впервые выделили стволовые клетки из человеческой кожи, предварительно внедрив в них набор определенных генов. По их мнению, это может послужить альтернативой клонированию и позволит создать препараты, сравнимые с теми, что получаются при клонировании человеческих эмбрионов. Американские ученые практически одновременно получили аналогичные результаты. Но это не означает, что через несколько месяцев можно будет полностью уйти от клонирования эмбрионов и восстанавливать работоспособность организма при помощи стволовых клеток, полученных из кожи пациента.
Сначала специалистам придется убедиться в том, что «кожные» столовые клетки на самом деле так многофункциональны, как кажутся, что их можно без опасений за здоровье пациента вживлять в различные органы и что они при этом будут работать. Главное опасение – как бы такие клетки не представляли риска в отношении развития рака. Потому что главная опасность эмбриональных стволовых клеток заключается в том, что они генетически нестабильны и обладают способностью развиваться в некоторые опухоли после трансплантации в организм.

Слайд №12

Генная инженерия

Приёмы генной инженерии позволяют выделять необходимый ген и вводить его в новое генетическое окружение с целью создания организма с новыми, заранее предопределёнными признаками.
Методы генной инженерии остаются ещё очень сложными и дорогостоящими. Но уже сейчас с их помощью в промышленности получают такие важные медицинские препараты, как интерферон, гормоны роста, инсулин и др.
Селекция микроорганизмов является важнейшим направлением в биотехнологии.
Развитие бионики позволяет эффективно применять для решения инженерных задач биологические методы, использовать в различных областях техники опыт живой природы.

Слайд №13

Трансгенные продукты:
за и противВ мире уже зарегистрировано несколько десятков съедобных трансгенных растений. Это сорта сои, риса и сахарной свеклы, устойчивых к гербицидам; кукурузы, устойчивой к гербицидам и вредителям; картофеля, устойчивого к колорадскому жуку; кабачков, почти несодержащих косточек; помидоров, бананов и дынь с удлиненным сроком хранения; рапса и сои с измененным жирнокислотным составом; риса с повышенным содержанием витамина А.
Генетически модернизированные источники могут встречаться в колбасе, сосисках, мясных консервах, пельменях, сыре, йогуртах, детском питании, кашах, шоколаде, конфетах мороженом.

Слайд №14

Генно-модифицированные продукты

Перечень продуктов, где могут быть генетически измененные продукты: Рибофлавины Е 101, Е 101А, карамель Е 150, ксантан Е 415, лецитин Е 322, Е 153, Е160d, Е 161с, Е 308q, Е 471, Е 472f, Е 473, Е 475, Е 476b, Е 477, Е 479а, Е 570, Е 572,Е 573, Е 620, Е 621, Е 622, Е 623, Е 623, Е 624, Е 625.
Генно - модифицированные продукты: шоколад Fruit Nut, Kit-kat, Milky Way, Twix; напитки: Nesquik, Coca-Cola, Sprite, Pepsi, чипсы Pringles, йогурт Danon.
Генетически измененные продукты производят такие компании: Новартиc (Novartis), Монсанто (Monsanto)-новое название компании Фармация (Pharmacia), куда входит и Кока-кола, а также Нестле (Nestle), Данон (Danone), Хенц, Хипп, Юниливер (Uniliver), Юнайтид Бисквитс (United Biscuits), рестораны Мак-Доналдс (Mac-Donalds).
В мире не зарегистрировано ни одного факта, что трансгенное растение нанесло вред человеку. Но бдительность терять не стоит. Пока не выяснено, не повлияют ли эти растения на потомство, не загрязнят ли окружающую среду.

Слайд №15

Перспективы развития биотехнологии

Все шире на промышленной основе применяется метод вегетатив- ного размножения сельскохозяйственных растений культурой тканей. Он позволяет не только быстро размножить новые перспективные сорта растений, но и получить незараженный вирусами посадочный материал.
Биотехнология позволяет получать экологически чистые виды топлива путем биопереработки отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. Например, созданы установки, в которых используются бактерии для переработки навоза и других органических отходов. Из 1 т навоза получают до 500 м3 биогаза, что эквивалентно 350 л бензина, при этом качество навоза как удобрения улучшается.
Биотехнологические разработки находят все большее применение в добыче и переработке полезных ископаемых.

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Основные методы селекции и биотехнологии

Селекция - наука о выведении новых и совершенствовании существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с необходимыми человеку свойствами. Сорт, порода, штамм - популяция организмов, искусственно созданная человеком (генофонд, физические и морфологические признаки).

1. Отбор 2. Гибридизация 3. Мутагенез 4. Клеточная инженерия 5. Генная инженерия Основные методы селекции

Отбор 1. Методический отбор (определённые признаки) 2. Массовый отбор (желаемые признаки) 3. Индивидуальный отбор (отдельные особи с ценными качествами) Чистая лини я - группа генетически однородных организмов.

Гибридизация 1. Близкородственная (инбридинг) - повышается степень гомозиготности организмов 2. Неродственная (аутбридинг) : внутривидовая, отдалённая - гетерозиготные оранизмы. Новые организмы превосходят родительские формы - эффект гетерозиса

Генная инженерия это целенаправленный перенос нужных генов от одного вида в другой

Клеточная инженерия это культивирование отдельных тканей и клеток на искусственных питательных средах

Бельгийская голубая

Сельскохозяйственные животные размножаются только половым путем Потомство, полученное от одной пары производителей, невелико Высока селекционная ценность каждой особи Особенности селекции животных

Одомашнивание Отбор Гибридизация Основные методы селекции животных:

Одомашнивание Человек бессознательно/целенаправленно отбирает животных с определёнными качествами, важных для человека в конкретных природных и экономических условиях.

Основные направления селекции животных 1. высокая продуктивность 2. приспособленность к природным зонам 3. повышение качественных показателей продуктивности (жирномолочность, мясо, мех и шерсть) 4. снижение экономических затрат за счёт пород интенсивного типа 5. повышение устойчивости к заболеваниям

Гибридизация и индивидуальный отбор Массовый отбор не применяется из-за небольшого количества особей

Самый большой кот Геркулес - смесь льва и тигрицы. Вес 418 кг, длинна 3,3,м весота 1,8 м

Бестер- помесь белуги и стерляди, который дает очень вкусную черную икру

Искусственное осеменение - введениеполученной от высокоценных самцов спермы в половые пути самки с целью оплодотворения Полиэмбрионная гибридизация - искусственное образование нескольких зародышей из одной зиготы с последующим их введением в матку беспородных животных

Генетическое клонирование

Ученые -селекционеры и их достижения Методы, используемые при получении необходимых признаков Сорта или породы, полученные ученым Домашнее задание: параграфы 64 – 65 Заполнить таблицу, используя текст параграфа 65

Понятие селекции

• В широком смысле слова селекция как процесс изменения домашних животных и культурных растений, по выражению Н.И. Вавилова, «представляет собой эволюцию, направленную волей человека».
• Селекция - наука о методах создания новых пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов с нужными человеку признаками.

Дайте формулировку закона гомологических рядов в наследственной изменчивости.

• Дайте формулировку закона гомологических рядов в наследственной изменчивости.

• Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов.

• Какое значение для селекции имеет закон гомологических рядов в наследственной изменчивости?

Закон успешно используется в селекционной практике:

• Закон успешно используется в селекционной практике:
• а) обнаружение спонтанных мутаций у одного вида дает основание для поисков сходных мутаций у родственных видов растений или животных;
• б) некоторые наследственные заболевания и уродства, встречающиеся у человека, отмечены и у некоторых животных, животных с такими болезнями используют в качестве модели для изучения дефектов у человека.
• Пр. катаракта глаза бывает у мышей, крыс, собак, лошадей; гемофилия - у мыши и кошки; диабет у крысы и т.д.

Порода, сорт -это искусственно созданная человеком популяция, характеризующаяся специфическим генофондом, наследственно закрепленными морфологическими и физиологическими признаками, определенным уровнем и характером продуктивности.

• Порода, сорт -это искусственно созданная человеком популяция, характеризующаяся специфическим генофондом, наследственно закрепленными морфологическими и физиологическими признаками, определенным уровнем и характером продуктивности.
• Штамм – чистая одновидовая культура микроорганизмов(или вирусов), выделенная из определенного источника и обладающая специфическими физиолого-биохимическими признаками

Задачи селекции

• Создание новых пород домашних животных и сортов культурных растений
• Улучшение ранее известных пород и сортов

Основные методы селекционной работы

• методы
• селекционной
• работы

• Скрещивание

• Искусственный
• отбор

• родственное

• неродственное

• Внутрипородное
• (внутрисортовое)

• Межпородное
• (межсортовое)

• Отдаленная
• гибридизация

• массовый

• индивидуальный

Методы селекции животных

• Инбридинг

• Аутбридинг

• Гетерозис

• Скрещивание внутри
• одной породы между
• близкими родственниками
• для сохранения важных
• признаков

• Скрещивание различных
• пород животных, отличающихся по ряду признаков для получения межвидовых гибридов

• Скрещивание генетически
• отдаленных форм
• Получение межпородных
• высокопродуктивных
• гибридов

• Каждый сорт, каждая порода имеют особого дикого предка.
• Все породы кур происходят от дикой банкивской курицы,
• домашние утки – от дикой кряковой утки,
• породы кроликов – от дикого европейского кролика
• предки крупного рогатого скота – два вида диких туров,
• собаки – волк.

Чем отличаются культурные растения и домашние животные от своих диких предков?

• размеры и продуктивность культурных растений выше, чем у родственных диких видов;
• культурные растения лишены средств защиты от поедания: горьких и ядовитых веществ, шипов, колючек;
• так же у культурных форм сильно развиты отдельные признаки, бесполезные или вредные для существования в естественных условиях, но полезные для человека.

Экстерьер - это вся совокупность наружных форм животных, их телосложение, соотношение частей тела.

• Экстерьер крупного рогатого скота мясного направления (шортгорнская порода)

• Экстерьер крупного рогатого скота молочного направления
• (джерсейская порода)

• Высокая продуктивность по тому или иному признаку связана с определенными экстерьерными особенностями.

зубр + американский бизон = зубробизон

• Порода была создана, чтобы объединить характеристики обоих животных и с целью увеличить производство говядины.

архар(горный баран) + меринос (тонкорунная овца) = архаромеринос

• Стада их круглогодично пасутся на высокогорных пастбищах в таких условиях, при которых не могут существовать тонкорунные овцы - мериносы

самец осла + самка лошади = мул

• Мулы более терпеливы, устойчивы, выносливы и живут дольше, чем лошади, и менее упрямые, более быстрые и умные, чем ослы.

лев + тигр = лигр

• Лигры - крупнейшие кошки на Земле.
• Самый большой лигр по имени Геркулес, весом как два льва, проживает в парке «Остров джунглей» в Майами. В отличие от самок лигры-самцы обычно бесплодны, поэтому их нельзя разводить.

африканский сервал + домашняя кошка = саванна

• Саванны гораздо более общительные, чем обычные домашние кошки, и их часто сравнивают с собаками благодаря их преданности хозяину. Их можно обучить ходить на поводке и даже приносить брошенные хозяином предметы.

Селекция растений

• Близко родственное скрещивание и самоопыление используется для выведения «чистых линий»
• Гетерозис – гибридная сила. Потомки от скрещивания чистых линий превосходят по качествам родительские формы.
• И. В. Мичурин разработал метод отдаленной гибридизации для получения новых сортов

Сорта капусты Гетерозис- явление гибридной силы.

• Гетерозис- явление гибридной силы.
• В первом поколении гибридов повышается жизнеспособность и наблюдается мощное развитие (более крупные размеры), более высокая урожайность, более активный синтез органических веществ. Объясняется гетерозис переходом многих генов в гетерозиготное состояние и взаимодействием благоприятных доминантных генов.
• При последующих скрещиваниях гибридов между собой гетерозис затухает вследствие выщепления гомозигот.

Тритикале

• Тритикале
• (от лат. triticum - пшеница и лат. secale - рожь) - злак, гибрид ржи и пшеницы.
• Тритикале обладает повышенной морозостойкостью (больше чем у озимой пшеницы), устойчивостью против грибных и вирусных болезней, пониженной требовательностью к плодородию почвы, содержат много белка в зерне.

Центры происхождения культурных растений (по Н.И.Вавилову)

Название центра	Географическое положение	Культурные растения
Южноазиатский тропический	Индия, Индокитай, Южный Китай, о-ва Юго-Восточной Азии	Рис, сахарный тростник, цитрусовые, огурец, баклажан, черный перец (50% к.р)
Восточноазиатский	Центральный и Восточный Китай, Япония, Корея, Тайвань	Соя, просо, гречиха, плодовые и овощные- слива, вишня, редька (20% к.р)
Юго-Западноазиатский	Малая и Средняя Азия, Афганистан, Юго-Западная Индия	Пшеница, рожь, бобовые, лен, репа, морковь, чеснок, виноград, абрикос, груша(14% к.р)
Средиземноморский	Побережье Средиземного моря	Капуста, сахарная свекла, маслины, кормовые травы(11%к.р)
Абиссинский	Абиссинское нагорье Африки	Твердая пшеница, ячмень, кофе, бананы
Центральноамериканский	Южная Мексика	Кукуруза, какао, тыква, табак, хлопчатник, арахис, фасоль
Южноамериканский	Южная Америка вдоль западного побережья	Картофель, ананас, хинное дерево

Селекция микроорганизмов

• использование микро
• организмов

• Синтез пищевых
• добавок

• Синтез БАВ

• Производство
• лекарств

• Производство
• кормов для
• животных

• Искусственный мутагенез – метод селекционной работы с микроорганизмами
• Мутагены: рентгеновские лучи, яды, радиация…

Микробиология (от греч. mikros - малый, bios-жизнь, logos - наука), наука о строении и жизнедеятельности мельчайших живых существ, называемых микроорганизмами.

• Микроорганизмы

• Бактерии

• Вирусы

• Грибы

• Простейшие

• Сине-зеленые водоросли

• Микроорганизмы– это группа прокариотических и эукариотических одноклеточных организмов, различаемых только под микроскопом.

• Кокки - возбудители бактериального менингита

• Герпес-вирус
• 6-го типа

• Дрожжеподобные грибы вида C.albicans

• Paramecium, род простейших одноклеточных

• Цианобактерии

Биотехнология – это технология получения из живых клеток или с их помощью необходимых человеку продуктов.

• Биотехнология – это технология получения из живых клеток или с их помощью необходимых человеку продуктов.

Примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов:

• Примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов:
• хлебопечение;
• пивоварение;
• виноделие;
• приготовление молочных продуктов;
• производство кормового белка;
• производство ферментных и витаминных препаратов используемых в пищевой промышленности, медицине, животноводстве.

Основные направления селекции микроорганизмов

• Генная инженерия

• Клеточная
• инженерия

• 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.

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.

Гибридизация

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

слияние

Клетка человека

Клетка мыши

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).

Слайд 1

Селекция микроорганизмов Биотехнология

Слайд 2

Традиционная селекция микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основана на экспериментальном мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов. 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 у всех других организмов (1 мутация на 1 млн. особей по каждому гену), очень высокая интенсивность размножения дает возможность найти полезную мутацию по интересующему исследователя гену.

Слайд 3

В результате искусственного мутагенеза и отбора была повышена продуктивность штаммов гриба пеницилла более чем в 1000 раз. Продукты микробиологической промышленности используются в хлебопечении, пивоварении, виноделии, приготовлении многих молочных продуктов. С помощью микробиологической промышленности получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, различные ферменты, витамины и многое другое.

Слайд 4

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

Слайд 5

Биотехнология

Использование живых организмов и их биологических процессов в производстве необходимых человеку веществ. Объектами биотехнологии являются бактерии, грибы, клетки растительных и животных тканей. Их выращивают на питательных средах в специальных биореакторах.

Слайд 6

Области применения

Слайд 7

Новейшими методами селекции микроорганизмов, растений и животных являются клеточная, хромосомная и генная инженерия.

Слайд 8

Генная инженерия

Генная инженерия - совокупность методик, позволяющих выделять нужный ген из генома одного организма и вводить его в геном другого организма. Растения и животные, в геном которых внедрены «чужие» гены, называются трансгенными, бактерии и грибы - трансформированными. Традиционным объектом генной инженерии является кишечная палочка, бактерия, живущая в кишечнике человека. Именно с ее помощью получают гормон роста - соматотропин, гормон инсулин, который раньше получали из поджелудочных желез коров и свиней, белок интерферон, помогающий справиться с вирусной инфекцией.

Слайд 9

Процесс создания трансформированных бактерий включает этапы:

Рестрикция - «вырезание» нужных генов. Проводится с помощью специальных «генетических ножниц», ферментов - рестриктаз. Создание вектора - специальной 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 другой группы ферментов - лигаз. Вектор должен содержать все необходимое для управления работой этого гена - промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор, а также маркерные гены, которые придают клетке-реципиенту новые свойства, позволяющие отличить эту клетку от исходных клеток. Трансформация - внедрение вектора в бактерию. Скрининг - отбор тех бактерий, в которых внедренные гены успешно работают. Клонирование трансформированных бактерий.

Слайд 10

Образование рекомбинантных плазмид: 1 - клетка с исходной плазмидой 2 - выделенная плазмида 3 - создание вектора 4 - рекомбинантная плазмида (вектор) 5 - клетка с рекомбинантной плазмидой

Слайд 11

Эукариотические гены, в отличие от прокариотических, имеют мозаичное строение (экзоны, интроны). В бактериальных клетках отсутствует процессинг, а трансляция во времени и пространстве не отделена от транскрипции. В связи с этим для пересадки эффективнее использовать искусственно синтезированные гены. Матрицей для такого синтеза является иРНК. С помощью фермента обратная транскриптаза на этой иРНК сперва синтезируется цепь ДНК. Затем на ней с помощью ДНК-полимеразы достраивается вторая цепь.

Слайд 12

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».

Слайд 13

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

Слайд 14

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия - конструирование клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Клетки растений и животных, помещенные в питательные среды, содержащие все необходимые для жизнедеятельности вещества, способны делиться, образуя клеточные культуры. Клетки растений обладают еще и свойством тотипотентности, то есть при определенных условиях они способны сформировать полноценное растение. Следовательно, можно размножать растения в пробирках, помещая клетки в определенные питательные среды. Это особенно актуально в отношении редких или ценных растений.

Слайд 15

С помощью клеточных культур можно получать ценные биологически активные вещества (культура клеток женьшеня). Получение и изучение гибридных клеток позволяет решить многие вопросы теоретической биологии (механизмы клеточной дифференцировки, клеточного размножения и др.). Клетки, полученные в результате слияния протопластов соматических клеток, относящихся к разным видам (картофеля и томата, яблони и вишни и др.), являются основой для создания новых форм растений. В биотехнологии для получения моноклональных антител используются гибридомы - гибрид лимфоцитов с раковыми клетками. Гибридомы нарабатывают антитела, как лимфоциты, и обладают возможностью неограниченного размножения в культуре, как раковые клетки.

Слайд 16

Метод пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки позволяет получить генетическую копию животного, то есть делает возможным клонирование животных. В настоящее время получены клонированные лягушки, получены первые результаты клонирования млекопитающих.