Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Остапченко - Нова програма

§ 57. БІОТЕХНОЛОГІЯ, СЕЛЕКЦІЯ ТА ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ МІКРООРГАНІЗМІВ

Пригадайте, що таке штам мікроорганізмів, плазміди, бактеріофаги та їхній життєвий цикл.

Біотехнологія - це використання організмів чи біологічних процесів для отримання продуктів, потрібних людині, та наукове маніпулювання організмами, зокрема, на молекулярно-генетичному рівні. Людина здавна використовувала мікроорганізми для своїх потреб: дріжджі для виготовлення хлібу, пива та вина, бактерії та деякі цвілеві гриби - для сироваріння. Так, найдавніший рецепт пива археологи знайшли на шумерських клинописних табличках, вік яких - приблизно 8000 років.

Нині близько сотні різноманітних видів мікроорганізмів (бактерій, актиноміцетів, одноклітинних еукаріотів) активно застосовують у біотехнологічних процесах у промисловому виробництві, сільському господарстві, медицині: для виготовлення лікарських засобів (наприклад, антибіотиків), синтезу ферментів, вітамінів, амінокислот, для виробництва харчових продуктів (хліба, пива, молочнокислих продуктів), а в сільському господарстві - для отримання силосу, утилізації органічних відходів тощо.

Мал. 57.1. Мутації у дріжджів: 1 - нормальна колонія; 2 - колонія мутантних дріжджів, у яких заблоковано синтез аденіну

Особливості селекційної роботи з мікроорганізмами. Мікроорганізми - дуже зручний об’єкт для селекції: є велика кількість вихідного матеріалу (за короткий проміжок часу на поживному середовищі виростають мільйони клітин); структура генома мікроорганізмів простіша, ніж у рослинних і тваринних клітин, мутаційні зміни можна побачити одразу в першому поколінні, бо прокаріоти мають набір спадкової інформації, яка відповідає гаплоїдному набору хромосом. Це робить селекцію ефективнішою (мал. 57.1).

Нині виділяють три основних підходи до селекційної роботи з мікроорганізмами: 1) застосовують форму штучного добору, коли відбирають і розмножують окремі клітини з корисними мутаціями, отримуючи велику кількість нащадків однієї клітини з ідентичними генотипами (клони); 2) експериментальний мутагенез, за допомогою якого урізноманітнюють спадковий матеріал; 3) методи генної інженерії.

Мал. 57.2. Етапи отримання генетично модифікованих мікроорганізмів

Пригадаємо: генна інженерія - це сукупність прийомів, методів і технологій виділення генів з організму чи клітини або їхній синтез поза організмами, здійснення маніпуляцій з такими генами та введення їх в інші організми. Введення чужорідного генетичного матеріалу в організм або клітину називають трансформацією, а самі організми або клітини - трансформованими, або генетично модифікованими, організмами (ГМО).

Процес отримання генетично трансформованих мікроорганізмів має низку послідовних стадій (мал. 57.2). 1. Насамперед здійснюють пошук потрібного гена і вирізання його з генома за допомогою специфічних ферментів. 2. Далі створюють вектор - спеціальну конструкцію ДНК, потрібну для трансформації клітини. Ця конструкція, крім потрібного гена, повинна містити ще й ген, за роботою якого можна відрізнити трансформовані клітини від нетрансформованих (наприклад, ген стійкості до якогось антибіотику), а також послідовності, потрібні для того, щоб вектор міг вбудуватися в геном клітини або був здатний до автономної реплікації (копіювання).

Як вектор для трансформації мікроорганізмів використовують або плазмідну ДНК (мал. 57.3), або ДНК вірусу. Потреба у використанні вектору зумовлена тим, що за звичайного введення ДНК у клітини ферменти розщеплюють її до нуклеотидів.

3. Трансформація клітин відбувається або після спеціального оброблення, що підвищує проникність клітинної стінки, або за допомогою модифікованого бактеріофага, яким заражають культуру клітин. 4. Перенесення клітин на специфічне середовище з обраним агентом (наприклад, антибіотиком). 5. Добір трансформованих клітин (поміркуйте, як можна відрізнити трансформовані клітини від нетрансформованих). 6. Подальше розмноження отриманих мікроорганізмів.

Мал. 57.3. Вектор для трансформації бактерій - плазміда (tet та amp - гени стійкості до антибіотиків, ori - ділянка початку реплікації)

Генетично модифіковані мікроорганізми використовують як продуценти білкових сполук для потреб медицини, наприклад гормону росту людини (соматотропіну; його дефіцит в організмі призводить до гіпофізарної карликовості). Важливе місце в селекції мікроорганізмів посідає виробництво так званих рекомбінантних вакцин (отриманих методами генної інженерії), які мають низку переваг перед традиційними: у них знижений (або взагалі відсутній) уміст домішок (синтезується чистий білок, який стимулює необхідну імунну відповідь), вони майже повністю безпечні та мають низьку вартість.

ГМО застосовують також для промислового виробництва органічних сполук (наприклад, промислового синтезу вітаміну С, харчових барвників, антибіотиків, цінних біополімерів тощо); для боротьби із забрудненням навколишнього середовища (комплексного біологічного очищення стічних вод); для руйнування небезпечних синтетичних хімічних речовин (пестицидів, хімічних відходів виробництва); для наукових досліджень, де є потреба в розмноженні (клонуванні) фрагментів ДНК, створення геномних бібліотек (наборів ДНК усього генома одного організму), вивчення механізмів експресії генів тощо.

Ключові терміни та поняття

біотехнологія, генна інженерія, клон, генетично модифіковані організми.

Перевірте здобуті знання

1. Чому мікроорганізми є зручним об’єктом селекції? 2. У чому полягають особливості селекційної роботи з мікроорганізмами? 3. Що таке трансформація мікроорганізмів? 4. Для чого використовують генетично модифіковані мікроорганізми?

Поміркуйте

Які відмінності можуть бути між білками, які синтезуються природним шляхом в еукаріотичних клітинах, та їхніми аналогами, отриманими за допомогою генетично модифікованих бактерій?