Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 41. Селекція мікроорганізмів

Здавна людина використовує мікроорганізми для господарських потреб

Коли йде мова про використання живих організмів людиною для господарських потреб, насамперед, наводять приклади використання рослин і тварин. Проте людина з найдавніших часів навчилася застосовувати мікроорганізми: бактерії, одноклітинні еукаріоти, а також мікроскопічні гриби й водорості. Отримання кисломолочних продуктів, пива, вина, сиру, квашених овочів неможливе без роботи мікроорганізмів-бродильників (табл. 41.1). Найімовірніше, першим продуктом, отриманим із використанням мікроорганізмів, є пиво. Найдавніші пивні дріжджі було знайдено ще в єгипетських гробницях. Спочатку дикі дріжджі випадково потрапляли до замоченого зерна, що призводило до початку бродіння. Потім люди під час виготовлення пивних напоїв почали додавати до нового сусла закваску від попередньої, що вже містила дріжджі1. Отже, людина, сама того не усвідомлюючи, почала культивувати дріжджі. Пізніше виявилося, що закваски відрізняються: із деяких виходить пиво кращої якості, ніж з інших. Так почався процес штучного добору. Подібний добір працював і під час отримання інших продуктів. Унаслідок цього було виведено нові штами дріжджів, бактерій і грибків, продуктивніших або зручніших у застосуванні. Кожен із цих штамів адаптований до спеціальних умов, що використовуються в технології отримання того чи того продукту. Цікаво, але про роль дріжджів у бродінні людство дізналося лише в середині XIX ст., завдяки роботам великого французького мікробіолога Луї Пастера.

Також мікроорганізми застосовуються для виробництва антибіотиків. Найвідомішими виробниками антибіотиків є плісняві гриби пеніцили, а також бактерії стрептоміцети й актиноміцети2. Шляхом штучного добору було отримано штами цих мікроорганізмів, які виробляють антибіотики в значно більшій кількості, ніж їхні природні предки.

Таблиця 41.1. Продукти харчування, Для виготовлення яких використовують мікроорганізми

Продукт

Тип бродіння

Мікроорганізми

Хліб

Спиртове бродіння (необхідне для утворення бульбашок вуглекислого газу, які забезпечують пухку структуру хліба)

Дріжджі

Пиво

Спиртове бродіння

Дріжджі

Вино

Спиртове бродіння

Дріжджі

Текіла

Спиртове бродіння

Дріжджі, бактерії

Оцет

Оцтовокисле бродіння

Бактерії

Кефір

Молочнокисле бродіння

Бактерії

Сир

Молочнокисле бродіння

Бактерії, гриби

1 Більша частина штамів дріжджів, які використовуються людиною у випіканні хліба, виноробстві й пивоварінні, отримана з пекарських дріжджів Saccharomyces cerevisiae, але є і штами, отримані від інших видів.

2 Виділення антибіотиків є способом конкуренції за відмерлі органічні рештки: пригнічення чи смерть конкурентів підвищує кількість поживного субстрату, доступного продуцентам антибіотиків.

Окрім продуктів харчування й антибіотиків, організми мікроскопічного розміру культивують для отримання білків, вітамінів, спиртів і карбонових кислот, амінокислот, ферментів, пігментів та інших біологічно активних речовин.

Селекція мікроорганізмів суттєво відрізняється від селекції макроорганізмів

Селекція мікроорганізмів суттєво відрізняється від селекції тварин і рослин. По-перше, селекціонер/селекціонерка має доступ до практично необмеженої кількості індивідів — 1 мл поживного середовища може містити мільйони клітин мікроорганізмів. Окрім того, швидкість росту культури є надзвичайно високою, оскільки проміжок між клітинними поділами обчислюється десятками хвилин (прокаріоти) або годинами (еукаріоти). Тому зміна поколінь відбувається надзвичайно швидко й отримання нового штаму займає лічені дні.

Через різноманіття штамів у природі можливості штучного добору для мікроорганізмів є дуже великими. З другого боку, щоб знайти, наприклад, найпродуктивніший штам, знадобиться багато часу на перевірку всіх доступних штамів.

Водночас гібридизацію практично не використовують для отримання нових штамів мікроорганізмів. Річ у тім, що в їх більшості (у прокаріотів, багатьох одноклітинних еукаріотів) відсутнє статеве розмноження. Але навіть для тих мікроорганізмів, у яких статеве розмноження наявне (наприклад, у пекарських дріжджів), його досить важко контролювати. Однак, перенести спадкову інформацію від одного мікроорганізму до іншого можливо. Для цього існує ряд методів, наприклад, під час кон'югації чи за допомогою бактеріофага1 (рис. 41.1). Завдяки цим методам корисні властивості одного штаму чи виду можуть передаватися іншому.

Рис. 41.1. Методи перенесення спадкової інформації з однієї бактерії до другої

А. Під час кон’югації через цитоплазматичний місток клітини обмінюються спадковою інформацією. Б. Бактеріофаг разом зі своєю нуклеїновою кислотою може переносити й корисний ген навіть між організмами різних видів.

1 Таке явище має назву трансдукція і є основою горизонтального перенесення генів у прокаріотів — потрапляння генів із геному організмів одного виду до геному організмів іншого неспорідненого виду.

Однак деякі методи, що обмежено застосовуються в селекції тварин і рослин, знаходять широке застосування в селекції мікроорганізмів. Велика чисельність популяції, швидкий ріст і проста організація геному дозволяє широко використовувати штучний мутагенез для отримання організмів із новими властивостями.

Тривалий час у селекції використовували винятково неспрямований штучний мутагенез. Мутації у разі його застосування відбуваються деінде в геномі. Для здійснення неспрямованого штучного мутагенезу культуру мікроорганізму опромінюють ультрафіолетовими чи рентгенівськими променями або обробляють мутагенними речовинами. При цьому переважна більшість клітин (подекуди понад 99 %) мутує так, що не може далі жити й швидко гине. Але через те, що кількість клітин із мутаціями обчислюється мільйонами, існує невелика ймовірність, що в одній із них мутація (чи мутації) спричинить саме той ефект, що потрібний для селекції. Оскільки мікроорганізми мають гаплоїдні геноми1, то мутації проявляються одразу в першому ж поколінні. Надалі селекціонерам і селекціонеркам потрібно лише віднайти цих мутантів і відокремити їх у нову культуру. Для цього аналізують ступінь прояву корисної властивості: як багато утворюють потрібної речовини, як швидко ростуть, яка стійкість до різних умов середовища тощо (рис. 41.2).

Характерним прикладом суміщення неспрямованого мутагенезу й штучного добору є отримання нових штамів пліснявого грибка пеніцила, здатних виробляти антибіотик пеніцилін у більшій кількості, ніж природні форми. Завдяки мутагенезу, що поєднується з добором найбільш продуктивних колоній, продуктивність пеніцила було збільшено в тисячі разів.

Неспрямований штучний мутагенез не завжди є ефективним способом селекції через те, що лише деколи зміна одного гена може спричинити покращення потрібної властивості організму. Якщо ж властивості залежать від взаємодії продуктів кількох генів, то ймовірність, що корисні мутації відбудуться одразу в багатьох із них, майже нульова. Тут на допомогу мікробним селекціонерам і селекціонеркам прийшов розроблений у другій половині ХХ ст. спрямований штучний мутагенез. Під час спрямованого мутагенезу дослідники й дослідниці здійснюють мутації в чітко визначених місцях геному. Завдяки цьому змінюється регуляція роботи генів й характеристики обміну речовин, збільшується чи зменшується кількість певних ферментів у клітині та, як наслідок, зростає вироблення потрібного продукту чи стійкість клітин до несприятливих факторів. Для його здійснення використовують методи генетичної інженерії, про яку йтиметься в наступних параграфах.

Рис. 41.2. Пошук штаму із найбільшим рівнем продукції антибіотика

Серед чотирьох штамів (жовтувато-білі колонії) найбільшу кількість антибіотика утворює той, чия колонія розміщена зліва зверху. Про це свідчить найбільша площа зони пригнічення росту (прозора ділянка) чутливої до антибіотика бактерії (біла поволока).

1 Тобто в клітині наявна лише одна унікальна копія ДНК.

У методу спрямованого штучного мутагенезу теж є недоліки. По-перше, його важче реалізувати технічно. А по-друге, перед мутагенезом потрібно заздалегідь з'ясувати, куди і яку мутацію треба внести. А це зазвичай потребує розшифрування послідовності нуклеотидів у геномі, визначення функцій генів, з'ясування регуляторних механізмів і інших, не менш важливих, характеристик.

Традиційними напрямами селекції є пошук найпродуктивніших, найстійкіших і найбільш економічно вигідних штамів

Селекція мікроорганізмів має на меті виведення штамів, що є найкращими в застосуванні. Найчастіше такі штами характеризуються високою продуктивністю цільової речовини. З другого боку, чим більше клітин існуватиме в культурі в певний проміжок часу, тим більшою буде загальна кількість корисної речовини, яку вона виробляє1. Тому під час штучного добору шукають такі штами, що були б не лише високопродуктивними, а ще й швидко росли. Важливою рисою, за якої здійснюється селекція, є стійкість культури до забруднення іншим мікроорганізмом. Зрештою, менша вимогливість до умов середовища, а також здатність рости на дешевих субстратах є економічно вигідними рисами штаму мікроорганізму, який хоче знайти своє індустріальне застосування.

Перспективним напрямом селекції мікроорганізмів є створення нових штамів для боротьби із забрудненнями

Не є таємницею той факт, що в сучасному світі часто трапляються природні катастрофи техногенного характеру — розливи нафти або викиди токсичних відходів. Існує безліч шляхів боротьби з наслідками забруднень, які вже відбулися, і останнім часом ефективнішим стає використання живих організмів для розкладання забруднювачів. Прикладом успішної роботи в цьому напрямі є добір бактерій, які засвоюють нафту (рис. 41.3). Хоча нафта й не трапляється в природних екосистемах, виявилося, що є мікроорганізми, здатні засвоювати нафтопродукти як джерело Карбону. Ця властивість була значно посилена шляхом штучного добору. На сьогодні розглядаються програми широкого впровадження цих бактерій для боротьби з нафтовими забрудненнями морів і ґрунтів.

1 Це справедливо лише до певної межі густоти культури.

Рис. 41.3. Бактерії, що розкладають нафту

У лівій колбі нафтопродукти були розщеплені штамами бактерій, здатними засвоювати нафту.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Оберіть продукти, для виготовлення яких використовують дріжджі.

  • А пиво, сало, хліб
  • Б оцет, вино, сир
  • В вино, йогурт, пиво
  • Г хліб, пиво, вино

• 2. У селекції мікроорганізмів кон'югацію можна використати для

  • А перенесення інформації від одного виду бактерій до іншого
  • Б прискорення розмноження дріжджів
  • В обміну ДНК між різними штамами бактерій
  • Г спрямованого мутагенезу грибів, що утворюють антибіотики

• 3. Двоє студенток висловилися про неспрямований штучний мутагенез.

Таїсія переконана, що під час нього гине більшість бактерій. Ірина стверджує, що завдяки неспрямованому мутагенезу завжди можна покращити потрібну властивість. Хто з дівчат має рацію?

  • А тільки Таїсія
  • Б тільки Ірина
  • В обоє дівчат
  • Г жодна з них

• 4. Бактерії, що споживають нафту,

  • А не трапляються в природі
  • Б можна використати для очищення морів
  • В було отримано шляхом гібридизації
  • Г виникли внаслідок штучного добору

• 5. Увідповідніть властивість мікроорганізмів, що її покращують, і мету селекції в цьому напрямку.

  • 1 частота поділів клітини
  • 2 стійкість до наявності домішок у субстраті
  • 3 стійкість до забруднення іншим мікроорганізмом
  • А збільшення утворення потрібної речовини
  • Б можливість використання дешевшої сировини
  • В зменшення утворення побічних продуктів
  • Г економія на підтриманні високого рівня стерильності

У житті все просто

• 6. Складіть порівняльну таблицю описаних видів мутагенезу. Сформулюйте вимоги до ознаки, яку можна покращити неспрямованим мутагенезом.

• 7. Як цілі селекції мікроорганізмів відрізняються від цілей селекції рослин і тварин? Чим це зумовлено?

У житті не все просто

• 8. За якими ознаками відбувалася селекція штамів дріжджів, які використовують у пивоварінні? Які їх властивості є найважливішими для цього виробництва?

• 9. Один із напрямів селекції мікроорганізмів — пошук продуцентів нових антибіотиків. Які з них було використано в промисловості в останнє десятиліття? Чи виводять нині нові, покращені, штами вже відомих продуцентів антибіотиків?

Проект для дружної компанії

• 10. Промислове мікробіологічне виробництво.

  • 1) З'ясуйте, які розташовані поряд підприємства використовують мікроорганізми у виробництві. Дізнайтесь, що та завдяки яким організмам вони виробляють.
  • 2) Скориставшись допомогою учительки чи вчителя, спробуйте організувати екскурсію на одне з цих підприємств.