§ 44. Селекція мікроорганізмів

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Хворі на діабет першого типу потребують ін’єкцій інсуліну. Раніше його отримували з тварин — свиней і корів. Проте ін’єкції такого інсуліну часто спричиняли алергічні реакції, оскільки його молекула має певні відмінності від людського інсуліну. Проблему ліків від цукрового діабету вдалося розв’язати за допомогою бактерій. Як бактерії змогли допомогти людям у виробництві інсуліну та інших ліків?

За допомогою методів генної інженерії науковці навчилися вбудовувати людський ген, що відповідає за синтез інсуліну, у геном бактерій. Завдяки цьому модифіковані бактерії синтезують інсулін, який за своєю будовою абсолютно ідентичний людському. Це усунуло проблему алергічних реакцій та дало змогу виготовляти ліки у промислових масштабах.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. Генетичний аналіз показав, що всі сучасні промислові дріжджі походять від двох груп дріжджів, які були одомашнені в Європі у кінці XVI (перша група) та в середині XVII (друга група) століття. Але хлібні вироби і пиво вироблялися в Європі і значно раніше. Чому саме в цей період відбулося поширення дріжджів із цих груп?

У XVI та XVII століттях відбувся перехід від дрібного домашнього виготовлення продукції до великих промислових масштабів виробництва хліба й пива. Виникла конкуренція між броварнями та пекарнями, що сприяло швидкому поширенню та відбору найефективніших штамів дріжджів за рахунок торгівлі та обміну заквасками.

2. Уклади перелік методів селекції рослин і тварин. Поміркуй, які з них практично не можна застосувати в селекції бактерій. Аргументовано доведи свої міркування методом PRES.

Перелік методів селекції рослин і тварин включає: масовий добір, індивідуальний добір, статеву гібридизацію (внутрішньовидову та віддалену), штучний мутагенез та поліплоїдизацію.

У селекції бактерій практично неможливо застосувати статеву гібридизацію (хрещування). Доведення методом PRES:

• P (Position / Позиція): Статева гібридизація не застосовується в селекції бактерій.
• R (Reason / Обґрунтування): Бактерії є прокаріотичними організмами, які розмножуються нестатево шляхом поділу клітини навпіл, тому не утворюють гамет і не проходять класичний статевий процес.
• E (Example / Приклад): Замість хрещування для обміну спадковою інформацією у бактерій використовують процеси трансформації, трансдукції та кон’югації.
• S (Summary / Висновок): Через відсутність статевого розмноження традиційне хрещування у бактерій замінюють методами генетичної рекомбінації та штучного мутагенезу.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Які організми є об’єктами селекції? Назви їх біологічні особливості.

Основними об’єктами селекції мікроорганізмів є бактерії, мікроскопічні гриби (цвілеві гриби та дріжджі) і мікроводорості. Біологічними особливостями бактерій є відсутність статевого розмноження, гаплоїдність, висока швидкість розмноження та здатність до обміну генами через трансформацію, трансдукцію і кон’югацію. Біологічною особливістю мікроскопічних грибів є здатність до інтенсивного вегетативного розмноження, що дозволяє легко закріплювати й стабілізувати корисні ознаки у нових штамів.

2. З якою метою проводять селекцію мікроорганізмів?

Селекцію мікроорганізмів проводять з метою створення продуктивних штамів для харчової промисловості (хлібопечення, виготовлення сирів, молочних продуктів, лимонної кислоти), фармацевтики (виробництво антибіотиків, вітамінів, гормонів), сільського господарства (створення біодобрив) та охорони довкілля (переробка пластику, очищення води і ґрунту від нафти).

3. Які методи використовують у селекції мікроорганізмів? Як вони допомагають отримати різноманіття генетичного матеріалу?

У селекції мікроорганізмів використовують масовий та індивідуальний добір, штучний (індукований) мутагенез, технології генетичної модифікації, а також природні процеси обміну спадковою інформацією: трансформацію, трансдукцію та кон’югацію. Штучний мутагенез викликає нові зміни у ДНК, а процеси рекомбінації дозволяють бактеріям обмінюватися генами без статевого розмноження, що створює різноманіття вихідного матеріалу для виведення нових корисних штамів.

4. Яких умов потрібно дотримуватися у приміщеннях, де виводять нові штами мікроорганізмів? Чому?

У приміщеннях для селекції мікроорганізмів необхідно дотримуватися суворих вимог до стерильності, біобезпеки та використовувати спеціальні поживні середовища. Це потрібно тому, що проникнення навіть одного стороннього мікроорганізму може зіпсувати селекційну культуру, а випадкове потрапляння генетично модифікованих штамів у довкілля може створити загрозу для природних екосистем і здоров’я людини.

5. Яка роль селекції мікроорганізмів у збереженні довкілля?

Селекція мікроорганізмів дає змогу створювати штами бактерій-азотфіксаторів для біодобрив, що зменшує використання шкідливих мінеральних добрив у сільському господарстві. Також виводять мікроорганізми для переробки органічних відходів у біогаз та для біоочищення довкілля, зокрема бактерії Ideonella sakaiensis, які розкладають пластик, та штами, що знешкоджують нафтові забруднення.

6. Які важливі лікарські засоби людина навчилася отримувати з мікроорганізмів? Виконай в e-ДОДАТКУ завдання 44.3.

За допомогою мікроорганізмів людина навчилася отримувати антибіотики (наприклад, пеніцилін із цвілевого гриба Penicillium), які вбивають хвороботворні бактерії, а також життєво важливі гормони (людський інсулін та гормон росту), виготовлені генетично модифікованими бактеріями. У завданні 44.3 e-додатка аналізується процес промислового культивування гриба Penicillium для виділення пеніциліну та механізм пригнічення антибіотиками розвитку бактеріальних інфекцій.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

1. Назви три факти, які ти дізнався/дізналася після опанування параграфа.

• Бактерії не мають статевого розмноження, але здатні обмінюватися генами за допомогою трансформації, трансдукції та кон’югації.
• Науковці вивели штами бактерій, такі як Ideonella sakaiensis, які здатні розкладати пластик і очищувати планету від сміття.
• Сучасний людський інсулін для хворих на діабет виробляють генетично модифіковані бактерії, а не виділяють із органів тварин, як це робили раніше.

2. Закінчи одне з речень: Я став/стала більш обізнаним/обізнаною щодо… Мене здивувало… Я побачив/побачила зв’язок…
Я побачив зв’язок між селекцією бактерій і виготовленням ліків, які щодня рятують життя мільйонам людей.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Важко було запам’ятати різницю між трансформацією, трансдукцією та кон’югацією. Подолати це допомогло повторне читання їхніх визначень та опрацювання схем обміну ДНК у бактерій.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Ці знання допоможуть мені розуміти принцип дії антибіотиків та відповідально ставитися до їхнього прийому тільки за призначенням лікаря, а також усвідомити важливість біотехнологій для вирішення екологічних проблем.