§ 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 вчені вбудували людський ген інсуліну в геном бактерій. Завдяки цьому бактерії почали синтезувати гормон, який за хімічною будовою повністю ідентичний людському. Такий підхід позбавив пацієнтів від алергічних реакцій і дав змогу налагодити безпечне промислове виробництво життєво необхідних ліків.

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 хатнього випікання і пивоваріння до масштабного промислового виробництва. Зростання міст і посилення торговельної конкуренції між броварнями спонукали виробників обмінюватися заквасками та відбирати лише найпродуктивніші й найстабільніші штами дріжджів, які швидко витіснили інші.

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.

Методи селекції рослин і тварин включають масовий добір, індивідуальний добір, статеву гібридизацію (внутрішньовидову та віддалену), штучний мутагенез і поліплоїдизацію.

У селекції бактерій неможливо застосувати статеву гібридизацію:

• P (Позиція): Статеву гібридизацію неможливо застосувати в селекції бактерій.
• R (Обґрунтування): Бактерії є прокаріотами, які розмножуються нестатевим поділом навпіл, тому вони не утворюють статевих клітин і не мають статевого процесу.
• E (Приклад): Для отримання нових комбінацій ознак замість схрещування селекціонери застосовують трансформацію, трансдукцію або кон’югацію.
• S (Висновок): Через відсутність статевого розмноження традиційні схрещування для 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 (дріжджі та цвілеві гриби) і мікроводорості. Бактерії мають гаплоїдний геном, надзвичайно швидко розмножуються і не мають статевого процесу, але здатні обмінюватися спадковою інформацією через трансформацію, трансдукцію та кон’югацію. Мікроскопічні гриби здатні активно розмножуватися вегетативно (брунькуванням або частинами міцелію), що допомагає надійно закріплювати та стабілізувати їхні виробничі властивості.

2. З якою метою проводять селекцію мікроорганізмів?

Селекцію мікроорганізмів проводять заради створення нових і вдосконалення наявних штамів для промисловості та медицини. У харчовій галузі їх використовують для випікання хліба, виготовлення сирів, кисломолочних продуктів і лимонної кислоти, у медицині — для синтезу антибіотиків, вітамінів і гормонів, в агросекторі — для біодобрив, а для екології — для очищення довкілля та переробки пластику й нафти.

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

У селекції мікроорганізмів застосовують штучний мутагенез, масовий та індивідуальний добір, технології генної інженерії, а також процеси рекомбінації ДНК: трансформацію, трансдукцію і кон’югацію. Штучний мутагенез викликає різноманітні мутації у спадковому апараті клітини, а механізми перенесення генів створюють нові комбінації ознак без участі статевого процесу, що забезпечує багатий матеріал для наступного добору.

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

У лабораторіях і цехах необхідно підтримувати абсолютну стерильність, застосовувати спеціальні чисті поживні середовища і суворо дотримуватися правил біобезпеки. Проникнення навіть однієї сторонньої спори чи бактерії здатне повністю знищити або забруднити селекційну культуру, а випадковий вихід модифікованих мікроорганізмів у довкілля може загрожувати безпеці екосистем та людей.

5. Яка роль селекції мікроорганізмів у збереженні довкілля?

Селекція мікроорганізмів допомагає очищати планету від токсичних відходів і знижувати хімічне навантаження на ґрунти. Завдяки селекції створено штами бактерій, які розщеплюють пластик (як Ideonella sakaiensis), переробляють органічні рештки на біогаз та утилізують розливи нафти. Також відібрані азотфіксувальні бактерії слугують основою екологічних біодобрив, що замінюють мінеральні добрива.

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

З мікроорганізмів людина навчилася виробляти антибіотики (зокрема пеніцилін із цвілевого гриба Penicillium), вітаміни, а також гормони — людський інсулін та гормон росту за допомогою генетично модифікованих бактерій. Завдання 44.3 в e-додатку демонструє лабораторне та промислове вирощування штамів гриба Penicillium у рідких поживних середовищах для подальшого виділення пеніциліну та показує пригнічення ним росту патогенних бактерій.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

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

• Бактерії не мають статевого розмноження, проте передають гени за допомогою кон’югації, трансдукції та трансформації.
• Існують бактерії, наприклад Ideonella sakaiensis, здатні живитися пластиком і розкладати його.
• Сучасні пекарські та пивні дріжджі сильно відрізняються генетично від своїх диких предків через багатовіковий добір у заквасках.

2. Закінчи одне з речень: Я став/стала більш обізнаним/обізнаною щодо… Мене здивувало… Я побачив/побачила зв’язок…
Мене здивувало те, що звичайна цвіль Penicillium і ґрунтові бактерії рятують життя мільйонам людей як джерело антибіотиків та людського інсуліну.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Труднощі виникли під час розрізнення понять трансформації, трансдукції та кон’югації. Подолати це допомогло зіставлення механізмів: кон’югація відбувається через контакт клітин і пілі, трансдукція — через віруси, а трансформація — через поглинання вільної ДНК із середовища.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Отримані знання допоможуть мені краще орієнтуватися у біотехнологіях, усвідомлено ставитися до раціонального використання антибіотиків та розуміти перспективи біологічної переробки сміття.