Генетика мікроорганізмів. Методи біотехнології та генної інженерії

Широкі перспективи відкриває  перебудова спадкової природи організмів шляхом генної інженерії.

Очевидно, методом генної інженерії можна буде створити такі бактерії, які втратять хвороботворність, допоможуть виробити імунітет проти  багатьох інфекційних захворювань  людини і тварин. В промисловості  появляться високопродуктивні мікроорганізми, які створюватимуть білки, ферменти, вітаміни, антибіотіки, ростові речовини і інші продукти.

Методом генної інженерії  будуть створені рослини, які володіють  здатністю до зв'язування молекулярного  азоту (шляхом трансплантації гена, який відповідає за фіксацію мол. N₂ у клітини вищих рослин).

Вивчення генетики бактерій та інших мікроорганізмів має  дуже важливе як теоретичне, так  і практичне значення для спрямованої  селекції високопродуктивних штамів, які останнім часом почали широко застосовуватися у різних галузях народного господарства. Використання в селекції мікроорганізмів методів природного добору, індукованого мутагенезу, популяційної мінливості, клонування, гібридизації соматичних клітин тощо дало можливість одержати високопродуктивні штами мікрорганізмів. Останні знайшли широке застосування в мікробіологічній промисловості для виробництва кормового білка, амінокислот, ферментів, вітамінів, антибіотиків, бактеріальних добрив, засобів захисту рослин, анатоксинів, лікувально-профілактичних препаратів - вакцин, інтерферонів, гормонів, інтерлейкінів та ін. Наприклад, з індукованих мутантів з наступною селекцією їх було одержано штами - продуценти амінокислот, продуктивність яких у сто разів вища від такої у вихідних штамів. Продуцент лізину дає в 300-400 разів більший вихід цієї незамінної амінокислоти, ніж природний штам.

Багатонадійні перспективи  для сільського господарста, біології та медицини й інших галузей народного  господарста відкриваються у  зв'язку з розробкою і вдосконаленням методів генної і клітинної інженерії, за допомогою яких експериментально доведено можливість передачі не тільки природних генів, а й штучно синтезованих, які кодують синтез різноманітних біологічно-активних сполук. Наприклад, ще в перших дослідах з генної інженерії, проведених у 1973 році, було введено за допомогою фага в геном E. coli ген LIG, який контролює синтез лігази. Внаслідок цього вміст лігази в клітинах-реципієнтах збільшився в 500 разів. Тепер у клітини кишкової палички клоновані і функціонують гени інтерферонів, гормону росту, інсуліну та ін. За допомогою клонованих штамів E. coli одержують препарати інтерферону, інсуліну і соматотропіну.

Є також дані про те, що успішно функціонують клоновані  у бактерії гени вірусів грипу, гепатиту В, герпесу, ген білка оболонки вірусу ящуру, що в найближчий час дозволить розробити технологію виробництва молекулярних вакцин без баластних білків.

Останнім часом інтенсивно вивчаються методи трансплантації генів  за допомогою плазмід, які ще часто  називають “генною інженерією у природі”. Вони відіграють велику роль у передачі генетичного матеріалу між бактеріями, які належать навіть до віддалених філогенетичних груп.

Плазміди є фактично каналом  генетичної комунікації в бактеріальному світі. Наприклад, методами генної інженерії було зроблено пересадку гена nif з азотфіксуючої бактерії в неазотфіксуючу, і остання набула властивості фіксувати молекулярний азот. Тепер ведуться роботи з перенесення генів від бактерій до клітин вищих рослин.

У лабораторних умовах одержано рекомбінантні плазміди, які містять  гени двох різних бактерій, бактерій і вірусів, бактерій і рослин, бактерій і тварин, бактерій і людини. Дуже важливим є те, що такі рекомбінантні плазміди, інродуковані в бактеріальні клітини, дали експресію.

Особливої ваги набувають  нині методи одержання енергії та переробки відходів промисловості  і сільського господарства з метою  одержання цінних біопродуктів і  захисту біосфери від забруднення  за допомогою мікроорганізмів. Мікробіологічна  наука і мікробіологічна індустрія  можуть зробити помітний внесок у  розв'язання енергетичних проблем, які  пов'язані зі значним зменшенням запасів нафти і вугілля на нашій планеті.

 

Розділ 3. Методи біотехнології та генної інженерії

3.1 Методи біотехнології.

 

Біотехнології притаманні свої специфічні методи. Це крупномасштабне глибинне культивування біооб'єктів у періодичному, напівбсзперервному або безперервному режимі та вирощування клітин рослинних і тваринних тканин в особливих умовах. Біотехнологічні методи культивування біооб'єктів виконуються у спеціальному обладнанні, наприклад, у ферментерах вирощують бактерії і гриби при одержанні антибіотиків, ферментів, органічних кислот, деяких вітамінів тощо.

 
         У подібних ферментерах вирощують деякі клітини людини (бласти) для одержання білка-інтерферону, а також деякі види рослинних клітин. Однак останні частіше вирощують у стаціонарних умовах на середовищі з ущільненою (наприклад, агаризованою) підкладкою у скляних або поліетиленових ємностях. 
 
          Інші методи, які використовують у біотехнології, є спільними, наприклад з методами в мікробіології, біохімії, органічній хімії й інших науках. Особливо потрібно виділити методи клітинної і генетичної інженерії, які покладено в основу сучасної біотехнології. 
    
         Відмінністю методів, які використовуються у біотехнології, є те, що вони повинні виконуватись, як правило, в асептичних умовах (від грецького а - ні, septicos - гнилісний), тобто з уникнення можливості потрапляння у середовище, де культивується біооб'єкт, патогенних і сапрофітних мікроорганізмів. 
 
        Патогенні види становлять безпосередню небезпеку для задіяних у виробництві людей і для споживачів кінцевих продуктів; сапрофітні види можуть виступати конкурентами за поживні субстрати, антагоністами, продуцентами токсичних речовин, включаючи пірогени.

 

3.2 Методи генної  інженерії

Генна інженерія ґрунтується на молекулярній біології, яка дає можливість вносити зміни в молекулярну взаємодію основних біологічних молекул у клітині й поза нею.

Біологи оволоділи методами, які  дають можливість маніпулювати біологічними молекулами, досліджувати і змінювати  їхню структуру. За рахунок змін в основних біологічних молекулах ДНК є можливість створювати варіанти живих систем, які не виникають в результаті природної еволюції.

Технології одержання рекомбінантних молекул ДНК і клонування (розмноження) генів передували методи, за допомогою яких молекулу ДНК розщеплюють на фрагменти, модифікують і знову реконструюють в одне ціле. При цьому мають багато копій цієї молекули. Потім, використовуючи цю рекомбінантну молекулу, можна синтезувати молекули РНК і одержати білок з певними якостями і властивостями.

 

Висновки

 

Найважливішими ознаками живих організмів є мінливість та спадковість. Основу спадкового апарату бактерій, як і всіх інших організмів, складає ДНК. Поряд з цим спадковий апарат бактерій і можливості його вивчення мають ряд особливостей: бактерії - гаплоїдні організми, тобтовони мають 1 хромосому. У зв'язку з цим при спадкуванні ознак відсутнє явище домінантності; бактерії мають високу швидкість розмноження, у зв'язку з чим за короткий проміжок часу (доба) змінюється кілька десятків поколінь бактерій. Це дає можливість вивчати величезні за чисельністю популяції і досить легко виявляти навіть рідкі за частотою мутації. Спадковий апарат бактерій представлений хромосомою. У бактерій вона одна. Якщо і зустрічаються клітини з 2, 4 хромосомами, то вони однакові.

Хромосома бактерій - це молекула ДНК. Довжина цієї молекули досягає 1,0 мм і, щоб "уміститися" у бактеріальній  клітині, вона не лінійна, як у еукаріот, а суперспіралізована в петлі  і згорнута в кільце.

Генотип (геном) бактерій представлений  не тільки хромосомними генами. Функціональними  одиницями генома бактерій, крім хромосомних генів, є: ІS-последовності; транспозони; плазміди.

У бактерій розрізняють 2 види мінливості - фенотипову і генотипову.

Фенотипова мінливість - модифікація - не торкається генотипу, але торкає більшість особей популяцій. Модифікації не передаються в спадщину і з часом загасають, тобто повертаються до вихідного фенотипу через більш (тривалі модифікації) або менш (короткочасні модифікації) число поколінь.

Генотипова мінливість стосується генотипу. В ее основі лежать мутації і рекомбінації.

Мутації бактерій принципово не відрізняються від мутацій эукариотических клітин. Особливістю мутацій у бактерій є відносна легкість їх виявлення, тому що існує можливість працювати з великими за чисельністю популяціями бактерій. За походженням мутації можуть бути: спонтанними; індукованими. По довжині: точковими; генними; хромосомними. По спрямованості: прямими; зворотними.

Рекомбінації (обмін генетичним матеріалом) у бактерій відрізняються від рекомбінацій у еукаріот: у бактерій є кілька механізмів рекомбінацій; при рекомбінаціях у бактерій утвориться не зигота, як у еукаріот, а мерозигота (несе цілком генетичну інформацію реципієнта і частина генетичної інформації донора у виді доповнення); у бактеріальної клітини-рекомбіната змінюється не тільки якість, але і кількість генетичної інформації.

 

 

 

 

 

 

 

 

Список використаної літератури

1. Атабеков И.Г. Практикум по общей вирусологии. -- М.: Из-во Московского университета, 1981. -- 191 с.

2. Бойко А Л. Экология  вирусов растений. -- К.: Вища шк., 1990. -- 165 с.

3. Борьба с вирусными  болезнями растений. / Под ред.  Х.Кеглер. М.: Агропромиздат. -- 1986. -- 326 с.

4. Вавилов Н.И. Иммунитет  растений к инфекционным заболеваниям. - М: Наука, 1986. -- 520 с.

5. Векірчик К.М. Практикум  з мікробіології: Навч. посібник. - К.: Либідь, 2001. - 144 с.

6. Вершигора А.Ю., Бранцевич  Л.Г., Василевская И.А. и др. Общая  микробиология. -- К.: Вища шк. Головное изд-во, 1988. -- 342 с.

7. Віруси і вірусні  хвороби бобових культур на  Україні. / Московець СМ., Краев В.Г., Порембська Н.Б. та ін. -- К.: Наукова думка 1971.-- 136 с.

8. Вірусні хвороби сільськогосподарських  культур/ Московець С.Н., Бобирь  А.Д., Глушак Л.Е. / Під ред. Бобиря А.Д. -- К.: Урожай, 1975. -- С.72-80.

9. Власов Ю.И. Вирусные  и микоплазменые болезни растений. -- М.: Колос, 1992. -- 207 с.

10. Власов Ю.И., Ларина Э.И.  Сельскохозяйственная вирусология. -- М.: Колос, 1982. -- С. 150-156.

11. Генкель Л. А. Микробиология  с основами вирусологии. -- М.: Просвещение, 1974. -- 270 с.

12. Гиббс А., Харрисон Б.  Основы вирусологии растений: Пер.  с англ. -- М.: Мир, 1978. -- 430 с.

13. Гнутова Р.В. Серология  и иммунохимия вирусов растений. -- М.: Наука, 1993. -- 300 с.

14. Гусев М. В., Минова  Л. А. Микробиология. М.: Изд-во  Моск. ун-та, 1992. - 448 с.

15. Мишустин Е.Н., Емцев  В.Т. Микробиология. - М.: Агропромиздат, 1987. - 368 с.