Селекция микроорганизмов. Биотехнология - ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Цели: рассмотреть особенности селекции микроорганизмов и их использования в хозяйственной деятельности человека; сформировать у учащихся знания о биотехнологии и ее основных направлениях — генной хромосомной и клеточной инженерии; продолжить развитие познавательного интереса к изучению проблем современной селекции.

Оборудование: диафильм “Микробиология и ее значение в народном хозяйстве”; раздаточный материал; “Схема конструирования и переноса рекомбинантной ДНК в клетку бактерии”.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка знаний по теме “Методы селекции растений и животных”

1. Работа по карточкам с дальнейшим обсуждением в классе ((См. приложение 2), карточки 1-4).

2. Работа по карточкам с письменным ответом ((См. приложение 2), карточки 5-6).

III. Изучение нового материала

1. Постановка проблемы.

На доске:

Микроб, этот гадкий утенок первых лет эпидемиологии, благодаря успехам науки и техники, достижениям человеческого гения, превратился в прекрасного лебедя генетической инженерии современной биотехнологии и индустрии живых клеток.

Б. Я. Нейман

— Используя ранее полученные знания о микроорганизмах, раскройте смысл данной цитаты.

Проводится краткая беседа, в ходе которой определяются направления работы по теме “Селекция микроорганизмов. Биотехнология”.

План

1. Микроорганизмы — группа прокариотических и одноклеточных эукариотических организмов. Микробиология, направления исследований.

2. Генная инженерия.

3. Биотехнология. Направления развития. Практическое значение.

По первому вопросу учащиеся слушают сообщение, делают записи в тетради.

2. Сообщение учащегося.

— Прослушайте сообщение “Особенности микроорганизмов. Микробиология, направления исследований”, запишите в тетрадь особенности микроорганизмов, значение их в жизни человека.

Особенности микроорганизмов.

Микробиология, направления исследований

Микроорганизмы, микробы — мельчайшие организмы, различаемые только под микроскопом. Открыты в XVII веке А. Леветуком. Среди микроорганизмов — представители разных царств органического мира, относящихся к прокариотам (бактерии и сине-зеленые водоросли) и эукариотам (микроскопические грибы, микроскопические формы водорослей и простейшие). Иногда к микроорганизмам относят и вирусы. Микроскопические размеры обусловливают использование особых методов культивирования и исследования. Это позволяет изучать их в рамках единой науки — микробиологии.

Большинство микроорганизмов — одноклеточные организмы. Характеризуются высокой скоростью роста и размножения, которое часто происходит путем простого деления клетки.

Микроорганизмы чрезвычайно разнообразны по физиологическим и биохимическим свойствам. Некоторые микроорганизмы растут в условиях, которые непригодны для жизни других организмов. Так, известны организмы, способные расти при температуре 70-105 °С, повышенном уровне радиации, в сильнокислой или щелочной среде, при высокой концентрации NaCL(25—30%), в отсутствие O₂(анаэробные условия), могут переносить очень низкую температуру, высушивание и другие экстремальные условия.

Ряд бактерий и водорослей являются автотрофами. Они подобно высшим растениям могут использовать энергию света и являются фотоавтотрофами. Другие же (некоторые бактерии) получают энергию и являются хемоавтотрофами.

Но многие микроорганизмы (бактерии, грибы, простейшие нуждаются в органических веществах для получения энергии и биосинтеза соединений клетки.

Это гетеротрофные организмы. Многие микробы способны разлагать сложные органические соединения (белки, углеводы, в том числе целлюлозу, липиды, нуклеиновые кислоты, углеводороды), некоторые используют токсичные для человека и животных вещества (например, метанол окись углерода, сероводород, нитриты) и осуществляют разложение неприродных соединений.

Микробы невероятно продуктивны. В то время как одна корова с живой массой в 500 кг образует за сутки около 0,5 кг белка, а 500 кг растений сои продуцируют за тот же срок 5 кг белка, равная масса дрожжей (т.е. тоже 500 кг) способна выработать в биореакторе за сутки 50 т белка, что в 100 раз превышает их собственную массу и примерно равно массе 10 взрослых слонов. Вообразите, что корова в течение одних суток вырастет в гиганта, равного по массе 10 слонам. А ведь именно так растет микробная масса, беря начало с крошечной невидимой глазом одной-единственной клетки! Таким образом, при определенных условиях, микробная клетка способна за равное время продуцировать в 100000 раз больше белка, чем животная клетка. При этом она потребляет дешевые вещества, например, крахмальные растворы или даже сточные воды. Корове же требуются хорошие и, следовательно, дорогие корма.

Поскольку микробов отличает чрезвычайная приспособляемость, их можно быстро и легко селекционировать. Если над тем, чтобы вывести

новую породу животных или новый сорт хлебного злака, нередко приходилось биться десятилетиями или даже столетиями (за 150 лет самой напряженной селекционной работы содержание сахара в сахарной свекле было повышено всего лишь в 3 раза), то у кистевидной плесени всего лишь за 30 лет удалось в 1000 раз повысить продуктивность выработки пенициллина.

Микроорганизмы повсеместно распространены в природе — в почве, воде, воздухе и играют чрезвычайно важную роль в круговороте веществ в биосфере.

Велико и разнообразно практическое значение микроорганизмов. Они используются в разных отраслях промышленности: производстве кормового белка, виноделии, хлебопечении, получении молочнокислых продуктов, антибиотиков, витаминов, аминокислот и др.; в сельском хозяйстве: при производстве силоса, в качестве азотфиксаторов, для биологической защиты растений.

Микроорганизмы применяются для выщелачивания некоторых металлов из бедных руд (например, меди, урана), для очистки сточных вод, образования метана как горючего газа.

Благодаря сравнительно простой организации, высокой скорости роста и размножения, большому разнообразию физиологических и биохимических свойств, микроорганизмы — удобные и важные объекты исследований для решения многих проблем биологии. Их изучение привело к открытию ряда фундаментальных биологических закономерностей и заложению основы биотехнологии. Биотехнология зародилась как техническая микробиология и получила дальнейшее развитие с разработкой генетических и молекулярно-генетических методов получения физиологически активных веществ.

На основе достижений технической микробиологии развилась микробиологическая промышленность и ряд отраслей пищевой промышленности.

3. Продолжение изучения материала.

В связи с развитием промышленной микробиологии ведется интенсивная селекционная работа по выведению новых штаммов микроорганизмов (бактерий, грибов) с повышенной продуктивностью веществ, необходимых человеку.

Традиционная селекция микроорганизмов основана на экспериментальном мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов. Но и здесь есть свои особенности. Геном бактерии гаплоидный, любые мутации проявляются уже в первом поколении. Хотя вероятность естественного возникновения мутации у микроорганизмов такая же, как и всех других организмов (1 мутация на 1 млн особей по каждому гену), но очень высокая интенсивность размножения дает возможность найти полезную мутацию по интересующему гену.

В результате искусственного мутагенеза и отбора была повышена продуктивность штаммов гриба пеницилла, синтезирующего пенициллин более чем в 1000 раз, а продуктивность штаммов образующих аминокислоту лизин, в 300—400 раз.

Возможности традиционной селекции, несмотря на впечатляющие успехи, ограничены. Успехи, достигнутые молекулярной биологией и молекулярной генетикой в изучении микроорганизмов, а также возрастающие потребности практического использования микробных продуктов привели к созданию новых методов целенаправленного и контролируемого получения микроорганизмов с заданными свойствами. Новейшими методами селекции микроорганизмов (а также растений и животных) являются клеточная, хромосомная и генная инженерия.

Генная инженерия основана на выделении (или на искусственном синтезе) нужного гена из генома одного организма и введении его в геном другого организма. “Вырезание” генов проводят с помощью специальных “генетических ножниц”, ферментов — рестриктаз, затем ген “вшивают” в вектор (носитель) — плазмиду, с помощью которой ген вводится в бактерию. “Вшивание” осуществляется с помощью других ферментов — лигаз. Кроме того, вектор должен содержать маркерные гены, которые придают клетке-реципиенту такие свойства, которые позволяют отличить эту клетку от исходных клеток. Затем вектор вводится в бактерию, и на последнем этапе отбираются те бактерии, в которых введенные гены успешно работают.

Излюбленный объект генных инженеров — кишечная палочка. С помощью нее получают соматотропил — гормон роста, гормон инсулин человеческий, которые раньше получали из поджелудочных желез убитых коров, свиней; белок интерферон, который помогает справиться со многими вирусными инфекциями.

По ходу рассказа демонстрируется “Схема конструирования и переноса рекомбинантной ДНК в клетку бактерии” (по Н. Грин,

У. Стаут, Д. Тейлор. Биология. В 3 т. — М.: Мир, 2001) (См. приложение 1).

Методы хромосомной инженерии

1. Метод гаплоидов.

Метод основан на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, выращивают из пыльцевых зерен кукурузы гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом, затем хромосомы удваивают и получают диплоидные (20 хромосом = 10 пар), полностью гомозиготные растения всего за 2—3 года вместо 6—8 летнего инбридинга.

2. Получение полиплоидных растений в результате кратного увеличения хромосом.

Методы клеточной инженерии

Культивирование клеточных культур. Метод основан на способности клеток растений и животных делиться при помещении их в питательную среду, где содержатся все необходимые для жизнедеятельности вещества. Еще клетки растений обладают свойством, которое позволяет им при определенных условиях сформировать полноценное растение.

Применение:

1) С помощью клеточных культур получают биологически активные вещества (например, культура клеток женьшеня нарабатывает ценные для человека вещества).

2) Выращивание растений “in vitro” (в пробирках), помещая клетки в определенные питательные среды. Так размножают редкие и ценные растения. Это позволяет создавать безвирусные сорта различных растений.

3) Метод пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки. Таким способом возможно клонирование животных, получение генетических копий от одного организма.

— В чем отличие генной инженерии от клеточной инженерии?

— Генная, хромосомная и клеточная инженерия — это два направления биотехнологии. Они имеют важное практическое значение в микробиологической промышленности нужных человеку биологически активных веществ.

— Биотехнология (от био..., греч. “techne” — искусство, мастерство), использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Любое производство, в основе которого лежит биологический процесс, можно рассматривать как биотехнологию.

— Рассмотрим основные направления биотехнологии.

На столах у учащихся раздаточный материал “Направления биотехнологии”.

IV. Закрепление

Пресс-конференция.

Домашнее задание

По учебнику А.А. Каменского, §3.14, записи в тетради, составить синквейны понятий “микроорганизмы” и “биотехнология”, записать в тетради информацию о том, что еще вы хотели бы узнать по пройденной теме;

по И.Н. Пономаревой, §31, вопросы после параграфа, записи в тетради, “Краткое содержание главы”, с. 116—117, составить синквейны понятий “микроорганизмы” и “биотехнология”, составить один проблемный или два развивающих вопроса по теме (можно заменить пятью репродуктивными вопросами).

Индивидуально: Сбор материала по теме “Современная биотехнология” из средств массовой информации. Отчет в конце учебного года.