Методы селекции микроорганизмов. Получение ценных форм микроорганизмов для сельскохозяйственной и пищевой промышленности

Микроорганизмы играют важную роль в жизни человека, поскольку способны создавать вещества, необходимые для его жизнедеятельности.

Такими способностями обладают как прокариотн (бактерии, актиномицеты), так и эукариотные (дрожжи, нитчатые грибы) микроорганизмы.

С древних времен человек использует уксуснокислые бактерии в производстве уксуса, молочнокислые бактерии — для приготовления молочнокислых продуктов, пропионовокислые — в сыроделии, а также как продуценты витаминов и других веществ.

Начиная с 1944 г. актиномицеты активно применяют как продуценты антибиотиков (стрептомицина, эритромицина, тетрациклина, каномицина и т.д.); отдельные штаммы дрожжей — в пивоварении, виноделии, хлебопечении, для получения этилового спирта, а также биомассы (кормовые дрожжи).

Грибы используют для получения следующих органических кислот: лимонной — для пищевой промышленности; глюконовой — для введения кальция в организм человека. Грибы являются продуцентами ферментов протеаз, многих антибиотиков — пенициллина, цефалоспорина. Они также используются для приготовления специальных сыров — рокфора, кананбера.

Применение микроорганизмов в народном хозяйстве и сознательная их селекция стали возможны только после разработки соответствующих микроскопических методов, выяснения способов размножения и расселения микроорганизмов. Огромный вклад в решение этих вопросов внес Луи Пастер (1822—1895). Его считают основателем научных методов селекции микробов, базирующейся на применении методического искусственного отбора и умелом использовании естественного отбора путем создания условий, в которых отбор действует в желательном направлении.

Дальнейшее совершенствование методов селекции микроорганизмов тесно связано с достижениями генетики и применением их в селекции.

Природные штаммы микроорганизмов, как правило, низкопродуктивны. Поэтому основная задача селекции — получение высокопродуктивных микроорганизмов с помощью индуцированного мутагенеза и искусственного отбора. В качестве мутагенов применяют рентгеновы и ультрафиолетовые лучи, химические вещества. Чередование обработки мутагенами с отбором позволяет через несколько этапов получить новый штамм, превосходящий исходный по продуктивности.

Селекция микроорганизмов имеет ряд особенностей:

- у селекционера имеется неограниченное количество материала для работы - за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить миллиарды клеток;

- более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении;

- организация генома бактерий более проста: меньше генов в геноме, менее сложна и генетическая регуляция взаимодействия генов.

Использование человеком биохимических и генетических свойств живых организмов в практических целях обусловило появление нового направления в биологии — биотехнологии, которая представляет собой совокупность промышленных методов, основанных на использовании живых организмов и биологических процессов для производства или модификации различных продуктов в целях улучшения свойств экономически ценных видов растений, животных, микроорганизмов.

Согласно определению Европейской федерации по биотехнологии, биотехнология — это интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях достижения технологического (промышленного) применения способностей микроорганизмов, культуры клеток ткани и их частей.

Важнейшими разделами биотехнологии являются микробиологическая промышленность, генная и клеточная инженерия.

Микробиологическая промышленность — новая отрасль, рожденная научно-технической революцией в 60-е годы ХХ в. Она решает важнейшие народнохозяйственные задачи:

во-первых, биотехнология обеспечивает животноводство полноценным кормовым белком;

во-вторых, с помощью биотехнологии получают и применяют ферменты (микроорганизмы служат единственным источником таких ферментов, как протеаза, амилаза, целлюлаза, пектиназа и др.);

в-третьих, с помощью биотехнологии получают микробиологическую продукцию — аминокислоты, особенно незаменимые, антибиотики и др.;

в-четвертых, на основе биотехнологии с помощью микроорганизмов получают дополнительные источники энергии в виде биогаза, этанола, водорода за счет использования микробами отходов промышленности и сельского хозяйства, а также солнечной энергии.

Генная инженерия — это конструирование функционально активных генетических структур и наследственно измененных микроорганизмов.

Успехи данного прикладного направления биотехнологии базируются на работах Дж. Уотсона и Ф. Крика, которые в 1953 г. предложили модель структуры ДНК. Эти работы способствуют проведению исследований по молекулярной генетике.

Основной задачей генной инженерии является выделение (или синтез) отдельных генов, их молекулярное клонирование и создание рекомбинативных ДНК — искусственной комбинации разных генов, придающей организму новые, полезные для человека свойства. Генная инженерия позволяет создавать для микробиологической промышленности сверхпродуценты — микроорганизмы, с помощью которых тот или иной продукт производят быстрее и дешевле, чем путем традиционной селекции и генетики. На основе генной инженерии микроорганизмов организуется промышленное производство витаминов, аминокислот, антибиотиков, кормового белка, ферментов и т.д. Для медицинских целей с помощью методов генной инженерии организуется промышленное производство инсулина, гормона роста, интерферона, ряда противовирусных вакцин, ферментов.