Инженерная энзимология. Иммобилизованные биообъекты в биотехнологическом производстве. Совершенствование биообъектов методами мутагенеза и селекции Анаэробные процессы переработки отходов
«Методы селекции животных и растений» - Селекция микроорганизмов. Патогенные микроорганизмы вызывают болезни растений, животных и человека. Биотехнология. Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. БИОТЕХНОЛОГИЯ, использование живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. Иногда к микроорганизмам относят вирусы.
«Вавилов основы селекции» - модульный блок «Селекция». Способ организации учебного процесса на основе блочно-модульного представления учебной информации. Структура урока. Комплексная дидактическая цель (КДЦ): Основы селекции. Модуль № 1. Работы Н.И.Вавилова.
«Селекция» - Применение ферментных препаратов в виноделии позволяет ускорить созревание и улучшить качество вин. Плесневые и лучистые грибы, измененные методами селекции, вырабатывают в сотни раз больше антибиотиков по сравнению с исходными формами. Селекция микроорганизмов. На разработку новых методов селекционной работы большое влияние оказала генетика - теоретическая база селекции.
«Основы селекции» - Родина кукурузы, какао, фасоли, красного перца. Восточноазиатский центр. Аутбридинг. Родина ананаса, картофеля, хинного дерева, томатов. Главные центры происхождения культурных растений. Селекция растений. Биотехнология. Средиземноморский центр. И. В. Мичурин разработал метод отдаленной гибридизации для получения новых сортов.
«Селекция микроорганизмов» - Родственное. Кто является родоначальником различных пород овец? Миекодром. Кошек 20. Страусов 18. Назовите породы коров, разводимых у нас в республике? Уток 15. Индивидуальный. Кто является родоначальником различных пород свиней? Прочитайте текст и укажите на ошибки. Назовите породы, разводимые у нас в республике?
«Биология селекция» - Методы селекции растений. СЕЛЕКЦИЯ – эволюция, управляемая человеком. Центры происхождения культурных растений. Воздействие радиацией и химическими веществами на растения и животных. Задачи селекции. Метод мутагенеза. Метод гибридизации. Закон гомологических рядов наследственной изменчивости. Название науки от латинского «селекцио» - выбор, отбор.
Микроорганизмы как объекты биотехнологии. Классификация. Характеристика.
Бактерии чрезвычайно разнообразны по условиям обитания, приспособляемости, типам питания и биоэнергообразования, по отношению к макроорганизмам - животным и растениям. Наиболее древние формы бактерий - архебактерии способны жить в экстремальных условиях (высокие температуры и давления, концентрированные растворы солей, кислые растворы). Эубактерии (типичные прокариоты, или бактерии) более чувствительны к условиям окружающей среды.
По типу питания бактерии делятся по источнику энергии:
· фототрофы, использующие энергию солнечного света;
· хемоавтотрофы, использующие энергию окисления неорганических веществ (соединений серы, метана, аммиака, нитритов, соединений двухвалентного железа и др.);
По типу окисления вещества:
· органотрофы, получающие энергию при разложении органических веществ до минеральных веществ; эти бактерии - основные участники круговорота углерода, к этой же группе относятся бактерии, использующие энергию брожения;
· литотрофы (неорганические вещества);
По типу источников углерода:
· гетеротрофные – используют органические вещества;
· афтотрофные – используют газ;
Для обозначения типа питания используется:
1. природа источника энергии фото- или хемо-;
2. Доноры электронов лито- или органо-;
3. Источники углерода афто- и гетеро-;
И заканчивается термин словами трофия. 8 различных типов питания.
Высшие животные и растение склоны к 2 типам питания:
1) Хемоорганогетеротрофия (животные)
2) Фотолитоафтотрофия (растения)
У микроорганизму представлены все типы питания при чем они могут переходить с одного на другой в зависимости от существования
Существует отдельный вид питания:
Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований. Наиболее изученной и широко применяемой в генно-инженерных исследованиях является кишечная палочка Escherichia coli (Е. coli), обитающая в кишечнике человека.
Организация и структура биотехнологических производств. Отличительные особенности биотехнологического производства от традиционных видов технологий. Преимущества и недостатки биотехнологических производств по сравнению с традиционными технологиями.
Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого биотехнологического производства. Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы и получение продуктов метаболизма. Однако такая классификация не отражает наиболее существенных с технологической точки зрения аспектов промышленных биотехнологических процессов. В этом плане необходимо рассматривать стадии биотехнологического производства, их сходство и различие в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса.
Существует 5 стадий биотехнологического производства.
Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.
Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.
На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.
Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными.
Основная цель биотехнологии - промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и технических наук.
Биотехнологический процесс - включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.
Биотехнологические процессы могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.
Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической.
1). Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.
2). Биотехпологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипною оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.
3). Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства.
4). Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми
5). Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.
К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся -создание и широкое освоение:
1)новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);
2)микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите
лей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;
3)ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для повышения продуктивности животноводства;
4)новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;
5)технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.
Традиционная (обычная) технология представляет собой разработки, отражающие средний уровень производства, достигнутый большинством производителей продукции в данной отрасли. Такая технология не обеспечивает ее покупателю значительных технико-экономических преимуществ и качество продукции по сравнению с аналогичной продукцией ведущих производителей, и рассчитывать на дополнительную (сверх средней) прибыль в данном случае не приходится. Ее преимуществами для покупателя являются сравнительно невысокая стоимость и возможность приобретения проверенной в производственных условиях технологии. Традиционная технология создается, как правило, в результате устаревания и широкомасштабного распространения прогрессивной технологии. Продажа такой технологии обычно осуществляется по ценам, компенсирующим продавцу издержки на ее подготовку и получение средней прибыли.
Преимущества биотехнологических процессов по сравнению с химической технологией биотехнология имеет следующие основные преимущества:
·возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получать путем химического синтеза;
·проведение биотехнологических процессов при относительно невысоких температурах и давлениях;
·микроорганизмы имеют значительно более высокие скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы
·в качестве сырья в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;
·биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам;
·как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дешевы.
Биотехнологическая стадия
Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента происходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт.
Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества.
Биотехнологическая стадия включает в себя:
Ферментация - процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов.
Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов или готовых ферментов.
Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов-ферментов.
Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.
Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.
Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.
Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.
Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворенное состояние под действием специальных микроорганизмов.
Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.
Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один - жидкостной. В случае, если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра или биокомпостирование отходов), выходом является поток переработанного твердого продукта.
Подготовительные стадии
Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии.
На стадии подготовки могут быть использованы следующие процессы.
Стерилизация среды - для асептических биотехнологических процессов, где нежелательно попадание посторонней микрофлоры.
Подготовка и стерилизация газов (обычно воздуха), необходимых для протекания биотехнологического процесса. Чаще всего подготовка воздуха заключается в очистке его от пыли и влаги, обеспечении требуемой температуры и очистке от присутствующих в воздухе микроорганизмов, включая споры.
Подготовка посевного материала. Очевидно, что для проведения микробиологического процесса или процесса культивирования изолированных клеток растений или животных необходимо подготовить и посевной материал - предварительно выращенное малое по сравнению с основной стадией количество биологического агента.
Подготовка биокатализатора. Для процессов биотрансформации или биокатализа необходимо предварительно подготовить биокатализатор - либо фермент в свободном или закрепленном на носителе виде, либо биомассу микроорганизмов, выращенную предварительно до состояния, в котором проявляется ее ферментативная активность
Предварительная обработка сырья. Если сырье поступает в производство в виде, непригодном для непосредственного использования в биотехнологическом процессе, то проводят операцию по предварительной подготовке сырья. Например, при получении спирта пшеницу сначала дробят, а затем подвергают ферментативному процессу "осахаривания", после чего осахаренное сусло на биотехнологической стадии путем ферментации превращается в спирт.
Очистка продукта
Задача этой стадии - убрать примеси, сделать продукт максимально чистым.
Хроматография - процесс, напоминающий адсорбцию.
Диализ - процесс, в котором через полупроницаемую перегородку могут проходить низкомолекулярные вещества, а высокомолекулярные остаются.
Кристаллизация. Этот процесс базируется на различной растворимости веществ при разных температурах.
Концентрирование продукта
Дальнейшая задача - обеспечить его концентрирование.
На стадии концентрирования применяют такие процессы, как выпаривание, сушка, осаждение, кристаллизация с фильтрацией получившихся кристаллов, ультрафильтрация и гиперфильтрация или нанофильтрация, обеспечивающие как бы "отжим" растворителя из раствора.
Очистка стоков и выбросов
Очистка этих стоков и выбросов - специальная задача, которая обязательно должна решаться в наше экологически неблагополучное время. По существу очистка стоков - это отдельное биотехнологическое производство, имеющее свои подготовительные стадии, биотехнологическую стадию, стадию отстаивания биомассы активного ила и стадию дополнительной очистки стоков и переработки осадка.
Виды биологических объектов применяемых в биотехнологии, их классификация и характеристика. Биологические объекты животного происхождения. Биологические объекты растительного происхождения.
К объектам биотехнологии относятся: организованные внеклеточные частицы (вирусы), клетки бактерий, грибов, простейшие организмы, ткани грибов, растений, животных и человека, ферменты и ферментные компоненты, биогенные молекулы нуклеиновой кислоты, лектины, цитокинины, первичные и вторичные метаболиты.
В настоящее время большинство биообъектов биотехнологии представляется представителями 3-х надцарств:
1) Acoryotac – акориоты или безъядерные;
2) Procaryotac – прокариоты или предъядерные;
3) Eucaryotac – эукариоты или ядерные.
Представляются 5-ю царствами: к акариотам относят вирусы (неклеточная организованная частица); к прокариотам относят бактерии (морфологическая элементарная единица); к эукариотам относят грибы, растения и животные. Тип кодирование генетической информации ДНК (для вирусов ДНК или РНК).
Бактрии имеют клеточную организацию, но при этом материал ядра не отделен от цитоплазмы ни какими мембранами и не связан ни с какими белками. В основном бактерии одноклеточные их размер не превышает 10 микрометров. Все бактерии делятся на архиобактерии и эубактерии.
Грибы (Mycota) являются важными биотехнологическими объектами и продуцентами ряда важнейших соединений пищевых продуктов и добавок: антибиотики, растительные гормоны, красители, грибной белок, сыры различных типов. Микромицеты неформируют плодового тела, а макромицеты формируют. Имеют признаки животных и растений.
Растения (Plantae). Известно около 300 тысяч видов растений. Это дифференцированные органические растения, составные части которых ткани (мериместентные, покровные, проводимые, механические, основные и секреторные). К делению способны только мириместентные ткани. Любой вид растения при определенных условиях может давать неорганизованную клеточную массу делящихся клеток – каллус. Важнейшими биообъектами являются протопласты растительных клеток. Они лишены клеточной стенки. Используются в клеточной инженерии. Часто используют водоросли. Из них получают агар-агар и альгинаты (полисахариды, используемые для приготовления микробиологических сред).
Животные (Animalia). В биотехнологии широко применяются такие биообъекты как клетки различных животных. Кроме клеток высших животных используются клетки простейших животных. Клетки высших животных используются для получения рекомбинантной ДНК и для проведения токсикологических исследований.
План:
1. Селекция
1.1. Селекция растений
1.2. Селекция животных
1.3. Селекция микроорганизмов
2. Мутагенез
2.1. Характеристика процесса мутагенеза
2.2. Мутагены
2.3. Мутации
1. Селекция
Селе́кция - наука о методах создания и улучшения пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. Селекцией называют также отрасль сельского хозяйства, занимающуюся выведением новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур и пород животных.
Селекция тесно связана с систематикой, анатомией, морфологией, физиологией, экологией растений и животных, биохимией, иммунологией, растениеводством, зоотехнией, фитопатологией, энтомологией и др. науками, использует их приёмы и методы исследования. Исключительно большое значение для селекции имеют знания биологии опыления и оплодотворения, эмбриологии, гистологии и молекулярной биологии.
По определению Н. И. Вавилова, Селекция как наука характеризуется высокой комплексностью: она заимствует от других наук методы и законы о растениях и животных, трансформирует их, дифференцирует в соответствии с конечной задачей выведения сорта, разрабатывает свои методы и устанавливает закономерности, ведущие к созданию сорта (или породы).
Селекция имеет три направления деятельности, связанные с селекцией растений, животных, микроорганизмов. Селекция микроорганизмов позволяет осуществлять и развивать новое направление человеческой деятельности – биотехнологию, позволяющую утилизировать то, что невозможно утилизировать другими методами.
Предмет селекции – это изучение и претворение на практике специфических закономерностей эволюции культурных растений, сельскохозяйственных животных, искусственных штаммов.
Практическое значение селекции: повышение продуктивности и урожайности сельскохозяйственных животных и растений, и эффективности биотехнологических производств.
История
Первоначально в основе селекции лежал искусственный отбор, когда человек отбирает растения или животных с интересующими его признаками. До XVI-XVIIв. отбор происходил бессознательно, то есть человек, например, отбирал для посева лучшие, самые крупные семена пшеницы, не задумываясь о том, что он изменяет растения в нужном ему направлении.
Только в последние столетие человек, еще не зная законов генетики, стал использовать отбор сознательно или целенаправленно, скрещивая те растения, которые удовлетворяли его в наибольшей степени.
Однако методом отбора человек не может получить принципиально новых свойств у разводимых организмов, так как при отборе можно выделить только те генотипы, которые уже существуют в популяции. Поэтому для получения новых пород и сортов животных и растений применяют гибридизацию, скрещивая растения с желательными признаками и в дальнейшем, отбирая из потомства те особи, у которых полезные свойства выражены наиболее сильно. Например, один сорт пшеницы отличается прочным стволом и устойчив к полеганию, а сорт с тонкой соломиной не заражается стеблевой ржавчиной. При скрещивании растений из двух сортов в потомстве возникают различные комбинации признаков. Но отбирают именно те растения, которые одновременно имеют прочную соломину и не болеют стеблевой ржавчиной. Так создается новый сорт.
В связи с развитием генетики, селекция получила новый импульс к развитию. Генная инженерия позволяет подвергать организмы целенаправленной модификации. Окончательно производится уже отбор лучших, но среди искусственно созданных генотипов.
Генетика является теоретической основой селекции, так как именно знание законов генетики позволяет целенаправленно управлять появлением мутаций, предсказывать результаты скрещивания, правильно проводить отбор гибридов. В результате применения знаний по генетике на практике удалось создать более 10000 сортов пшеницы на основе нескольких исходных диких сортов, получить новые штаммы микроорганизмов, выделяющих пищевые белки, лекарственные вещества, витамины и т. п.
К задачам современной селекции относится создание новых и улучшение уже существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов.
Выдающийся генетик и селекционер академик Н. И. Вавилов писал, что селекционеры должны изучать и учитывать в своей работе следующие основные факторы: исходное сортовое и видовое разнообразие организмов; наследственную изменчивость; роль среды в развитии и проявлении нужных селекционеру признаков; закономерности наследования при гибридизации; формы искусственного отбора, направленные на выделение и закрепление необходимых признаков.
Селекция растений
Основные методы селекции вообще и селекции растений в частности - отбор и гибридизация. Для перекрестноопыляемых растений применяют массовый отбор особей с желаемыми свойствами. В противном случае невозможно получить материал для дальнейшего скрещивания. Таким образом, получают, например, новые сорта ржи. Эти сорта не являются генетически однородными. Если же желательно получение чистой линии - то есть генетически однородного сорта, то применяют индивидуальный отбор, при котором путем самоопыления получают потомство от одной единственной особи с желательными признаками. Таким методом были получены многие сорта пшеницы, капусты, и т. п.
Для закрепления полезных наследственных свойств необходимо повысить гомозиготность нового сорта. Иногда для этого применяют самоопыление перекрестноопыляемых растений. При этом могут фенотипически проявиться неблагоприятные воздействия рецессивных генов. Основная причина этого - переход многих генов в гомозиготное состояние. У любого организма в генотипе постепенно накапливаются неблагоприятные мутантные гены. Они чаще всего рецессивны, и фенотипически не проявляются. Но при самоопылении они переходят в гомозиготное состояние, и возникает неблагоприятное наследственное изменение. В природе у самоопыляемых растений рецессивные мутантные гены быстро переходят в гомозиготное состояние, и такие растения погибают, выбраковываясь естественным отбором.
Несмотря на неблагоприятные последствия самоопыления, его часто применяют у перекрестноопыляемых растений для получения гомозиготных («чистых») линий с нужными признаками. Это приводит к снижению урожайности. Однако затем проводят перекрестное опыление между разными самоопыляющимися линиями и в результате в ряде случаев получают высокоурожайные гибриды, обладающие нужными селекционеру свойствами. Это метод межлинейной гибридизации, при котором часто наблюдается эффект гетерозиса: гибриды первого поколения обладают высокой урожайностью и устойчивостью к неблагоприятным воздействиям. Гетерозис характерен для гибридов первого поколения, которые получаются при скрещивании не только разных линий, но и разных сортов и даже видов. К сожалению, эффект гетерозиготной (или гибридной) мощности бывает сильным только в первом гибридном поколении, а в следующих поколениях постепенно снижается. Основная причина гетерозиса заключается в устранении в гибридах вредного проявления накопившихся рецессивных генов. Другая причина - объединение в гибридах доминантных генов родительских особей и взаимное усиление их эффектов.
В селекции растений широко применяется экспериментальная полиплоидия, так как полиплоиды отличаются быстрым ростом, крупными размерами и высокой урожайностью. В сельскохозяйственной практике широко используются триплоидная сахарная свекла, четырехплоидные клевер, рожь и твердая пшеница, а также шестиплоидная мягкая пшеница. Получают искусственные полиплоиды при помощи химических веществ, которые разрушают веретено деления, в результате чего удвоившиеся хромосомы не могут разойтись, оставаясь в одном ядре. Одно из таких веществ - колхицин. Применение колхицина для получения искусственных полиплоидов является одним из примеров искусственного мутагенеза, применяемого при селекции растений.
Путем искусственного мутагенеза и последующего отбора мутантов были получены новые высокоурожайные сорта ячменя и пшеницы. Этими же методами удалось получить новые штаммы грибов, выделяющие в 20 раз больше антибиотиков, чем исходные формы. Сейчас в мире культивируют более 250 сортов сельскохозяйственных растений, созданных при помощи физического и химического мутагенеза. Это сорта кукурузы, ячменя, сои, риса, томатов, подсолнечника, хлопчатника, декоративных растений.
Селекция животных
Особенности селекции животных . Основные принципы селекции животных не отличаются от принципов селекции растений. Однако селекция животных имеет некоторые особенности: для них характерно только половое размножение; в основном очень редкая смена поколений (у большинства животных через несколько лет); количество особей в потомстве невелико. Поэтому в селекционной работе с животными важное значение приобретает анализ совокупности внешних признаков, или экстерьера, характерного для той или иной породы.
Одомашнивание животных. Одним из важнейших достижений человека на заре его становления и развития (10-12 тыс. лет назад) было создание постоянного и достаточно надежного источника продуктов питания путем одомашнивания диких животных. Главным фактором одомашнивания служит искусственный отбор организмов, отвечающих требованиям человека. У домашних животных весьма развиты отдельные признаки, часто бесполезные или даже вредные для их существования в естественных условиях, но полезные для человека. Например, способность некоторых пород кур давать более 300 яиц в год лишена биологического смысла, поскольку такое количество яиц курица не сможет высиживать. Поэтому в естественных условиях одомашненные формы существовать не могут.
Одомашнивание привело к ослаблению действия стабилизирующего отбора, что резко повысило уровень изменчивости и расширило его спектр. При этом одомашнивание сопровождалось отбором, вначале бессознательным (отбор тех особей, которые лучше выглядели, имели более спокойный нрав, обладали другими ценными для человека качествами), затем осознанным, или методическим. Широкое использование методического отбора направлено на формирование у животных определенных качеств, удовлетворяющих человека.
Процесс одомашнивания новых животных для удовлетворения потребностей человека продолжается и в наше время. Например, для получения модной и высококачественной пушнины создана новая отрасль животноводства - пушное звероводство.
Отбор и типы скрещивания . Отбор родительских форм и типы скрещивания животных проводятся с учетом цели, поставленной селекционером. Это может быть целенаправленное получение определенного экстерьера, повышение молочности, жирности молока, качества мяса и т. д. Разводимые животные оцениваются не только по внешним признакам, но и по происхождению и качеству потомства. Поэтому необходимо хорошо знать их родословную. В племенных хозяйствах при подборе производителей всегда ведется учет родословных, в которых оцениваются экстерьерные особенности и продуктивность родительских форм в течение ряда поколений. По признакам предков, особенно по материнской линии, можно судить с известной вероятностью о генотипе производителей.
В селекционной работе с животными применяют в основном два способа скрещивания: аутбридинг и инбридинг.
Аутбридинг, или неродственное скрещивание между особями одной породы или разных пород животных, при дальнейшем строгом отборе приводит к поддержанию полезных качеств и к усилению их в ряду следующих поколений.
При инбридинге в качестве исходных форм используются братья и сестры или родители и потомство (отец-дочь, мать-сын, двоюродные братья-сестры и т. д.). Такое скрещивание в определенной степени аналогично самоопылению у растений, которое также приводит к повышению гомозиготности и, как следствие, к закреплению хозяйственно ценных признаков у потомков. При этом гомозиготизация по генам, контролирующим изучаемый признак, происходит тем быстрее, чем более близкородственное скрещивание используют при инбридинге. Однако гомозиготизация при инбридинге, как и в случае растений, ведет к ослаблению животных, снижает их устойчивость к воздействию среды, повышает заболеваемость. Во избежание этого необходимо проводить строгий отбор особей, обладающих ценными хозяйственными признаками.
В селекции инбридинг обычно является лишь одним из этапов улучшения породы. За ним следует скрещивание разных межлинейных гибридов, в результате которого нежелательные рецессивные аллели переводятся в гетерозиготное состояние и вредные последствия близкородственного скрещивания заметно снижаются.
У домашних животных, как и у растений, наблюдается явление гетерозиса : при межпородных или межвидовых скрещиваниях у гибридов первого поколения происходит особенно мощное развитие и повышение жизнеспособности. Классическим примером проявления гетерозиса является мул - гибрид кобылы и осла. Это сильное, выносливое животное, которое может использоваться в значительно более трудных условиях, чем родительские формы.
Гетерозис широко применяют в промышленном птицеводстве (пример - бройлерные цыплята) и свиноводстве, так как первое поколение гибридов непосредственно используют в хозяйственных целях.
Отдаленная гибридизация. Отдаленная гибридизация домашних животных менее эффективна, чем растений. Межвидовые гибриды животных часто бывают бесплодными. При этом восстановление плодовитости у животных представляет более сложную задачу, поскольку получение полиплоидов на основе умножения числа хромосом у них невозможно. Правда, в некоторых случаях отдаленная гибридизация сопровождается нормальным слиянием гамет, обычным мейозом и дальнейшим развитием зародыша, что позволило получить некоторые породы, сочетающие ценные признаки обоих использованных в гибридизации видов. Например, в Казахстане на основе гибридизации тонкорунных овец с диким горным бараном архаром создана новая порода тонкорунных архамериносов, которые, как и архары, пасутся на высокогорных пастбищах, недоступных для тонкорунных мериносов. Улучшены породы местного крупного рогатого скота путем скрещивания его с зебу и яками.
Селекционерами России достигнуты значительные успехи в создании новых и улучшении уже существующих пород животных. Продолжается селекционная работа по укрупнению, повышению скороспелости и работоспособности лошадей белорусской упряжной группы, улучшению продуктивного потенциала овец по настригу шерсти, живой массе и плодовитости, по созданию линий и кроссов мясных уток, гусей, высокопродуктивной породы карпа и др.
Кроме того, в настоящий момент существуют новые методы селекции, они представлены для вас на слайде.
Селекция микроорганизмов
Микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, простейшие и др.) играют исключительно важную роль в биосфере и хозяйственной деятельности человека. Из более, чем 100 тыс. видов известных в природе микроорганизмов человеком используется несколько сотен, и число это растет. Качественный скачок в их использовании произошел в последние десятилетия, когда были установлены многие генетические механизмы регуляции биохимических процессов в клетках микроорганизмов.
Многие из них продуцируют десятки видов органических веществ - аминокислот, белков, антибиотиков, витаминов, липидов, нуклеиновых кислот, ферментов, пигментов, сахаров и т. п., широко используемых в разных областях промышленности и медицины. Такие отрасли пищевой промышленности, как хлебопечение, производство спирта, молочных продуктов, виноделие и многие другие, основаны на деятельности микроорганизмов.
Микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам различных соединений жесткие требования, которые важны для технологии производства; это высокая скорость роста, использование для жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению посторонними микроорганизмами. Научная основа этой промышленности - умение создавать микроорганизмы с новыми, заранее определенными генетическими свойствами и умение использовать их в промышленных масштабах.
Селекция микроорганизмов (в отличие от селекции растений и животных) имеет ряд особенностей: 1) у селекционера имеется неограниченное количество материала для работы: за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить миллиарды клеток; 2) более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении; 3) простота генетической организации бактерий: значительно меньшее количество генов, их генетическая регуляция более простая, взаимодействия генов просты или отсутствуют.
Эти особенности накладывают свой отпечаток на выбор методов селекции микроорганизмов, которые во многом существенно отличаются от методов селекции растений и животных. Например, в селекции микроорганизмов обычно учитываются их естественные способности синтезировать какие-либо полезные для человека соединения (аминокислоты, витамины, ферменты и др.). В случае использования методов генной инженерии можно заставить бактерии и другие микроорганизмы продуцировать те соединения, синтез которых в естественных природных условиях им никогда не был присущ (например, гормоны человека и животных, биологически активные соединения).
Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью содержащихся в них веществ, которые интересуют селекционера. Для использования же в микробиологической промышленности нужны высокопродуктивные штаммы, которые создаются различными методами селекции, в том числе отбором среди природных микроорганизмов.
Отбору высокопродуктивных штаммов предшествует целенаправленная работа селекционера с генетическим материалом исходных микроорганизмов. В частности, широко используют различные способы рекомбинирования генов: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) позволила создать штамм Pseudomonas putida, способный утилизировать углеводороды нефти.
Часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериофагов), трансформации (перенос ДНК, изолированной из одних клеток, в другие) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).
Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся в плазмиде, а не в хромосоме. Поэтому увеличение числа этих плазмид путем амплификации позволяет существенно повысить выход антибиотиков.
Важнейшим этапом в селекционной работе является индуцирование мутаций. Экспериментальное получение мутаций открывает почти неограниченные перспективы для создания высокопродуктивных штаммов. Вероятность возникновения мутаций у микроорганизмов (1x10 -10 -1х10 -6) ниже, чем у всех других организмов (1x10 -6 -1x10 -4). Но вероятность выделения мутаций по данному гену у бактерий значительно выше, чем у растений и животных, поскольку получить многомиллионное потомство у микроорганизмов довольно просто и сделать это можно быстро.
Для выявления мутаций служат селективные среды, на которых способны расти мутанты, но погибают родительские клетки дикого типа. Проводится также отбор по окраске и форме колоний, скорости роста мутантов и диких форм и т. д.
Важным подходом в селекционной работе с микроорганизмами является получение рекомбинантов путем слияния протопластов, или гибридизации, разных штаммов бактерий. Слияние протопластов позволяет объединить генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.
Роль микроорганизмов в микробиологической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и других областях трудно переоценить. Особенно важно отметить то, что многие микроорганизмы для производства ценных продуктов используют отходы промышленного производства, нефтепродукты и тем самым производят их разрушение, предохраняя окружающую среду от загрязнения.
краткое содержание других презентаций«Сельскохозяйственная биотехнология» - Нарушение формирования волосяного покрова. Фитобиотехнология. Сельскохозяйственная биотехнология. Трансформация растений. Метод получения изолированных протопластов. Метод электрослияния изолированных протопластов. Биотехнология в кормовой промышленности. Способность к неограниченному росту. Направления генетической модификации растений. Трансплантация эмбрионов. Т-сегмент. Получение трансгенных растений.
«Перспективы биотехнологии» - Проблемы экологии и управление отходами. Создание синергетического эффекта. Российская технологическая платформа. Структура бюджета. Промышленная биотехнология. Рейтинг региональных кластеров. Подготовка кадров. Биоиндустрия в СССР. Ресурсы. Стратегия социально-экономического развития. Стратегическое развитие аграрного комплекса. Сценарии развития. Направления инновационной деятельности. Ожидаемые результаты.
«Развитие генной инженерии» - Основной единицей наследовательности любого организма является ген. В организм животного был введен некий ген, позволявший «обходить заболевания стороной». Генная инженерия начала развиваться с 1973 года, когда американские исследователи Стэнли Коэн и Энли Чанг встроили бартериальную плазмиду в ДНК лягушки. Так, например, компания «Lifestyle Pets» создала с помощью генной инженерии гипоаллергенного кота, названного Ашера ГД.
«Множественные выравнивания» - Jalview – редактирование выравниваний. Какие бывают выравнивания? Современные методы построения множественного выравнивания (MSA, multiple sequence alignment). Использование ClustalW. Как “читать” множественное выравнивание? Что такое множественное выравнивание? TCoffee. Какие output-форматы бывают. Можно ли редактировать множественное выравнивание? Какое выравнивание интереснее? Руководящее дерево.
«Генетическая инженерия» - Полезное влияние генной инженерии. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей. Научные факторы опасности генной инженерии. 8. Могут возникнуть новые и опасные вирусы. Хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Такие новые вирусы могут быть более агрессивными, чем исходные.
«Сравнительная геномика» - Результаты. Разные виды кинетических уравнений. Пример (абстрактный). Что получается (кишечная палочка). Система уравнений. Потоковые модели – стационарное состояние. Пространство решений. Системная биология - модели. Потоковые линейное программирование. Проблемы. Пример (реальный) – синтез лизина в corynebacterium glutamicum. Уравнения баланса. Кинетический анализ регуляции. Мутанты. Кинетические уравнения.
Создание биообъектов методами генетической инженерии. Основные принципы технологии рекомбинантной ДНК. Плазмиды. Транспозоны. Функции. Использование в конструировании продуцентов. Генетическая инженерия – один из важнейших методов биотехнологии, предполагающий целенаправленное искусственное создание определенных комбинаций генетического материала, способных нормально функционировать в клетке, т.е. размножаться и контролировать синтез конечных продуктов. Таким образом, генетическая инженерия включает выделение из клеток отдельных генов или синтез генов вне клеток, направленную перестройку, копирование и размножение выделенных или синтезированных генов, а также их перенос и включение в подлежащий изменению геном и таким путем можно добиться включения в клетки бактерий «чужых» генов и синтеза бактериями важных для человека соединений. Развитие генетической инженерии стало возможным благодаря открытию двух ферментов: рестриктаз, разрезающих молекулу ДНК в строго определенных участках и лигаз, сшивающих определенные участки различных молекул ДНК друг с другом. Кроме того, в основе генетической инженерии лежит открытие векторов, которые представляют собой короткие, самостоятельно размножающиеся в клетках бактерий кольцевые молекулы ДНК. С помощью рестриктаз и лигаз в векторы встраивают необходимый ген, добиваясь в последствии его включения в геном клетки-хозяина. Различают следующие виды генетической инженерии: Генная инженерия: её сущность состоит в целенаправленном использовании перестроек естественного генома, осуществляемых in vivo и in vitro, для изменения генетических характеристик известных вирусов и клеток, прямое манипулирование рДНК, включающими отдельные гены. Геномная инженерия: её сущность заключается в целенаправленной глубокой перестройке генома акариот, прокариот и эукариот, вплоть до создания новых видов, т.е. перенос всего или большей части генетического материала от одной клетки к другой. При геномной инженерии возможно получение половых (слиянием гамет) и соматических (слиянием неполовых клеток) гибридов. Хромосомная инженерия связана с переносом изолированных хромосом от клетки-донора одного организма в клетку-реципиент другого организма. Техника клеточной генной инженерии 1-ый метод. Метод перегруппировки генов Внутри клетки есть определенный набор и последовательность генов. При протопластировании идет перегруппировка генов. Также происходит и активация молчащих генов. П-ой метод. Слияние или фузия генов. Прокариот сливают с эукариотом, образуется рекомбинант, содержащий кусок одного ДНК и другого ДНК. Ш-й метод: Трансформация. а) клетка с определенным набором генов в ДНК -> живой протопласт без перегруппировки генов -> протопласт гибрид-рекомбинант -> клетка т б) выделение изолированной ДНК в пробирке - вектор (это кусок изолированной ДНК, выделенный из другого микроорганизма (фаг, плазмида) Если есть клетка и изолированная ДНК с нужным геном (вектор) - вектор может быть в виде фага, плазмиды, вируса, космиды (плазмида+ фаг), то можно включить вектор в изолированный протопласт (т.е. провести трансформацию). При этом образуются «+» продуценты с новыми качествами, но в клетке существуют системы репарации (восстановления) молекулы ДНК и постепенно эти рекомбинанты возвращаются к исходному (дикому) типу. Репарацию преодолевают следующим образом: «+» варианты дополнительно обрабатывают мутагенами для преодоления действия системы репарации; иммобилизация клеток «+» вариантов. Для того, чтобы прошла трансформация, необходимо сделать клетку компетентной, т.е.увеличитъ ее проницаемость. Это достигается следующим образом: воздействовать на клетку ионами тяжелых металлов (цинк, кобальт, литий, магний) воздействовать на клетку ферментами (лизоцим, комплексный фермент виноградной улитки) быстрое замораживание и оттаивание. Компетентные клетки легче поглощают вектор, куски ДНК. У них обнажена цитоплазматическая мембрана, которая в некоторых местах выходит на поверхность, и в образующиеся в этих местах окошечки, легко проникает вектор в виде изолированной ДНК, а также в виде фага, вируса, космиды (космида- изолированная ДНК или плазмида+ фаг). При протопластировании и слиянии протопластов может происходить явление амплификации (увеличение) генов - при этом продукция целевого назначения (витаминов, гормонов, антибиотиков) увеличивается. Клетки с амплификацией генов есть «+» вариант.
Совершенствование биообъекта методами генной инженерии.
Отличие клеточной инженерии от генной инженерии в том, что в генной инженерии имеют дело с изолированными ДНК, с которыми работают in vitro.
Суть технологии: производят соединение фрагментов ДНК in vitro (в пробирке) с последующим введением изолированной ДНК в живую клетку. Чистая генная инженерия - это техника обмена изолированными фрагментами ДНК. Это происходит с помощью ферментов, которые относятся к эндонуклеазам (например, рестриктазы).