Биотехнология конспект егэ

Селекция

Селекция — отбор и создание новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами.

Породы животных, сорта растений, штаммы микроорганизмов — это совокупности особей, созданные человеком и обладающие какими-либо ценными для него качествами. Теоретической основой селекции является генетика.

Основные методы селекции

Отбор

В селекции действует естественный и искусственный отбор. Искусственный отбор бывает бессознательным и методическим.
Бессознательный отбор заключается в сохранении человеком лучших особей для разведения и употреблении в пищу худших без сознательного намерения вывести более совершенную породу или сорт.
Методический отбор осознанно направлен на выведение нового сорта или породы с желаемыми качествами.
В процессе селекции наряду с искусственным отбором не прекращает своего действия и естественный отбор, который повышает приспособляемость организмов к условиям окружающей среды.

Сравнительная характеристика естественного и искусственного отбора

Показатели	Естественный отбор	Искусственный отбор
Исходный материал для отбора	Индивидуальные признаки организмов	Индивидуальные признаки организмов
Отбирающий фактор	Условия среды (живая и неживая природа)	Человек
Путь благоприятных изменений	Остаются, накапливаются, передаются по наследству	Отбираются, становятся производительными
Путь неблагоприятных изменений	Уничтожаются в борьбе за существание	Отбираются, бракуются, уничтожаются
Направленность действия	Отбор признаков, полезных особи, популяции, виду	Отбор признаков, полезных человеку
Результат отбора	Новые виды	Новые сорта растений, породы животных, штаммы микроорганизмов
Формы отбора	Движущий, стабилизирующий, дизруптивный	Массовый, индивидуальный, бессознательный (стихийный), методический (сознательный)

Массовый отбор — выделение из исходного материала целой группы особей с желательными признаками и получение от них потомства.
Индивидуальный отбор — выделение отдельных особей с желательными признаками и получение от них потомства.

Массовый отбор чаще применяют в селекции растений, а индивидуальный — в селекции животных, что связано с особенностями размножения растений и животных.

Гибридизация

Методом отбора нельзя получить новые генотипы. Для создания новых благоприятных комбинаций признаков (генотипов) применяют гибридизацию. Различают внутривидовую и межвидовую (отдалённую) гибридизацию.

Внутривидовая гибридизация — скрещивание особей одного вида. Применяют близкородственное скрещивание и скрещивание неродственных особей.

Близкородственное скрещивание (инбридинг) (например, самоопыление у растений) ведёт к повышению гомозиготности, что, с одной стороны, способствует закреплению наследственных свойств, но с другой — ведёт к снижению жизнеспособности, продуктивности и вырождению.
Скрещивание неродственных особей (аутбридинг) позволяет получить гетерозисные гибриды. Если сначала вывести гомозиготные линии, закрепив желательные признаки, а затем провести перекрёстное опыление между разными самоопыляющимися линиями, то в результате в ряде случаев появляются высокоурожайные гибриды. Явление повышенной урожайности и жизнеспособности у гибридов первого поколения, полученных при скрещивании родителей чистых линий, называется гетерозисом. Основная причина эффекта гетерозиса — отсутствие проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии. Однако уже со второго поколения эффект гетерозиса быстро снижается.

Межвидовая (отдалённая) гибридизация — скрещивание разных видов.

Используется для получения гибридов, сочетающих ценные свойства родительских форм (тритикале — гибрид пшеницы и ржи, мул — гибрид кобылы с ослом, лошак — гибрид коня с ослицей). Обычно отдалённые гибриды бесплодны, так как хромосомы родительских видов отличаются настолько, что невозможен процесс конъюгации, в результате чего нарушается мейоз. Преодолеть бесплодие у отдалённых гибридов растений удаётся с помощью полиплоидии. Восстановление плодовитости у гибридов животных более сложная задача, так как получение полиплоидов у животных невозможно.

Полиплоидия

Полиплоидия — увеличение числа хромосомных наборов.

Полиплоидия позволяет избежать бесплодия межвидовых гибридов. Кроме того, многие полиплоидные сорта культурных растений (пшеница, картофель) имеют более высокую урожайность, чем родственные диплоидные виды. В основе явления полиплоидии лежат три причины: удвоение хромосом в неделящихся клетках, слияние соматических клеток или их ядер, нарушение процесса мейоза с образованием гамет с нередуцированным (двойным) набором хромосом. Искусственно полиплоидию вызывают обработкой семян или проростков растений колхицином. Колхицин разрушает нити веретена деления и препятствует расхождению гомологичных хромосом в процессе мейоза.

Индуцированный мутагенез

В естественных условиях частота возникновения мутаций сравнительно невелика. Поэтому в селекции используется индуцированный (искусственно вызванный) мутагенез — воздействие на организм в условиях эксперимента каким-либо мутагенным фактором для возникновения мутации с целью изучения влияния фактора на живой организм или получения нового признака. Мутации носят ненаправленный характер, поэтому селекционер сам отбирает организмы с новыми полезными свойствами.

Клеточная и генная инженерия

Биотехнология — методы и приёмы получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью живых организмов (бактерий, дрожжей и др.). Биотехнология открывает новые возможности для селекции. Её основные направления: микробиологический синтез, генная и клеточная инженерия.
Микробиологический синтез — использование микроорганизмов для получения белков, ферментов, органических кислот, лекарственных препаратов и других веществ. Благодаря селекции удалось вывести микроорганизмы, которые вырабатывают нужные человеку вещества в количествах, в десятки, сотни и тысячи раз превышающих потребности самих микроорганизмов. С помощью микроорганизмов получают лизин (аминокислоту, не образующуюся в организме животных; её добавляют в растительную пищу), органические кислоты (уксусную, лимонную, молочную и др.), витамины, антибиотики и т. д.
Клеточная инженерия — выращивание клеток вне организма на специальных питательных средах, где они растут и размножаются, образуя культуру ткани. Из клеток животных нельзя вырастить организм, а из растительных клеток можно. Так получают и размножают ценные сорта растений. Клеточная инженерия позволяет проводить гибридизацию (слияние) как половых, так и соматических клеток. Гибридизация половых клеток позволяет проводить оплодотворение «в пробирке» и имплантацию оплодотворённой яйцеклетки в материнский организм. Гибридизация соматических клеток делает возможным создание новых сортов растений, обладающих полезными признаками и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды.
Генная инженерия — искусственная перестройка генома. Позволяет встраивать в геном организма одного вида гены другого вида. Так, введя в генотип кишечной палочки соответствующий ген человека, получают гормон инсулин. В настоящее время человечество вступило в эпоху конструирования генотипов клеток.

Селекция растений, животных и микроорганизмов

Селекция растений Для селекционера очень важно знать свойства исходного материала, используемого в селекции. В этом плане очень важны два достижения отечественного селекционера Н. И. Вавилова: закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и учение о центрах происхождения культурных растений.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: виды и роды, генетически близкие (связанные друг с другом единством происхождения), характеризуются сходными рядами в наследственной изменчивости. Так, например, у мягкой и твёрдой пшеницы и ячменя существуют остистые, короткоостые и безостые колосья. Зная наследственные изменения у одного вида, можно предвидеть нахождение сходных изменений у родственных видов и родов, что используется в селекции. Чем ближе между собой виды и роды, тем больше сходство в изменчивости их признаков. Н. И. Вавиловым закон был сформулирован применительно к растениям, а позднее подтверждён для животных и микроорганизмов.
В селекции растений наиболее широко используются такие методы, как массовый отбор, внутривидовая гибридизация, отдалённая гибридизация, полиплоидия.
Большой вклад в селекцию плодовых растений внёс отечественный селекционер И. В. Мичурин. На основе методов межсортовой и межвидовой гибридизации, отбора и воздействия условиями среды им были созданы многие сорта плодовых культур. Благодаря его работам многие южные сорта плодовых культур удалось распространить в средней полосе нашей страны.
Многие сорта культурных растений являются полиплоидными. Таковы некоторые сорта пшеницы, ржи, клевера, картофеля, свёклы и т. д. Сочетание отдалённой гибридизации с последующим получением полиплоидных форм позволило преодолеть бесплодие отдалённых гибридов. В результате многолетних работ Н. В. Цицина и его сотрудников были получены гибриды пырея и пшеницы, пшеницы и ржи (тритикале).
К наиболее важным достижениям селекции растений следует отнести создание большого количества высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений.

Селекция животных

Как и культурные растения, домашние животные имеют диких предков. Процесс превращения диких животных в домашних называют одомашниванием (доместикацией). Почти все домашние животные относятся к высшим позвоночным животным — птицам и млекопитающим.
В селекции животных наиболее широко используются такие методы, как индивидуальный отбор, внутривидовая гибридизация (родственное и неродственное скрещивание) и отдалённая (межвидовая) гибридизация.
Использование индивидуального отбора связано с половым размножением животных, когда получить сразу много потомков затруднительно. В связи с этим селекционеру важно определить наследственные признаки самцов, которые непосредственно у них не проявляются (жирномолочность, яйценоскость). Поэтому оценка животных может быть осуществлена по их родословной и по качеству их потомства. Имеет определённое значение также учёт экстерьера, то есть совокупности внешних признаков животного. Подбор производителей в животноводстве особенно актуален в связи с применением в настоящее время искусственного осеменения, позволяющего получить от одного организма значительное число потомков. Родственное скрещивание ведёт к гомозиготности и чаще всего сопровождается уменьшением устойчивости животных к неблагоприятным факторам среды, снижением плодовитости и т. п. Для устранения неблагоприятных последствий используют неродственное скрещивание разных линий и пород. На основе межпородного скрещивания были созданы высокопродуктивные сельскохозяйственные животные (в частности М. Ф. Иванов создал высокопродуктивную породу свиней Белая украинская, породу овец Асканийская рамбулье). Неродственное скрещивание сопровождается гетерозисом, сущность которого состоит в том, что гибриды первого поколения имеют повышенную жизнеспособность и усиленное развитие. Примером эффективного использования гетерозиса служит выведение гибридных цыплят (бройлерное производство).
Отдалённая (межвидовая) гибридизация животных приводит к бесплодию гибридов. Но благодаря проявлению гетерозиса широко используется человеком. Среди достижений по отдалённой гибридизации животных следует отметить мула — гибрида кобылы с ослом, бестера — гибрида белуги и стерляди, продуктивного гибрида карпа и карася, гибридов крупного рогатого скота с яками и зебу, отдалённых гибридов свиней и т. д.

Селекция микроорганизмов

К микроорганизмам относятся прокариоты — бактерии, сине-зелёные водоросли; эукариоты — грибы, микроскопические водоросли, простейшие.
В селекции микроорганизмов наиболее широко используются индуцированный мутагенез и последующий отбор групп генетически идентичных клеток (клонов), методы клеточной и генной инженерии.
Деятельность микроорганизмов используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Ферментативную активность микроорганизмов (грибов и бактерий) используют в производстве молочных продуктов, хлебопечении, виноделии и др. С помощью микроорганизмов получают аминокислоты, белки, ферменты, спирты, полисахариды, антибиотики, витамины, гормоны, интерферон и пр.
Выведены штаммы бактерий, способные разрушать нефтепродукты, что позволит использовать их для очистки окружающей среды. Ведутся работы по перенесению генетического материала азотфиксирующих микроорганизмов в геном почвенных бактерий, которые этими генами не обладают, а также непосредственно в геном растений. Это позволит избавиться от необходимости производить огромное количество азотных удобрений.

Биотехнология и ее направления

Ключевые слова: биотехнология, направления биотехнологии, иммобилизованные ферменты, инженерная энзимология.
Раздел ЕГЭ: 3.9. Биотехнология, ее направления…

---

---

Изучение процессов жизнедеятельности клетки и организма, выяснение природы наследственности и способов получения искусственных мутаций послужили основой для развития биотехнологии (от греч. bios — жизнь, techne — искусство и logos — учение) — прикладной науки, использующей биологические системы и процессы в различных областях сельского хозяйства, промышленности и медицины. Термин «биотехнология» был предложен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки, однако человек издавна использовал для своих нужд различные биотехнологические процессы: хлебопечение, квашение овощей, приготовление кефира, сыра, вина, пива и т. п.

Основные направления биотехнологии

Начало разработки научных основ биотехнологии связано с именем французского учёного Луи Пастера, который в середине XIX в. исследовал свойства микроорганизмов. Так, выясняя причину прокисания вина, Пастер обнаружил микроорганизм — Mycoderma aceti, превращающий вино в уксус. Рекомендация Пастера предотвращать порчу вина путём его прогревания в течение 30 мин при температуре 55—60 °С под названием «пастеризация» получила широкое применение в пищевой промышленности. В современной биотехнологии ведущее место занимают биохимические реакции, протекающие под действием иммобилизованных ферментов (энзимов). С их помощью получают важнейшие компоненты для пищевой и медицинской промышленности. Другое важное направление биотехнологии — микробиологическая технология — связано с культивированием штаммов микроорганизмов, плесневых и дрожжевых грибов для производства в промышленных масштабах кисломолочных продуктов, антибиотиков, витаминов, синтетических белков и т. п.

Благодаря открытиям и успехам молекулярной биологии и генетики в биотехнологии со второй половины XX в. бурно развивается биоинженеринг, представленный тремя направлениями: клеточной, хромосомной и генной инженерией. Клеточная инженерия связана с генетическими экспериментами с изолированными клетками, благодаря которым получают новые генотипы многоклеточных организмов с хозяйственно ценными признаками. Предпосылкой для развития клеточной инженерии стала клеточная технология — выращивание отдельных соматических клеток на питательных средах. Хромосомная инженерия является одним из методов комбинационной селекции, так как связана с выделением и переносом отдельных хромосом с известным набором генов в клетки другого организма, которые приобретают в результате этого новые свойства. Это направление биотехнологии связано с другим направлением — генной инженерией, использующей лабораторные методы in vitro (в пробирке), которые заключаются в переносе генов от одного организма к другому. Одной из задач генной инженерии является создание бактериальных клеток, способных в промышленных масштабах синтезировать защитные белки и гормоны.

Инженерная энзимология

Как вам уже известно, ферменты (энзимы) — вещества белковой природы, поэтому они неустойчивы при хранении и не могут быть использованы в биохимических реакциях многократно (из-за трудностей, связанных с разделением реагентов и продуктов реакции). Решить эти проблемы технологического характера позволяет применение иммобилизованных ферментов, созданием которых занимаются учёные, работающие в области инженерной энзимологии.

Начало применению иммобилизованных ферментов было положено в 1916 г., когда американские учёные Дж. Нельсон и Е. Гриффин адсорбировали на древесном угле фермент инвертазу и показали, что при этом он сохраняет свою каталитическую активность. Сам термин «иммобилизованные ферменты» был введён в науку значительно позже, в 1971 г. Им стали обозначать любые ограничения свободы передвижения фермента в пространстве, где протекает биохимическая реакция, которая лежит в основе получения необходимого ферментативного продукта.

Основные преимущества использования иммобилизованных ферментов перед природными заключаются в следующем:

1. иммобилизованные ферменты легко отделимы от реакционной среды, что даёт возможность использовать их повторно, а также получать чистый (без примесей) продукт ферментативной реакции;
2. ферментативный процесс с использованием иммобилизованных ферментов можно проводить непрерывно, регулируя скорость катализируемой реакции и выход конечного продукта;
3. иммобилизованные ферменты можно модифицировать, целенаправленно изменяя их свойства, например специфичность действия;
4. можно регулировать каталитическую активность иммобилизованных ферментов путём изменения свойств носителя.

Носителями для иммобилизованных ферментов служат некоторые органические и неорганические вещества. Они должны иметь высокую химическую прочность, быть проницаемыми для фермента и субстратов, легко активироваться и являться доступными для получения в виде удобных в технологическом отношении форм (гранул, мембран), иметь невысокую стоимость (рис. 262). Существует достаточно большой набор носителей, пригодных для иммобилизации ферментов в биотехнологических процессах. Рассмотрим вначале органические полимерные носители ферментов.

Органические носители иммобилизованных ферментов могут быть природного или синтетического происхождения. Среди природных полимерных органических носителей различают полисахаридные, белковые и липидные, а среди синтетических — полиметиленовые, полиамидные и полиэфирные. Использование природных полимеров в качестве носителей для иммобилизации объясняется их доступностью и наличием реакционно-способных функциональных групп, легко вступающих в химические реакции. Наиболее часто для иммобилизации ферментов применяют такие природные полимеры, как целлюлоза, декстран и агар.

В биотехнологии используются и синтетические полимерные носители, например полученные на основе стирола, акриловой кислоты, поливинилового спирта. В качестве неорганических носителей для иммобилизации ферментов применяют материалы из стекла, глины, керамики, силикагеля.

Сочетание уникальных каталитических свойств ферментов с преимуществами их иммобилизации позволило создать в биотехнологии новые промышленные процессы. Большинство из них применяют в пищевой промышленности — например, при производстве глюкозо-фруктозных сиропов, получении диетического безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки, аспарагиновой, уксусной, яблочной кислот и др.

---

Это конспект по биологии для 10-11 классов по теме «Биотехнология и ее направления». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по Биологии.
• Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по биологии

Цитология (греч. cytos — клетка + logos — наука) — наука о строении и жизнедеятельности клетки. На данный момент нам
кажется очевидным, что растения, грибы и животные состоят из клеток, однако раньше об этом и не догадывались.

Цитология начала свой путь развития относительно недавно, в этой статье мы обсудим клеточную теорию и методы,
которые используются в цитологии для изучения клеток (методологию).

Клеточная теория

Создание и развитие клеточной теории стало возможным после изобретения микроскопа в 1590 году голландским мастером по
изготовлению очков — Захарием Янсеном. Первый микроскоп мог увеличивать изучаемый объект до 3-9 раз.

В 1665 году Роберт Гук, используя микроскоп собственного изобретения, смог различить ячеистые структуры пробки ветки
бузины. Эти ячеистые структуры напомнили Роберту Гуку монашеские кельи, он ввел термин клетка (от лат. сеllа — комната, келья).

На самом деле Роберт Гук увидел не живые клетки, как он предполагал, а оставшиеся от них плотные клеточные стенки, которые и представляли собой ячеистую структуру.

В 70-х годах XVII века нидерландский натуралист Антони ван Левенгук открыл целый мир, невидимый невооруженным глазом. Он
увидел в микроскопе простейшие организмы: инфузорий, сперматозоидов, а также дрожжи, бактерии, эпидермис кожи.

В течение 50 лет он отсылал результаты своих наблюдений в Лондонское королевское общество. Поначалу они были встречены со скептицизмом,
но когда комиссия ученых лично во всем убедилась и подтвердила подлинность его исследований, Антони ван Левенгук был избран
действительным членом Лондонского королевского общества.

В последующее время было много описаний самых разных клеток, однако обобщить накопленный материал оказалось не легкой
задачей. С ней в 1839-1840 годах справились немецкий ботаник Маттиас Шлейден и немецкий зоолог Теодор Шванн.

Изучая строение растений и животных, Шлейден и Шванн независимо друг от друга пришли к одному и тому же выводу: все
организмы, как растительные, так и животные, состоят из клеток, сходных по строению. Они постулировали, что все живое
состоит из клеток. В 1839-1840 годах возникла клеточная теория Шлейдена и Шванна, основные положения которой:

• Все организмы состоят из клеток
• Клетка — мельчайшая структурная единица жизни
• Образование новых клеток — основополагающий способ роста и развития растений и животных
• Организм представляет собой сумму образующих его клеток

Допустили ли Шлейден и Шванн ошибки? Да, они были. Ошибочно предположение о том, что клетка может образоваться из
неклеточного вещества.

Важное дополнение в 1855 в клеточную теорию внес Рудольф Вирхов, который утверждал, что любая клетка
может образоваться только путем деления материнской клетки.

Какие же положения включает в себя современная клеточная теория? Приступим к их изучению:

• Клетка является структурной, функциональной и генетической единицей живого
• Клетки растений и животных сходны между собой по строению и химическому составу
• Клетка образуется только путем деления материнской клетки
• Клетки у всех организмов окружены мембраной (имеют мембранное строение)
• Ядро клетки — ее главный регуляторный органоид
• Клеточное строение растений, животных и грибов свидетельствует о едином происхождении всего живого
• В многоклеточном организме клетки подразделяются (дифференцируются) по строению и функции. Они объединяются в
  ткани, органы и системы органов.
• Клетка — элементарная, открытая и живая система, способная к самообновлению, воспроизведению и саморегуляции

XX век несомненно стал веком биологических наук: цитологии, генетики. Это произошло во многом благодаря клеточной
теории.

Я хочу поделиться с вами моим искренним восхищением новой жизни. Вдумайтесь — мы ведь когда-то с вами были всего
одной единственной клеткой, зиготой! Как в одной клетке природе удалось уместить столько всего: кожу, мышцы, нервную
систему, пищеварительный тракт? Мы приоткроем завесу этой тайну в статьях по генетике и эмбриологии, и, тем не менее, мое
восхищение этим безгранично.

Наши клетки рождаются и умирают: эпителий кишечника обновляется каждые 5 дней полностью,
при удалении 70% печени оставшиеся клетки способны восстановить всю структуру этого органа, каждые 30 дней мы получаем новую кожу.
При этом наше сознание и память остаются с нами. Мы — чудо, настоящее чудо природы, созданное из одной единственной клетки.

Микроскопия

Микроскопия — важнейший метод цитологии, в ходе которого объекты рассматриваются при помощи микроскопа. Его оптическая система состоит
из двух основных элементов: объектива и окуляра, закрепленных в тубусе. Микропрепарат (срез тканей) располагается
на предметном столике, расстояние от которого до объектива регулируется с помощью винта (винтов).

Чтобы посчитать увеличительную способность микроскопа следует умножить увеличение окуляра на увеличение объектива. К примеру,
если окуляр увеличивает объект в 20 раз, а объектив — в 10, то суммарное увеличение будет в 200 раз.

Некоторое внимание уделим направлениям в биологии, которые необходимо знать на современном этапе технического прогресса.

Биоинженерия

Биоинженерия — направление науки и техники, развивающее применение инженерных принципов в биологии и медицине. В рамках
биоинженерии происходят попытки (и довольно успешные) выращивания тканей и создание искусственных органов, протезов.

То есть биоинженерия занимается преимущественно технической частью. Медицинское направление в биоинженерии ищет замену
органам и тканям человека, которые утратили свою функциональную активность и требуют «замены».

Биотехнология

Биотехнология — направление биологии, изучающее возможность применения живых организмов или продуктов их жизнедеятельности
для решения технологических задач. В биотехнологии путем генной инженерии создают организмы с заданным набором свойств.

В рамках биотехнологии происходит получение антибиотиков — продуктов жизнедеятельности бактерий, очищение водоемов с помощью моллюсков, увеличение плодородия почвы с помощью дождевых червей, клонирование организмов.

Это разительно отличается от задач биоинженерии, хотя безусловно, эти дисциплины смежные. Все-таки в биотехнологии происходит большее вторжение в живой мир, по сути человек выступает эксплуататором, достигая с помощью животных, растений и грибов своих целей.
Человек проводит искусственный отбор, отделяя особей, которые продолжат род, от других, «менее перспективных».

В рамках биотехнологии выделяются следующие направления:

• Генная инженерия

Представляет собой совокупность методов и технологий, которые приводят к получению рекомбинантных РНК и ДНК,
выделению генов из клеток и внедрения их в другие организмы.

Изменив молекулу ДНК или РНК, человек добивается своей цели: клетка начинает синтезировать с нее белок. Он то и нужен человеку,
такие продукты жизнедеятельности активно используются в медицине, к примеру, при изготовлении антибиотиков.

В ходе генной инженерии был получены:

• Сорт кукурузы, устойчивый к действию насекомых-вредителей
• Бактерии, продуктом жизнедеятельности которых является человеческий инсулин, используемый в дальнейшем как лекарство
• Культура клеток, вырабатывающих гормон человека — эритропоэтин, также используемый в лечебных целях



• Клеточная инженерия

Представляет собой совокупность методов и технологий, используемых для конструирования новых клеток. В основе лежит
идея культивирования клеток тканей вне организма.

С помощью клеточной инженерии возможно бесполое размножение ценных форм растений. Часто получаются, так называемые,
гибридные клетки, которые сочетают свойства, к примеру, раковых клеток и лимфоцитов, в результате становится возможно
быстрое получение антител.

Выведением
новых и совершенствованием существующих сортов растений, пород животных и
штаммов микроорганизмов с необходимыми человеку свойствами занимается наука селекция.

Селекция
микроорганизмов, в отличие от селекции растений и животных, имеет ряд
особенностей: гаплоидный геном бактерии, позволяет выявить любые мутации уже в
первом поколении. А также высокая интенсивность размножения даёт возможность
найти полезную мутацию по интересующему исследователя гену.

Селекция
микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основана на экспериментальном
мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов, генетически идентичных
клеток ― клонов.

После
выделения из дикого штамма микроорганизмов, обладающих полезными свойствами,
проводится отбор наиболее продуктивных штаммов среди них.

Следующий
этап, как правило, — применение искусственного мутагенеза, позволяющего усилить
появление различных мутаций. В качестве мутагенов используются ионизирующие
излучения, некоторые химические вещества, а также ультрафиолетовое излучение,
обладающее хотя и низкой проникающей способностью, но достаточной для появления
мутаций у микроорганизмов.  

Для
получения культуры микроорганизмов-мутантов с нужными качествами
учёными-селекционерами разработаны специальные методы отбора. Отобранный
клон подвергается многократному пересеву на питательную среду с контролем на
образование требуемого продукта. Цель такого многократного клонирования ―
получение наиболее однородной популяции клеток. После получения продуктивных
штаммов приступают к их размножению. 

Использование
данной технологии позволило селекционерам получить штаммы, продуктивность
которых в сотни и тысячи раз выше по сравнению с исходными штаммами
микроорганизмов, взятыми из природы.

Например,
в результате искусственного мутагенеза, а затем отбора по продуктивности был
выделен штамм гриба пеницилла, способный продуцировать в 1000 раз больше
пенициллина.

Селекция
микроорганизмов является важнейшим направлением в биотехнологии.

Биотехнология
— это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и
продуктов с использованием природных биологических объектов
(микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных
мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов.

Наукой
биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского учёного,
основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера.

В
конце XIX в. благодаря его трудам было установлено, что процессы брожения
осуществляют микроорганизмы.

В
70-е годы появился и активно развивался биоинженеринг, представленный
двумя основными направлениями: генной и клеточной инженерией.
   

Напомним,
что генная инженерия — это целенаправленный перенос нужных генов
(рекомбинантных ДНК) от одного вида живых организмов в другой, часто очень
далёких по своему происхождению.

Приёмы
генной инженерии позволяют выделять необходимый ген и вводить его в новое
генетическое оружие с целью создания организма с новыми, заранее
предопределёнными признаками.

Генная
инженерия направлена на конструирование новых, не существующих в природе
сочетаний генов.

После
проведения определённых манипуляций с этими генами осуществляется их введение в
другие организмы (бактерии и дрожжи, например), которые, получив новый ген
(гены), будут способны синтезировать конечные продукты с изменёнными в нужном
человеку направлении свойствами.

Иными
словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые)
качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так
называемых трансгенных (генетически изменённых), растений и животных.

В
наши дни при помощи методов генной-инженерии учёные создают: растения-вакцины,
растения-биореакторы для производства промышленных продуктов, растения —
фабрики лекарств и т. д.

Генно-инженерные
работы в животноводстве имеют другую задачу. Вполне достижимой целью при современном
уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым
геном. Что это значит?

Например,
ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормон инсулин)
искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать его в
больших количествах.

Ранее
инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных. Например, для
получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800─1000 кг
поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200─250 грамм. Это
делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978
году исследователи из фармацевтической компании «Генентек» впервые
получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки.

Получение
трансгенных животных осуществляется с помощью переноса
клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворённых яйцеклеток (зигот). Затем в
репродуктивные органы реципиентной самки пересаживают модифицированные зиготы
или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро
эмбриональных клеток.

Клеточная
инженерия основана на культивировании отдельных
клеток или тканей на искусственных питательных средах.

Такие
клеточные культуры используются для синтеза ценных веществ, необходимых
человеку, например лекарств, а также для получения клеточных гибридов.

Предпосылкой
к развитию клеточной инженерии стала клеточная технология. Её
методы позволяют выращивать отдельные соматические клетки (то есть не половые
клетки) на питательных средах.

Любой
биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его
культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование полученных
продуктов.

Микроклональное
размножение растений (вегетативное размножение растений) проводится в
стерильных условиях.

Кусочек
растения (стебля, корня, листа) помещают на питательную среду.

Питательная
среда представляет собой субстрат желатиноподобной структуры, который содержит
все вещества, необходимые для удовлетворения пищевых и энергетических
потребностей культивируемых микроорганизмов и других биологических объектов.

Далее
чашки с растительными кусочками помещают в специальные условия с необходимым
световым и температурным режимом. Через несколько дней на месте среза
образуется тканевой наплыв, называемый каллусом.
Кусочек такой ткани можно перенести на свежую питательную среду,
где сформируется растение.

В
основе этого метода лежит уникальная способность растительной клетки путём
деления дать начало любому клеточному типу организма.

Таким
образом, вегетативное размножение на искусственных питательных средах позволяет
почти бесконечно размножать одно растение из маленьких кусочков вегетативных
органов. Такой метод размножения применяется для овощных, плодовых и
декоративных культур.

Также
при помощи этого метода можно получать сорта и виды растений, которые трудно
размножаются обычным способом. В результате сохраняется генофонд и создаётся
коллекция в условиях инвитро (то есть в пробирке).

Несколько
клеток (эксплант) помещают на питательную среду, на которой в результате
митотического деления клеток образуется однородная неспециализированная
клеточная маса. При ее разделении и добавлении необходимых растительных
гормонов обеспечивается дифференцировка клеток и рост, так получают растение
идентичное родительскому.

Затем
культуральный сосуд с растительными эксплантами помещают в термостат, где
созданы определённые температурные условия.

После
выведения растения в стерильных условиях его переносят для адаптации в
нестерильные условия, где растение постепенно привыкает к естественным
природным условиям.

Таким
образом, при помощи клеточной инженерии можно получать безвирусные,
оздоровлённые, генетически идентичные исходному материалу посадочные материалы,
которые не только внешне похожи на исходный материал, но и имеют абсолютно
одинаковую генетическую информацию.

Клеточная
инженерия позволяет в больших количествах выращивать растения, которые растут
только в определённых климатических условиях. Например, женьшень
— многолетнее лекарственное растение, которое растёт очень медленно, причём
только в особых условиях. Прирост корня составляет всего несколько граммов в
год. На фармацевтических заводах в специальных сосудах за 21 день получают до
100 г биомассы женьшеня на литр питательной среды.

Сборщики
женьшеня ежегодно заготавливают около 250 кг корней, а микробиологическая
промышленность вырабатывает свыше 5 т массы клеток.

Биотехнологические
методы применяют также и в экологии. Установлено, что микроорганизмы способны к
биодеградации (разрушению) углеводородов. Тем самым они очищают почву и воду от
загрязнения нефтепродуктами. 

В
колбе слева вы видите слой нефти на поверхности воды. В колбе справа находятся
бактерии, которые уже начали разрушать нефть.

Бактерии
также используют для очистки городских водоёмов и сточных вод.

Биотехнология
позволяет получать экологически чистые виды топлива путём биопереработки
отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. Например, созданы
установки, в которых используются бактерии для переработки навоза и других
органических отходов в биогаз. Из 1 т навоза получают до 500 м3 биогаза, что
эквивалентно 350 л бензина, при этом качество навоза как удобрения улучшается.

Учёные
обнаружили, что бактерии, помещённые в специальные условия, во время очистки
ила начинают генерировать электричество.

В
колбе объёмом 10 миллилитров бактерии генерируют 0,7 вольт. То есть бактерии
способны не только к очищению, но и к выделению электричества.

Главным
объектом биотехнологического процесса является клетка. В ней ежеминутно
синтезируются сотни сложнейших соединений. Основа современного
биотехнологического производства — это синтез различных веществ с помощью
клеток микроорганизмов (бактерий, водорослей, дрожжей). Однако
клетки высших растений и животных ещё не нашли широкого применения ввиду их
высокой требовательности к условиям культивирования.

В
производстве кормового белка используются особые штаммы грибов-дрожжей.
В специальных аппаратах-биореакторах — они сбраживают растительное сырье,
главным образом солому, являющуюся отходом растениеводства.

С
1 кубометра биореактора за сутки получают 30 кг белка, что эквивалентно
суточному приросту биомассы стада из 100 коров.

Этот
белок затем используется как ценная питательная добавка в корма с/х животных.

Так,
1 т кормовых дрожжей позволяет сэкономить 5─7 т зерна. Это имеет большое
значение, поскольку 80 % площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводится
для производства корма скоту и птице.

Биотехнология
изучает возможность использования живых организмов, их систем или продуктов их
жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности
создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

9. Основные методы селекции и биотехнологии	На экране Текст «Основные методы селекции и биотехнологии»
Селекция – это наука о методах создания новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов, с необходимыми человеку свойствами.	Текст «Селекция – это наука о методах создания новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов, с необходимыми человеку свойствами»
Сорт, порода, штамм – это популяция организмов, соответственно растений, животных, микроорганизмов, которая искусственно выведена человеком, характеризующаяся конкретным генофондом, в котором передаются по наследству определенные морфологические и физиологические признаки с необходимым уровнем и спецификой продуктивности.	Текст «Сорт, порода, штамм – это популяция организмов, соответственно растений, животных, микроорганизмов, которая искусственно выведена человеком, характеризующаяся конкретным генофондом, в котором передаются по наследству определенные морфологические и физиологические признаки с необходимым уровнем и спецификой продуктивности»
Основные задачи селекции: исследование многообразия растений, животных и микроорганизмов, которые относятся к объектам селекции; повышение продуктивности пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов; проведение анализа характера наследственной изменчивости при проведении гибридизации и мутационного процесса; изучение действия среды на развитие признаков и свойств организмов; выведение сортов растений и пород животных, которые устойчивы к заболеваниям и действию абиотических факторов; усовершенствование методов искусственного отбора с целью усиления и закрепления необходимых для человека признаков у организмов с различными типами размножения; выведение организмов пригодных для использования в промышленности, которые можно легко выращивать, разводить и убирать.	Текст «Основные задачи селекции: исследование многообразия растений, животных и микроорганизмов, которые относятся к объектам селекции; повышение продуктивности пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов; проведение анализа характера наследственной изменчивости при проведении гибридизации и мутационного процесса; изучение действия среды на развитие признаков и свойств организмов; выведение сортов растений и пород животных, которые устойчивы к заболеваниям и действию абиотических факторов; усовершенствование методов искусственного отбора с целью усиления и закрепления необходимых для человека признаков у организмов с различными типами размножения; выведение организмов пригодных для использования в промышленности, которые можно легко выращивать, разводить и убирать»
Селекция берет свое начало со времен перехода людей к земледелию и скотоводству. Уже тогда человек осуществлял бессознательный отбор лучших растений и животных. Однако полноправное становление селекции как науки произошло только с развитием генетики, которая на данный момент и является ее теоретической основой. Кроме генетики селекция связана с теорией эволюции, молекулярной биологией, биохимией и рядом других биологических дисциплин. Используя достижения других наук, селекция совершенствует свои методы. Основой селекции как науки является искусственный отбор, концепция которого была разработана гением научной мысли Ч. Дарвином.	Текст «Теоретической основой селекции является генетика»
К традиционным методам селекции относятся отбор, гибридизация и мутагенез. С развитием генетики появились принципиально новые методы – клеточная и генная инженерия, которые легли в основу нового направления в биологии – биотехнологии.	Схема «Методы селекции» Методы селекции отбор гибридизация мутагенез клеточная инженерия генная инженерия
Биотехнология подразумевает использование в промышленности биологических процессов и систем на основе получения особых форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с определенными заранее заданными  признаками.	Текст «Биотехнология подразумевает использование в промышленности биологических процессов и систем на основе получения особых форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с определенными заранее заданными  признаками»
Методический отбор как метод селекции предполагает сознательный систематический отбор представителей растений, животных или микроорганизмов с определенными признаками, а также стремление к выведению нового сорта или породы. Выделяют две разновидности искусственного отбора: массовый и индивидуальный. Массовый отбор – это выделение группы особей с желаемыми качествами, потомство которой генетически неоднородно и поэтому для него характерно расщепление по признакам при размножении, в связи с чем отбор проводят в ряде поколений. Индивидуальный отбор – это отбор единичных особей с необходимыми качествами, потомство которых выращивают отдельно от остальных. В результате такого отбора получают чистые линии. Чистая линия – это группа организмов, которая имеет определенные признаки, которые полностью передаются потомству в связи с генетической однородностью всех особей. Чистые линии являются ценным исходным материалом для селекции.	Текст «Методический отбор как метод селекции предполагает сознательный систематический отбор представителей растений, животных или микроорганизмов с определенными признаками, а также стремление к выведению нового сорта или породы» Схема «Разновидности искусственного отбора» Отбор массовый индивидуальный выделение группы особей с желаемыми качествами, потомство которой генетически неоднородно и поэтому для него характерно расщепление по признакам при размножении, в связи, с чем отбор проводят в ряде поколений отбор единичных особей с необходимыми качествами, потомство которых выращивают отдельно от остальных Текст «Чистая линия – это группа организмов, которая имеет определенные признаки, которые полностью передаются потомству в связи с генетической однородностью всех особей»
Увеличить разнообразие генетического исходного материала, от которого зависит эффективность отбора, можно с помощью гибридизации. Различают два вида гибридизации: близкородственную и неродственную. Близкородственная гибридизация позволяет перевести рецессивные гены в гомозиготное состояние. Неродственная гибридизация направлена на объединение в одном организме генов, которые несут ценные признаки разных особей. Инбридинг – близкородственная гибридизация, повышающая степень однородности организмов. При многократном повторении инбридинга может произойти резкое ослабление или даже вырождение потомков. Внутривидовая неродственная гибридизация подразумевает скрещивание особей разных сортов или пород в рамках одного вида. Отдаленная неродственная гибридизация – это скрещивание особей разных видов и родов. Аутбридинг – гибридизация особей разных линий с целью получения гетерозиготных потомков с улучшенными качествами в сравнении с родителями. В случае успеха говорят о проявлении эффекта гетерозиса. Гетерозис – это, так называемая, гибридная сила, суть которого в отсутствии проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии. Эффект гетерозиса широко применяется в сельском хозяйстве для получения высокоурожайных гибридных сортов растений и некоторых пород животных. Однако эффект гетерозиса ослабевает уже со второго поколения.	Текст «Гибридизация – метод селекции для увеличения разнообразия исходного генетического материала» Схема «Разновидности гибридизации» Текст «Гетерозис – это, так называемая, гибридная сила, суть которого в отсутствии проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии»
При проведении отдаленной гибридизации существует ряд сложностей, связанных с некоторой несовместимостью организмов, что требует разработки специальных методов по преодолению той или иной причины несовместимости. Однако часто даже при успешном получении межвидовых или межродовых гибридов дальнейшее разведение невозможно ввиду их бесплодия. В противном случае могут возникнуть новые организмы с нужными качествами по причине четко выраженного эффекта гетерозиса. Примерами успешного действия отдаленной гибридизации являются мулы – гибриды лошади и осла; нары – гибриды одногорбого и двугорбого верблюдов; бестеры – гибриды белуги и стерляди.	Текст «Успешные результаты отдаленной гибридизации»
Мутагенез подразумевает действие на организмы различными мутагенами с целью получения организмов с новыми признаками. Однако результаты мутации непредсказуемы в силу их спонтанности. Поэтому данный метод используется только для поставления материала для дальнейшего отбора.	Текст «Мутагенез — действие на организмы различными мутагенами с целью получения организмов с новыми признаками»
Отбор, гибридизация и мутагенез используют лишь естественные генетические возможности организмов. Выведением организмов с новыми признаками, некоторые из которых не встречаются в природе, занимаются клеточная и генная инженерия. Основой клеточной инженерии является культивирование отдельных клеток и тканей на искусственных питательных средах, которые в дальнейшем можно использовать для синтеза нужных веществ, производства обеззараженного посадочного материала, получения клеточных гибридов. Генная инженерия подразумевает целенаправленный перенос нужных генов от одного вида живых организмов в другой, который зачастую далек по происхождению.	Текст «Клеточная инженерия — культивирование отдельных клеток и тканей на искусственных питательных средах, которые в дальнейшем можно использовать для синтеза нужных веществ, производства обеззараженного посадочного материала, получения клеточных гибридов. Генная инженерия — целенаправленный перенос нужных генов от одного вида живых организмов в другой, который зачастую далек по происхождению»