Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №12/2006

Я ИДУ НА УРОК

О.В. ПЕТУНИН,
учитель биологии
СШ № 32, г. Прокопьевск,
Кемеровская обл.

Окончание. См. № 8, 9, 10, 11/2006

Селекция и биотехнология

Для получения наиболее продуктивных форм микроорганизмов широко применяют методы селекции. Путем отбора выделяют расы микроорганизмов, наиболее активно синтезирующие тот или иной используемый человеком продукт (антибиотик, витамин и др.). Микроорганизмам свойственна изменчивость (мутации). Путем их отбора получают наиболее активные расы.

Для получения высокопродуктивных форм микроорганизмов особенно широко используют метод искусственного получения мутаций под действием рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, радиации и некоторых химических соединений. Таким путем удается повысить скорость мутаций микроорганизмов в десятки и сотни раз, что облегчает и ускоряет процесс отбора высокопродуктивных рас. Особенно велики успехи в промышленности антибиотиков. Отечественные ученые (С.И. Алиханян и др.) получили мутантные штаммы микроорганизмов, обеспечивающие в десятки раз более высокий выход антибиотиков, чем исходные культуры.

Селекция находит широкое применение и в отношении микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности. Например, путем селекции выделяют наиболее продуктивные формы дрожжей, повышающие качество хлеба.

2. Биотехнология и ее подразделения

Биотехнология – это приложение биологических процессов и систем в производстве. Она включает в себя:

– микробиологический синтез;
– клеточную и белковую инженерию;
– инженерную энзимологию;
– культивирование клеток растений, животных и бактерий;
– методы слияния (фузии) клеток.

В биотехнологических процессах широко применяют микроорганизмы (бактерии, плесневые грибы, актиномицеты, дрожжи). В ней комплексно используют высшие достижения микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, генной инженерии, инженерных наук.

Исторически биотехнология возникла на основе традиционных микробиологических (большей частью бродильных) процессов, ведь многие подобные «технологии» неосознанно применялись еще в древности при приготовлении вина, пива, хлеба, молочнокислых продуктов. Дальнейшее развитие этих традиционных биопроизводств было связано с успехами в области биохимии и других биологических наук.

3. Биотехнология и медицина

Методы биотехнологии позволяют решить проблему получения многих жизненно важных лекарственных веществ. Рассмотрим некоторые медицинские аспекты применения биотехнологии.

Получение пенициллина. Антибактериальное действие пеницилла (кистевидного плесневого гриба) было открыто в 1929 г. английским микробиологом Александром Флемингом. Флеминг заметил, что возле плесневого гриба не размножаются бактерии, следовательно, плесень выделяла в окружающую среду какое-то «враждебное» бактериям вещество. Флеминг назвал это вещество пенициллином.
С началом Второй мировой войны сразу же возникла острая потребность в лекарственных средствах для борьбы с бактериальными инфекциями при ранениях. В 1941 г. пенициллин был впервые опробован для лечения человека, страдающего от стафилококковой инфекции. Несмотря на наступившее в начале лечения кратковременное улучшение, пациент умер. У врачей было всего 3 г пенициллина. Этого для лечения оказалось недостаточно.
Для получения пенициллина в количестве, достаточном для излечения одного больного, требовалось переработать около 1 000 л «грибного бульона». Надо было найти более активный продуцент, научиться культивировать его в огромных количествах и разработать способ выделения пенициллина и получения его в чистом виде. Эту задачу решили в 1943 г. в США: культуру гриба облучали рентгеновскими лучами и отбирали наилучших продуцентов. После повторения такой процедуры более 20 раз был получен подходящий штамм продуцента. И в настоящее время продолжают отбирать наиболее перспективные штаммы этого гриба. Продуктивность лучших из них составляет около 50 г пенициллина на 1 л питательного раствора.

Получение других антибиотиков. Когда пенициллин начал свое победное шествие по миру, то поначалу казалось, что найдено средство против всех бактерий на свете. Но вскоре выяснилось, что для некоторых бактерий пенициллин безвреден. К таким бактериям относится и возбудитель туберкулеза – микобактерия.
Однако уже в 1941 г. американский микробиолог З.Ваксман выделил из почвы микроорганизмы стрептомицеты (они обусловливают запах, который исходит от земли). Эти организмы продуцируют вещество стрептомицин – чрезвычайно активный антибиотик, действующий в том числе и на возбудителя туберкулеза.
Ваксман предложил называть антибиотиками (от греч. анти и биос – против жизни) все вещества, образуемые микроорганизмами и способные подавлять, повреждать или убивать других микробов. К настоящему времени выявлено около 5 тыс. различных антибиотиков, из которых в медицине применяется лишь около 100.

Производство инсулина. Инсулин – белок-гормон, вырабатываемый бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы в организме человека и животных. Он регулирует содержание сахара в крови. При недостатке инсулина наблюдается заболевание – сахарный диабет. Инсулин для лечебных целей обычно получают из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота. Однако не каждый больной сахарным диабетом может переносить животный инсулин.
Для решения проблемы получения «человеческого» инсулина учеными была выдвинута идея: в ДНК бактерий следует каким-либо образом ввести фрагмент ДНК с геном человеческого инсулина, т.е. бактерии нужно «подложить кукушкино яйцо». Работы с применением методов генной инженерии велись с кишечной палочкой (бактерия E.coli) на протяжении десятилетий и были закончены к 1978 г. Теперь бактерии стали продуцировать инсулин человека, апробация которого дала прекрасные результаты.

Производство интерферона – лечебного средства против вирусов. Интерфероны – это группа белков, которые при контакте с неповрежденными клетками вызывают в них устойчивость к вирусной инфекции. Среди них выделяют: a-, или лейкоцитарные, b-, или фибробластные и g-, или иммунные, интерфероны. Антибиотики против вирусов недейственны. Методами генной инженерии почти одновременно к 1979 г. три группы ученых (из Цюрихского университета под руководством Ч.Вейсмана, Токийского Института рака под руководством Т.Танигучи и американские исследователи под руководством Дж.Геддела) «научили» бактерии (вновь использовалась кишечная палочка) синтезировать человеческий интерферон. В настоящее время интерферон применяется повсеместно во всем мире. Он эффективен против возбудителей бешенства, гепатита, ринитов и других вирусных болезней.
Таким образом, на основе методов генной инженерии, отбора и культивирования удается получить штаммы микроорганизмов, производящие важные лекарственные вещества.

4. Фузия клеток и ее применение в биотехнологии

Фузия клеток означает их слияние. Допустим, что один бактериальный штамм хорошо растет «на сахаре», но плохо продуцирует желаемое вещество, а другой, напротив, плохо растет, но продуцирует большое количество нужного вещества. Заманчиво «сконструировать» из них штамм, который бы совмещал и то и другое (бактерии размножаются простым делением, у них нет полового размножения и присущих эукариотам источников комбинативной изменчивости). В этой ситуации на помощь приходит фузия клеток.

Рассмотрим порядок действий при осуществлении фузии:

– специальными ферментами разрушают клеточные стенки бактериальных клеток;
– клетки обоих штаммов смешивают, при этом образуется гибридная клетка – гибридома, которая синтезирует общую прочную клеточную оболочку;
– отбирают и размножают гибридные клетки с наилучшими признаками.

Фузия клеток используется не только в работе с микроорганизмами. Так, она применяется для слияния клеток человека, способных продуцировать антитела, но почти не размножающихся на искусственных питательных средах, с интенсивно растущими раковыми клетками. В результате возникают хорошо растущие клетки, продуцирующие антитела. Слияние клеток картофеля и томата привело к созданию гибридного организма, названного томофелем. Это растение дает на корнях картофельные клубни, а в надземной части – плоды томата.

На ученых, работающих над созданием генетически модифицированных организмов, лежит большая ответственность, т.к. существует потенциальная возможность создания опасных микроорганизмов.

II. Домашнее задание

1. Изучить параграф учебника (селекция микроорганизмов, биотехнология).

2. Подготовиться к терминологическому диктанту, повторив определения следующих понятий: аллополиплоид, антибиотики, аутбридинг, беккроссы, бестер, биологически отдаленная гибридизация, биотехнология, географически отдаленная гибридизация, гетерозис, доместикация, инбредная депрессия, инбридинг, индивидуальный отбор, интерферон, искусственный отбор, криохранение, массовый отбор, ментора метод, межлинейное скрещивание, порода, простое скрещивание, разведение «в себе», районирование сортов, рафанобрассика, сложное скрещивание, сорт, томофель, тритикале, фузия клеток, хонорик, церападус, штамм, чистая линия.

3. Повторить материал раздела «Селекция и биотехнология», приготовиться к обобщению знаний раздела.

4. Начать подготовку к зачету и контрольной работе по разделу «Селекция и биотехнология» (продиктовать вопросы зачета).

Урок 12. Обобщение знаний раздела «Селекция и биотехнология»

Оборудование: таблицы по общей биологии.

ХОД УРОКА

I. Обобщение знаний раздела

А. Решение биологических задач и ответы на вопросы (индивидуально) с последующими проверкой и обсуждением

1. Кроликов с длинной ангорской шерстью (ген b, обусловливает рецессивный признак) и стоячими ушами (ген S – доминантный признак) скрестили с гладкошерстными (ген B – доминантный признак) и вислоухим (ген s – рецессивный признак). Каково будет потомство по фенотипу и генотипу в F1 и F2?

2. При самоопылении у кукурузы через 15 поколений урожайность снизилась в 2,5 раза, а высота стебля – почти на 1 м по сравнению с исходной формой. В чем причина этого явления?

3. На засеянном поле пшеницы растения, растущие в середине поля, имеют стебли более низкие, а по краю более высокие. Как вы это можете объяснить?

4. Какова последовательность действий селекционера при выведении сортов путем межлинейной гибридизации?

5. Почему, используя только один метод отдаленной гибридизации, часто не удается получить новый сорт?

6. Какую важную закономерность доминирования признаков у гибридов установил И.В. Мичурин? Приведите примеры. Каково значение этой закономерности для селекции?

7. Ознакомьтесь с содержанием закона природы: «Энергия роста и размножения живых организмов и образуемая ими масса живого вещества обратно пропорциональны их величине». Дайте ему обоснование, исходя из того, что продолжительность выращивания крупного рогатого скота 400–480 дней, свиней – 180–220, цыплят – 45–60 дней. Кто из указанных представителей домашних животных обладает наиболее высокой производительностью?

8. Какие антибиотики вам известны? Благодаря чему они эффективны при лечении многих болезней? От каких болезней антибиотики не помогают и почему? Почему врачи используют так много разных антибиотиков, а не обходятся самым дешевым из них?

9. Среди персонажей мифов и сказок много животных и растений. А принимают ли участие в описываемых там событиях микроорганизмы? Если «да» – то какие, и в каких произведениях? Если «нет», то почему?

10. Для промышленного производства пенициллина в последние 20 лет применяется новый штамм плесневого гриба пеницилла, антибактериальная активность которого в сотни раз выше активности исходного дикого штамма. Какими методами селекции, по вашему мнению, удалось получить такую расу?

Б. Терминологический диктант

Учитель по вариантам диктует термины, а учащиеся дают им определение в тетради.

Вариант 1

1. Простое скрещивание.
2. Биологически отдаленная гибридизация.
3. Порода животных.
4. Инбредная депрессия.
5. Массовый отбор.
6. Тритикале.
7. Районирование сортов.
8. Аллополиплоид.
9. Церападус.
10. Селекция.
11. Беккроссы.
12. Аутбридинг.
13. Бестер.
14. Криохранение.
15. Биотехнология.

Вариант 2

1. Инбридинг.
2. Доместикация.
3. Сложное скрещивание.
4. Межлинейное скрещивание.
5. Гетерозис.
6. Искусственный отбор.
7. Сорт растений.
8. Рафанобрассика.
9. Интерферон.
10. Географически отдаленная гибридизация.
11. Индивидуальный отбор.
12. Метод ментора.
13. Хонорик.
14. Разведение «в себе».
15. Штамм.

II. Домашнее задание

Продолжить подготовку к зачету и контрольной работе по разделу «Селекция и биотехнология».

Урок 13. Зачетный урок по разделу «Селекция и биотехнология»

ХОД УРОКА

I. Проведение устного зачета по вопросам

1. Предмет и задачи селекции. Определение понятий «сорт», «порода», «штамм».

2. Центры происхождения культурных растений.

3. Происхождение домашних животных и центры доместикации.

4. Ч.Дарвин о причинах многообразия пород домашних животных и сортов культурных растений.

5. Искусственный отбор и его формы. Творческая роль искусственного отбора.

6. Особенности биологии растений, животных и микроорганизмов, учитываемые в селекции.

7. Виды скрещиваний, используемые в селекции растений.

8. Гетерозис и его генетические основы.

9. Преодоление бесплодия межвидовых растительных гибридов по методу Г.Д. Карпеченко.

10. Искусственный отбор в селекции растений.

11. Индуцированный мутагенез, полиплоидия и их использование в селекции растений.

12. Методы селекционной работы И.В. Мичурина.

13. Достижения селекции растений.

14. Типы скрещиваний и методы разведения, применяемые в животноводстве.

15. Метод анализа хозяйственно-ценных производителей по потомству.

16. Особенности отбора в селекции животных.

17. Достижения селекции животных.

18. Основные методы селекции микроорганизмов.

19. Биотехнология, ее подразделения и значение.

20. Достижения современной биотехнологии.

II. Домашнее задание

Продолжить подготовку к контрольной работе по разделу «Селекция и биотехнология».

Урок 14. Контрольный урок по разделу «Селекция и биотехнология»

ХОД УРОКА

I. Проведение письменной контрольной работы

Вариант 1

1. Почему при вегетативном размножении не наблюдается расщепление признаков в потомстве гибридов?

2. Из большого числа видов животных, обитающих на Земле, человек отобрал для одомашнивания сравнительно немного видов. Чем это можно объяснить?

3. Найдены микроорганизмы, которые прекрасно живут в среде, содержащей нефтепродукты. Питаясь парафиновыми углеводородами и неорганическими соединениями азота и фосфора, они образуют большую массу клеток с большим содержанием белка. Такой микробный белок по составу близок к животному белку и вполне пригоден в качестве корма для животных. Кроме того он достаточно дешев. Какими методами селекции могли вывести новые, более продуктивные штаммы этих «углеводородных» микробов?

4. От скрещивания двух сортов земляники, один из которых имеет усы и красные ягоды, а у второго ягоды белые и усы отсутствуют, растения F1 имеют усы и розовые ягоды. Можно ли вывести безусый сорт с розовыми ягодами?

Вариант 2

1. Какими путями можно, изменяя внешние условия, повлиять на характер доминирования признака?

2. Гетерозис в последующих поколениях обычно не сохраняется, затухает. Почему это происходит?

3. При добавке в корм аминокислоты лизина при выращивании цыплят и поросят (лизина мало в растительной пище) их масса увеличивается. Для промышленного производства лизина получен новый штамм бактерии (микрококкус глутамикус), выделяющий в сотни раз больше лизина, чем исходная (дикая) культура бактерии. Какими методами селекции мог быть получен такой штамм? Каково значение лизина и других аминокислот в организме?

4. При скрещивании белой хохлатой курицы с черным без хохла петухом цыплята хохлатые и имеют пестрое (белое с черными крапинками) оперение. Определите расщепление в F2.

 

Рейтинг@Mail.ru