Микроорганизмы - мельчайшие организмы, различимые только под микроскопом. Среди них представители различных царств органического мира, относящихся как к прокариотам (бактерии и сине-зеленые водоросли), так и эукариотам (микроскопические грибы, микроскопические формы водорослей и протистов). Микроорганизмы - одноклеточные организмы. Они характеризуются высокой скоростью роста и размножения, чрезвычайно разнообразны по биохимическим и физиологическим свойствам, их клетки содержат меньше генов, чем клетки многоклеточных, они являются удобными и важными объектами исследований для решения многих проблем биологии. Велико и разнообразно практическое значение микроорганизмов. Они используются в разных отраслях промышленности, сельском хозяйстве. В пищевой промышленности с деятельностью микроорганизмов связано хлебопечение, виноделие, пивоварение, получение молочнокислых продуктов и спирта. Микроорганизмы используются для очистки сточных вод, образования метана, для выделения меди и урана из бедных руд. В сельском хозяйстве они незаменимы при производстве силоса, производстве кормового белка, в качестве азотфиксаторов, для биологической защиты растений. Многие лекарственные препараты - антибиотики, витамины, гормоны, ферменты, аминокислоты - также получают с помощью микроорганизмов. Так, грибы и бактерии синтезируют антибиотики (пенициллин, стрептомицин, эритромицин и др.); сенная палочка - фермент амилазу; кишечная палочка - аминокислоты; пивные дрожжи - витамины группы В.
Природные популяции микроорганизмов низкопродуктивны. Для повышения их продуктивности используются методы селекции: индуцированный мутагенез и искусственный отбор, что позволяет повысить продуктивность природных популяций микроорганизмов в сотни и тысячи раз.
Этапы селекции микроорганизмов:
1) Выделение из дикой природы популяций микроорганизмов способных синтезировать интересующие селекционера соединения.
2) Индуцирование мутаций (мутации вызывают воздействием мутагенных факторов: ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, химических мутагенов).
3) Отбор по продуктивности (при размножении отбираются наиболее продуктивные штаммы).
Так, сочетая мутагенез и отбор, селекционерам удалось повысить продуктивность штаммов гриба пеницилла, синтезирующего антибиотик пенициллин, более чем в 100 раз.
Биотехнология - это производство продуктов и материалов, необходимых для человека, с помощью живых организмов.
Термин «биотехнология» получил распространение в середине 70-х годов XX в., хотя отдельные отрасли биотехнологии (хлебопечение, виноделие, пивоварение, сыроварение и др.) используются человеком с древних времен. Достижения генетики создали большие дополнительные возможности для развития биотехнологии. Главные направления биотехнологии:
1) Производство микроорганизмами незаменимых аминокислот, гормонов, ферментов, витаминов, антибиотиков, противовирусного белка - интерферона.
2) Расширение использования микроорганизмов в пищевой промышленности.
3) Использование биологических методов для борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязненной почвы и т.д.).
4) Биологическая защита растений от вредителей и болезней (создание трансгенных растений).
5) Промышленный синтез кормовых белков (белок, синтезируемый одноклеточными организмами можно использовать на корм скоту вместо продуктов - зерна, семян бобовых, которые годятся людям).
6) Использование микроорганизмов для добычи ценных металлов из бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны.
Для достижения этих целей в биотехнологии используются следующие современные методы генной и клеточной инженерии.
Генная (генетическая) инженерия — это искусственный перенос нужных человеку генов от одного вида живых организмов в клетки другого вида, т.е. создание организмов с новыми свойствами.
Для этого необходимо:
1. выделить ген из какого-либо организма или искусственно синтезировать его;
2. клонировать (размножить) данный ген;
3. создать специальные генетические структуры (векторы), в составе которых намеченные гены будут внедряться в геном другого вида;
4. перенести и включить генетические векторы в геном другого организма.
С помощью генной инженерии созданы штаммы кишечных палочек, в которые встроены гены человеческого инсулина (необходимого для лечения сахарного диабета), интерферона (противовирусного белка), соматотропина (гормона роста).
Генная инженерия используется в основном на прокариотах, хотя в последнее время начала применяться и на высших эукариотах. Так, во многих странах выращиваются трансгенные растения, устойчивые к насекомым-вредителям (например, созданы сорта трансгенного картофеля, содержащего в своих клетках бактериальный ген который, предотвращает поражение растений личинками колорадского жука).
Первоочередной задачей генной инженерии у человека являются поиск путей генотерапии, то есть замены мутантных генов человека нормальными.
Клеточная инженерия - это метод образования клеток новых типов на основе их культивирования вне организма, гибридизации и клеточной реконструкции.
1) Культура тканей. В настоящее время использование культур растительных клеток и тканей позволяет получать необходимые человеку природные вещества в промышленных количествах. Так, как и целое растение, культура клеток женьшеня синтезирует ценные, широко используемые в медицине, лекарственные препараты. В хирургии при лечении обширных ожогов широко используется для трансплантации эпидермис, выращенный вне организма.
2) Гибридизация клеток. При гибридизации искусственно объединяются различные целые клетки (иногда далеких видов) с образованием гибридных клеток. Полученные гибриды лимфоцитов с опухолевыми клетками способны к синтезу специфичных антител и обладают способностью к длительному выращиванию на искусственных средах. Гибридизация клеток широко используется в селекции растений. Получены гибриды картофеля и томата, яблони и вишни, выращенные из клеток, созданных в результате гибридизации.
3) Клеточная реконструкция. При реконструкции создаются жизнеспособные клетки из фрагментов (ядра, цитоплазмы, хромосом и др.) различных клеток. Прежде всего, используется замена отдельных пар хромосом у растений или добавление новых, что позволяет создавать сорта растений, сочетающие в себе признаки разных сортов или даже разных видов.
Биотехнология активно развивается в последние годы и является одним из ведущих направлений современной биологии. Дальнейший прогресс человечества во многом зависит от развития биотехнологии.