Реферат на тему Мутационная изменчивость микроорганизмов производителей антибиотиков

ЗАПОРОЖСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат

Мутационная изменчивость микроорганизмов производителей антибиотиков

Подготовил студент

Снижко Евгений

Запорожье

2010


План

Введение

1. Способы увеличения продуктивности штаммов

1.1 Мутагенез и отбор

1.2. Гибридизация путем скрещивания

1.3 Конъюгация у бактерий

1.4 Системы скрещивания у грибов

2. Мутагенез и методы выделения мутантов

Вывод

Литература


Введение

Разнообразные антибиотики синтезируются множеством самых разных микроорганизмов, однако таксономическое распределение штаммов-продуцентов не является ни непрерывным, ни случайным. Примерно 80% известных антибиотиков синтезируется штаммами, принадлежащими только к одному порядку бактерий актиномицетам, причем главным образом к одному из родов этого порядка Streptomyces. Очень редко образуют антибиотики представители эубактерии; исключение составляют лишь некоторые спорогенные бациллы, продуцирующие полипептидные антибиотики определенного класса. Антибиотики синтезируются многими грибами, но их структура менее разнообразна, чем структура антибиотиков, образуемых актиномицетами.

Способность к синтезу антибиотиков не является строго видоспецифичным признаком. Один и тот же антибиотик может образовываться организмами, относящимися к разным видам, родам и даже порядкам. Справедливо и обратное: штаммы, относящиеся к одному виду, могут синтезировать разные антибиотики. Однако, как правило, чем дальше отстоят друг от друга организмы в таксономическом отношении, тем меньше вероятность, что они образуют один и тот же антибиотик.

При оптимизации любого промышленного процесса, протекающего с участием живых организмов, основные усилия бывают направлены на улучшение их генетически обусловленных свойств. Традиционно для повышения продуктивности штаммов использовали мутагенез с последующим скринингом и отбором подходящих вариантов. В допастеровский период отбор при проведении наиболее древних процессов ферментации (например, в пивоварении или сыроделии) осуществлялся, очевидно, бессознательно. В последнее время для объединения желаемых свойств разных штаммов в одном организме стали использовать гибридизацию.

Необходимой предпосылкой создания более продуктивных штаммов путем отбора мутантов и рекомбинации является глубокое знание биохимии и физиологии процесса ферментации. Нам нужна также информация о том, какие стадии метаболизма являются лимитирующими, каковы термодинамические пределы повышения выхода продукта. Обычно эффективность процесса удается поднять, используя приемы как физиологии, так и генетики: при этом возможности двух наук дополняют друг друга, а не противопоставляются.


1. Способы увеличения продуктивности штаммов

1.1 Мутагенез и отбор

В прошлом для увеличения продуктивности штаммов обычно использовали мутагенез и отбор: именно таким путем удалось повысить выход антибиотиков, синтезируемых грибами и актиномицетами. Было последовательно отобрано свыше двадцати штаммов, продуцирующих все больше пенициллина, и, в конечном счете, продуктивность увеличилась в 55 раз. Как в этом случае, так и во многих других прямого отбора не происходило, поскольку не удавалось создать условия, при которых росли бы только искомые штаммы. Вместо этого пришлось применять метод скрининга: клетки, выжившие после воздействия больших доз мутагенов, размножали в колбах на качалках, после чего в фильтратах культуральной среды определяли количество антибиотика.

Скрининг требует много времени и напряженного труда. Часто штаммы, для которых был получен большой выход при выращивании в колбах, оказывались непродуктивными в условиях роста в ферментере большого объема. Нередко успеху способствовало знание секретов мастерства: так, оказывается, что большая продуктивность обычно свойственна особым морфологическим вариантам.

Скрининг с использованием чашек с агаром вместо колб на качалках позволяет обследовать гораздо больше мутантов. Образование антибиотиков или метаболитов нередко оценивается методом биопроб, когда в агар вводят индикаторные организмы. Разработаны устройства для автоматического скрининга чашек. В них используются механические приспособления для инокуляции и производится периодическое фотографирование и последующий компьютерный анализ изображений. Можно создать особые условия, при которых мутанты с нужными свойствами не растут. В этом случае применяется так называемый метод обогащения, когда активно растущие клетки дикого типа погибают, а нерастущие мутантные выживают. Так, например, пенициллин или нистатин вызывает гибель растущих клеток бактерий или грибов соответственно. При работе с грибами недостаток в среде инозитола приводит к автолизу растущих, но не покоящихся клеток.

Наиболее подходящим способом является, конечно, прямой отбор, когда создаются условия для роста только мутантных клеток. Этот подход применялся для выделения штаммов сверхпродуцентов некоторых метаболитов, например аминокислот или цитрата. Обработанную мутагеном культуру выращивают в присутствии ингибитора (например, аналога аминокислоты), в результате чего отбираются мутанты, преодолевающие нарушение обмена за счет образования избытка желаемого соединения.

Отбор на чашках с агаром основан на том, что часть организмов отвечает на воздействие по принципу все или ничего. Колонии мутантов растут, а диких клеток нет. Однако при получении промышленных штаммов, особенно предназначенных для использования в длительных процессах ферментации, нередко стремятся получить для конкретных условий относительно небольшие различия в скорости роста. В этом случае отбор происходит при непрерывном культивировании. В хемостатах при длительном выращивании культура все время находится в экспоненциальной фазе роста, и это позволяет выделять даже те мутанты, у которых сродство к субстрату, удельная скорость роста или устойчивость к токсическому действию высоких концентраций субстрата или продукта лишь немного превышает исходный уровень.

1.2 Гибридизация путем скрещивания

Наиболее простой путь создания организмов с желаемым комплексом генетически обусловленных признаков это скрещивание штаммов, принадлежащих к противоположным половым типам. Как про-, так и эукариотические микроорганизмы скрещиваются при контакте клеток, и этот процесс используется для получения рекомбинантов.

1.3 Конъюгация у бактерий

У бактерий половой процесс называют конъюгацией. Контакт между двумя клетками осуществляется за счет образования длинного конъюгационного мостика, который служит для переноса ДНК из одной клетки в другую. Способность к формированию мостика закодирована во многих плазмидах (см. далее); по нему они переносят свои гены, а в некоторых случаях и гены клетки-хозяина в клетку-реципиент. Плазмиды, осуществляющие перенос генов клетки-хозяина, обладают, таким образом, способностью к мобилизации хромосом. У Escherichia coli такие F-плазмиды выступают в роли фактора пола. Они способны мобилизовать хромосому не только Е. coli, но и родственных энтеробактерий (Shigella, Klebsiella, Salmonella, Erwinia) и поэтому могут использоваться для переноса генов между бактериями разных родов. Некоторые плазмиды, выделенные из Pseudomonas aeruginosa, еще более неразборчивы. Так, плазмида R68.45 может переносить хромосомные гены между видами Pseudomonas, в том числе и Pseudomonas putida, но кроме этого, обладает способностью к мобилизации хромосом и таких родов, как Rhizobium, Rhodopseudomonas, Azospiril-lum, Agrobacterium и Escherichia.

К числу наиболее широко используемых в промышленности микроорганизмов Относятся разнообразные виды Streptomyces: с их помощью получают более 60% разновидностей применяющихся сегодня антибиотиков. У этих организмов хорошо развиты системы скрещивания, которые обнаружены и у их близких родственников, видов Nocardia (они синтезируют антибиотики рифамицины


1.4 Системы скрещивания у грибов

У грибов существуют разнообразные типы скрещивания, которые используются в генетических исследованиях. Многие грибы-аскомицеты и базидиомицеты обладают сложноорганизованными системами скрещивания, препятствующими самооплодотворению и другими формами инбридинга. Половой процесс контролируется системой несовместимости. У некоторых грибов система несовместимости биполярна; при этом процесс скрещивания контролируется всего одним локусом, который существует в двух альтернативных аллельных формах. У других грибов (например, Schizophyllum commune) система несовместимости тетраполярна. У них тип спаривания определяется двумя генами, каждый из которых имеет множество аллельных форм. Для успешного скрещивания два партнера должны обладать разными аллелями каждого из двух локусов типа спаривания.


2. Мутагенез и методы выделения мутантов

Генетическое изучение микроорганизмов, создавшее фундамент для современной селекции, стало возможным только, когда были разработаны способы выделения клоновых культур, или клонов.

Клон это генетически однородное потомство одной клетки, например колония, возникшая из одной клетки при рассеве культуры на плотной питательной среде. Исследуя свойства такой колонии, можно получить представление и о признаках породившей ее клетки.

Важно отметить, что при последующих пересевах клоновой культуры в результате процесса изменчивости могут появиться варианты, отличающиеся от исходного. И тогда клоновая культура клеток превращается в генетически разнородную клеточную популяцию. Клоновая по происхождению культура, наследственная однородность которой поддерживается отбором по специфическим признакам, называется штаммом. Получение и поддержание высокопродуктивных штаммов основная задача селекционной работы.

Важнейшим методом селекции микроорганизмов является отбор мутантов, т. е. организмов с измененными наследственными признаками, которые появляются в результате мутаций. В самом широком смысле мутацию можно определить как внезапно возникающее наследуемое изменение в генетическом материале клетки. Следует различать мутации цитоплазматические, затрагивающие внехромосомные генетические детерминанты, и ядерные, или хромосомные.

В свою очередь, хромосомные мутации можно разделить на три основных типа: 1) изменение числа хромосом; 2) изменение числа и порядка расположения генов (перестройки хромосом или структурные изменения); 3) изменения индивидуальных генов (внутригенные изменения, или мутации в наиболее узком смысле этого слова) (Ш. Ауэрбах, 1978). В селекции микроорганизмов основное значение имеют последние два типа мутаций.

Хромосомные перестройки включают: выпадения участков хромосомы (делении), удвоения (дупликации) или умножения (амплификации) числа отдельных генов или группы генов, вставки участков хромосом в новые места (транспозиции), обмен участками между хромосомами (транслокации), изменения порядка расположения генов на хромосоме (инверсии). Такие мутации могут вызывать как утрату функций, так и приобретение новых признаков, в частности в связи со слиянием генов, которые могут оказаться под контролем несвойственных им регуляторных элементов. При этом могут появиться гибридные белки, увеличиться (уменьшиться) количество продуктов определенных генов. За исключением амплификации, псе хромосомные перестройки стабильны.

Внутригенные мутации изменяют последовательность оснований ДНК в пределах одного гена. Это могут быть выпадения или вставки одного или нескольких оснований, нарушающие порядок считывания гена в процессе трансляции. В клетках такого типа мутанта синтезируется неактивный белок с измененной последовательностью аминокислот. При транзициях происходит замена какого-либо одного пурина или пиримидина (тимина или цитозина) на другой пурин или пиримидин соответственно. При трансверсиях пуриновые основания заменяются на одно из двух пиримидиновых и, наоборот, пиримидиновое основание на одно из двух пуриновых.

Важной характеристикой мутантов является их способность, к реверсии, т. е. обратному мутированию к исходному фенотипу. Мутанты, которые появляются в результате реверсии, называются ревертантами. При истинных обратных мутациях в ДНК восстанавливается исходная последовательность оснований. Так ревертируют точковые мутации замены оснований, вставки или выпадения одного или нескольких нуклеотидов.

Кроме того, реверсии могут произойти благодаря супрессорным мутациям. При внутригенной супрессии вторая мутация возникает в том же гене, что и первичная мутация, и приводит к более или менее полному восстановлению функции белка. При внегенной супрессии вторая мутация затрагивает другой ген. Так, ошибки кодирования, связанные с нонсенс-мутациями и некоторыми мутациями со сдвигом рамки, могут частично исправляться мутациями в генах, кодирующих РНК Восстановленная активность поврежденного белка при этом обычно не превышает 10 % от исходного уровня.

Когда невозможно провести прямой отбор мутантов, исследуют колонии на индикаторных чашках, применяют тесткультуры микроорганизмов или перепечатывают колонии на различные среды, т. е. используют метод отпечатков, или реплик. Иногда приходится выращивать каждую колонию и определять в культуральной жидкости интересующую активность. Индикаторные чашки дают возможность различать мутанты по цвету колоний и проводить тестирование разнообразных фенотипов в больших популяциях. Такие чашки могут содержать среды с индикатором, выявляющим различие в рН между теми колониями, которые метаболизируют определенные углеводы, и теми, которые не обладают такой способностью. Так, на агаре с трифенилтетразолием колонии, не сбраживающие лактозу, приобретают ярко-красный цвет, а колонии, сбраживающие этот дисахарид, остаются неокрашенными. Используются также специально приготовленные субстраты, распадающиеся с образованием красителя при их гидролизе ферментами, наличие которых тестируется на этих чашках. Иногда вносят субстраты, изменяющие прозрачность сред, и наблюдают образование вокруг колоний мутантов зон просветления.

В 1952 г. Д. Ледерберг и Э. Ледерберг ввели для непрямого отбора мутантов метод отпечатков (рис. 6). Согласно этому методу, чашки Петри засеваются с таким расчетом, чтобы на каждой из них выросло 50200 колоний. Стерильный бархат или фильтровальную бумагу натягивают на металлический или деревянный цилиндр и закрепляют металлическим кольцом. Чашки с выросшими колониями переворачивают и прикладывают к бархату. Затем к этому же бархату (с отпечатками колоний на нем) прикладывают чистые чашки с различными средами. После соответствующей инкубации на них образуются колонии в том же расположении, что и на исходной (матричной) чашке. Если матричная чашка содержала полноценную среду, то отпечатками на минимальные среды можно выявить ауксотрофные мутанты. Различные модификации этого метода широко используются для выделения мутантов с питательными потребностями, а также мутантов, чувствительных к различным физическим, химическим и биологическим агентам (температура, антибиотики, фаги и др.).

Получение ауксотрофных мутантов с помощью метода отпечатков может быть облегчено, если обогащать ими популяцию клеток, используя пенициллин или его аналоги. Эти антибиотики убивают только растущие клетки. Например, ауксотрофные по треонину мутанты Е. coli не растут на минимальной среде без треонина. В этих условиях пенициллин будет убивать только прототрофные клетки. Однако полной селекции ауксотрофов эта процедура не обеспечивает.


Иногда приходится проводить несколько циклов обработки пенициллином, попеременно выращивая бактерии в среде с треонином без пенициллина и в минимальной среде без треонина с пенициллином. После одного цикла достигается обогащение желаемыми мутантами в 1000 и даже в 10000 раз. Следовательно, если необходимая мутация возникает спонтанно с частотой 10~7 , то достаточно просмотреть несколько тысяч колоний, выживших после обработки пенициллином, чтобы найти колонию с нужной мутацией.


Вывод

Сегодня в этой области произошли явные перемены: если раньше единственным используемым генетическим методом был отбор улучшенных штаммов, то сегодня предлагаются совсем новые подходы, основанные на технологии рекомбинантных ДНК (генетическая инженерия). С их помощью путем ферментации можно получать новые виды продукции: белки и пептиды человека, антигены вирусов. Надо сказать, что большой интерес к биотехнологии в значительной мере обусловлен именно появлением генетической инженерии. Сейчас широкое применение находят методы модификации генетического материала как in vivo, так и in vitro для разработки новых и модернизации существующих биотехнологических процессов.


Литература

1. Биотехнология Принципы и применение Пер с англ. /Под ред. И. Хтгенса, Д.Беста, и Дж.Джонса. М.: Мир, 1988.-480ст.

2. Экологическая биотехнология. Под. ред. Форебера и Дис.Вайза. Л.: Химия. 1991 120с.

3. Герасименко В.Г. Биотехнология. Киев.: Высшая школа 1989. - 342 с.

4. Белков В.А. Биотехнология. Микробиологическое производство биологически активных веществ. М.: Высшая школа. 1997. 220 с.

5. Мильчук М.Д., Новак Т.В., Кунах В.А. Біотехнологія рослин. Київ, Поліграфконсалтінг, 2003. 250 с.

6. Рыльский А.Ф. Краткий курс лекций по биотехнологии (для студ. Дневного отделения биологического факультета).- Запорожье: ЗГУ, 1996.- 75с.

Похожие рефераты:

Контрольная работа на тему Надотряд Clupeomorpha. Отряд Clepeiformes. Семейство Engraulidae Реферат на тему Неклассическое и классическое естествознание, пространство и время в его интерпретации Контрольная работа на тему Основы биохимии Реферат на тему Основы процесса клонирования Курсовая работа на тему Особенности биологии азовского пузанка Курсовая работа на тему Особливості біології та екології павука-хрестовика (Araneus diadematus) Курсовая работа на тему Отряд Крокодилы Курсовая работа на тему Охотничьи и промысловые виды животных Тульской области Контрольная работа на тему Палеопопуляция. Эволюция человека Контрольная работа на тему Папоротеподібні, занесені до Червоної книги України Реферат на тему Перенос генетического материала и генетическое картирование у актиномицетов Курсовая работа на тему Получение ферментных препаратов выращенных глубинным способом Реферат на тему Предмет и основные концепции науки о человеке Реферат на тему Районування брусниці та чорниці Реферат на тему Рекомбинация и генетический анализ бактериофагов Контрольная работа на тему Роль симметрии и асимметрии в научном познании Реферат на тему Селекция Реферат на тему Состояние популяции кабана и европейской косули в Воронежской области Курсовая работа на тему Ссавці моря Курсовая работа на тему Стафилококки возбудители пищевых токсикозов Реферат на тему Стволовые клетки Реферат на тему Стволовые клетки. Перспективы и возможности их практического использования Реферат на тему Теория интегрированных методов защиты растений и применение энтомофагов в борьбе с вредителями картофеля Контрольная работа на тему Теория саморазвития каталитических систем А.П. Руденко. Зональные, континентальные и океанические комплексы Контрольная работа на тему Уровни живых систем. Нервная система человека. Гормоны тимуса Контрольная работа на тему Учение В. И. Вернадского о ноосфере Реферат на тему Физиология и защитные свойства боли Контрольная работа на тему Концепции современного естествознания Курсовая работа на тему Концепция современного естествознания Реферат на тему Фізіологія рослинної клітини Реферат на тему Эволюция полового поведения Учебное пособие: Эпителиальные ткани Курсовая работа на тему Характеристика возбудителей порчи мясных, молочных и яйцепродуктов Реферат на тему Химия лекарственных растений. Лекарственное растительное сырье, содержащее алкалоиды Курсовая работа на тему Vectors for moleculars cloning Контрольная работа на тему Бессмертие как религиозно-философская проблема Курсовая работа на тему Бифидобактерии и использование их в молочной промышленности Дипломная работа на тему Вивчення ентомофауни річки Горинь в Дубровицькому районі Курсовая работа на тему Виды адаптации в окружающей среде Контрольная работа на тему Свойства и применение слизей и пектинов. Растения, вызывающие механические повреждения Доклад: Функции ДНК и ее биологическая роль Реферат на тему Свойства и роль в биохимических процессах аминокислот, входящих в состав белковых молекул Реферат на тему Функции и строение головного мозга Реферат на тему Свойства основных нейронных сетей Реферат на тему Функции и строение кожи Курсовая работа на тему Сезонная динамика фитопланктона Средней Оби в 2007-2008 гг. Реферат на тему Функциональная архитектура зрительной коры Курсовая работа на тему Сезонні зміни в житті безхвостих, повязані з особливостями їх біології (жаби, ропухи) Реферат на тему Функциональная система. Гормональная регуляция функций Реферат на тему Секвенирование дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) Реферат на тему Функциональные и молекулярные резервы организма Контрольная работа на тему Селекционная работа Контрольная работа на тему Функциональные системы организма Реферат на тему Селекция и происхождение культурных растений Реферат на тему Функционирование нервной системы пиявки Реферат на тему Семейства сложноцветных, лилейных и злаковых. Бактерии, грибы и лишайники Реферат на тему Функционирование нервных связей в зрительной системе Реферат на тему Семейство Pseudomonadaceae Реферат на тему Семейство Гречишные (Polygonaceae) Реферат на тему Семейство корюшковые Реферат на тему Семейство лилейные Реферат на тему Семейство пасленовые Реферат на тему Семейство сложноцветные Реферат на тему Семейство хеморепеллентов, семафорины Реферат на тему Семенные растения и их общая характеристика Контрольная работа на тему Происхождение Homo sapiens Реферат на тему Происхождение видов по Дарвину Курсовая работа на тему Происхождение жизни на Земле Реферат на тему Происхождение жизни на Земле Реферат на тему Происхождение Земли и планет Реферат на тему Происхождение Земли. Мифы и теории Реферат на тему Происхождение и начальное развитие жизни на Земле Контрольная работа на тему Происхождение и принципы эволюции: между равновесием и нелинейностью Курсовая работа на тему Межклеточные контакты Дипломная работа на тему Кефалевые Азово-Черноморского бассейна Контрольная работа на тему Микроорганизмы. Аммонификация мочевины. Микрофлора растений Реферат на тему Первые завоеватели воздуха Реферат на тему Современная классификация органического мира. История развития жизни на нашей планете Контрольная работа на тему Структура научного познания Курсовая работа на тему Тип членистоногі: загальна характеристика Реферат на тему Цветочное растение ландыш Реферат на тему Археи и их особенности Реферат на тему Женщины и мужчины - различия между полами Контрольная работа на тему Закономерности развития науки. Концепции Т. Куна и И. Лакатоса Дипломная работа на тему Биология ондатры Зейского района Амурской области Реферат на тему Биология перепела Благовещенского района Курсовая работа на тему Биология песца Реферат на тему Анатомическая номенклатура. Основные оси и плоскости человеческого тела Контрольная работа на тему Биология с основами экологии Реферат на тему Биология с основами экологии Учебное пособие: Анатомия человека Реферат на тему Анатомо-физологические механизмы безопасности и защиты человека от негативного воздействия Контрольная работа на тему Внутренняя среда организма Реферат на тему Вода знайома та загаткова Реферат на тему Вода важнейший компонент биосферы Курсовая работа на тему Водно-болотные угодья Благовещенского района Реферат на тему Водоросли Реферат на тему Воздействие космических факторов на организм человека Курсовая работа на тему Методика определения и показатели устойчивости бактерий к дезинфеткантам Реферат на тему Общая характеристика австралопитеков