§ 41. Биотехнология и ее роль в развитии человечества в XXI в. Селекция микроорганизмов. Генетическая инженерия

Достижения селекции в развитии человеческого общества трудно переоценить. Возникнув на заре цивилизации как чисто практическая деятельность, селекция превратилась в науку, благодаря которой человечество успешно решало продовольственную проблему в течение последних веков. Более того, интенсивное развитие сельского хозяйства стало одной из главных основ увеличения численности населения Земли с 1 млрд в 1804 г. до 6 млрд в 1999 г. Причем во второй половине ХХ в. сельское хозяйство мира развивалось преимущественно за счет внедрения в практику новых сортов и пород. 

В настоящее время бурный рост населения продолжается — уже в 2011 г. население земного шара достигло 7 млрд человек. *Это создает перед человечеством непростую проблему. С одной стороны, растущее население Земли требует все больше пищевых ресурсов. С другой стороны, человечество осознало, что расширять сельскохозяйственные территории (что и происходило в XIX—XX вв.) — значит поставить биосферу на грань катастрофы. Решить эту проблему должна помочь современная биотехнология.*

Что такое биотехнология. Как вы уже знаете, в ХХ в. благодаря достижениям селекции и других сельскохозяйственных наук продуктивность сельского хозяйства существенно возросла. Но вторая половина двадцатого столетия характеризуется не только этим. Для получения необходимых человеку веществ в широких масштабах стали применяться микроорганизмы. Появилась микробиологическая промышленность, продукты которой — антибиотики, кормовые добавки, аминокислоты, витамины и другие БАВ — стали производиться во все бόльших количествах. По своей интенсивности производство продуктов на основе использования живых организмов стало приближаться к чисто технологическим процессам. В совокупности это привело к появлению нового слова — "биотехнология".

*Первоначально под этим термином понимали только осуществляемые в условиях промышленного производства процессы, но затем это понятие было расширено.* Современная биотехнология — это получение каких-либо продуктов на основе использования живых организмов, культур клеток и полученных из них ферментов.

*Селекция микроорганизмов. С развитием микробиологической промышленности в ХХ в. оформилось новое направление в селекции — селекция микроорганизмов. Использование человеком микроорганизмов уходит корнями в далекое прошлое. С их помощью человечество с незапамятных времен получало и консервировало продукты питания. Соление и квашение продуктов растениеводства, получение пива, вина, пищевого этилового спирта, вяленого мяса и рыбы, выпечка хлеба, мочка льна и силосование зеленых кормов — все это биотехнологические процессы, основанные на применении дрожжей и бактерий.

В ХХ в. использование микроорганизмов существенно расширилось. На основе бактериальных и дрожжевых штаммов стали производиться комбикорма для животных, антибиотики, аминокислоты, витамины, ферменты и многое другое. Все это требовало более продуктивных штаммов, что и привело к развитию селекции микроорганизмов.

В отличие от селекции растений и животных в селекции грибов и бактерий из-за особенностей их размножения гибридизация не используется как основной метод получения организмов с заданными свойствами. Для решения проблемы исходного материала для искусственного отбора в селекции микроорганизмов в ХХ в. был найден иной подход.*

Из главы 6 вы знаете, что основу необходимой для искусственного отбора наследственной изменчивости составляют мутации. В природных условиях мутации встречаются с низкой частотой, но с помощью мутагенов можно повысить частоту их возникновения. Поэтому одним из основных методов селекционной работы с бактериями и грибами стал индуцированный мутагенез. Его суть состоит в обработке мутагенами исходных штаммов и проверке выраженности хозяйственно полезных признаков у полученных после такого воздействия потомков.

При правильно подобранных дозах и времени действия мутагенов в обработанных клетках возникает множество различных мутаций. Соответственно, возрастает и вероятность мутационных изменений, влияющих на интересующий селекционеров признак. Например, без мутагенеза для обнаружения микроорганизмов, образующих больше антибиотика, чем уже используемые штаммы, необходимо проверить несколько миллиардов колоний. После удачно проведенного мутагенеза можно обнаружить искомую колонию среди нескольких тысяч проанализированных вариантов.

*Отобранные таким образом штаммы микроорганизмов благодаря бесполому размножению сохраняют нужные для производственных процессов признаки. Это и становится основой их масштабного промышленного применения.

Еще один метод создания штаммов с заданными свойствами базируется на использовании природных способов переноса генетической информации от одних бактерий к другим. Осуществляя такой перенос в лабораторных условиях и применяя соответствующий отбор, можно создать штамм, совмещающий полезные признаки двух разных штаммов. Например, таким путем были получены бактерии, способные быстро разрушать различные вещества в составе нефти. Эти штаммы используются для предотвращения нефтяных загрязнений морских вод и побережий после аварий на морских нефтевышках и танкерах.*

Отдельным биотехнологическим направлением является использование ферментов микроорганизмов. Для этого такие ферменты особым образом выделяют из выращенных дрожжей или бактерий и обрабатывают ими соответствующие субстраты. В частности, ферменты бактериального или грибного происхождения применяются для получения глюкозы из крахмала и целлюлозы. Определенные ферменты микроорганизмов добавляют в современные средства для стирки белья. Полученные из штаммов-продуцентов пищеварительные ферменты входят в состав препаратов для улучшения пищеварения и усвояемости кормов сельскохозяйственными животными.

*Начиная с последней четверти ХХ в., в селекции бактерий произошли существенные изменения. Основой этого стало создание принципиально нового направления, которое получило название генетическая инженерия.*

Генетическая инженерия как основа современной биотехнологии. В 70-х годах ХХ в. на вооружении биологов уже имелись методы объединения молекул ДНК в лабораторных условиях. С помощью специальных ферментов *— рестриктаз —* можно разрезáть молекулы ДНК на отдельные фрагменты и затем с помощью других ферментов *(лигаз)* соединять в выбранном человеком порядке. Такой способ работы с молекулами ДНК получил название генетической инженерии. Самое главное, что такие искусственно составленные из отдельных фрагментов молекулы *(они называются рекомбинантные ДНК)* после их введения в клетки используются ими как обычные молекулы ДНК. То есть закодированная в них генетическая информация реализуется путем транскрипции и трансляции.

*Практическое использование генетической инженерии в современной биотехнологии началось с бактерий.* Из главы 2 вам известно, что в бактериальных клетках присутствуют небольшие кольцевые молекулы ДНК — плазмиды. Плазмидную ДНК выделяют из клеток, соединяют с фрагментами ДНК, несущими нужные гены, и вводят эту генно-инженерную конструкцию в клетки микроорганизмов (рис. 41.1).

*Применяя методы генетической инженерии, получают улучшенные микроорганизмы для микробиологической промышленности. Для этих целей в клетки уже используемых в производстве штаммов вводят бактериальные гены, усиливающие проявление признаков, которые важны для технологического процесса. Таким путем, например, созданы некоторые современные штаммы-продуценты незаменимых аминокислот и антибиотиков.

Современная молекулярная биология позволяет не только переносить гены из одного организма в другой, но и изменять эти гены. Меняя последовательность нуклеотидов в ДНК, соответствующей одному гену, можно направленно изменить свойства белка, который этот ген кодирует. Кроме того, можно провести объединение фрагментов ДНК из двух разных генов и получить белок с необычными свойствами. Например, при изучении условий образования определенных белков объединяют гены этих белков с геном, кодирующим белок, способный светиться при воздействии ультрафиолетовых лучей. После введения такого искусственно составленного гена в клетки можно с помощью специального микроскопа фиксировать образование изучаемого белка при действии на клетку различных факторов. Такое направление в современной  генетической инженерии получило название генная инженерия.

В последней четверти ХХ в. генетическая инженерия стала основой для создания принципиального нового направления не только в селекции микроорганизмов, но и в биотехнологии в целом. О том, как развивается современная биотехнология, вы узнаете из следующих параграфов.*