§ 41. Біятэхналогія і яе роля ў развіцці чалавецтва ў XXI ст. Селекцыя мікраарганізмаў. Генетычная інжынерыя

Дасягненні селекцыі ў развіцці чалавечага грамадства цяжка пераацаніць. Узнікнуўшы на світанку цывілізацыі як чыста практычная дзейнасць, селекцыя ператварылася ў навуку, дзякуючы якой чалавецтва паспяхова вырашала харчовую праблему на працягу апошніх стагоддзяў. Больш таго, інтэнсіўнае развіццё сельскай гаспадаркі стала адной з галоўных асноў павелічэння колькасці насельніцтва Зямлі з 1 млрд у 1804 г. да 6 млрд у 1999 г. Прычым у другой палове ХХ ст. сельская гаспадарка свету развівалася пераважна за кошт укаранення ў практыку новых сартоў і парод.

У цяперашні час бурны рост насельніцтва працягваецца  — ужо ў 2011 г. насельніцтва зямнога шара дасягнула 7 млрд чалавек. *Гэта стварае перад чалавецтвам няпростую праблему. З аднаго боку, рост насельніцтва Зямлі патрабуе ўсё больш  харчовых рэсурсаў. З другога боку, чалавецтва ўсвядоміла, што пашыраць сельскагаспадарчыя тэрыторыі (што і адбывалася ў XIX—XX стст.) — значыць паставіць біясферу на мяжу катастрофы. Вырашыць гэту праблему павінна дапамагчы сучасная біятэхналогія.*

Што такое біятэхналогія. Як вы ўжо ведаеце, у ХХ ст. дзякуючы дасягненням селекцыі і іншых сельскагаспадарчых навук прадукцыйнасць сельскай гаспадаркі істотна ўзрасла. Але другая палова дваццатага стагоддзя характарызуецца не толькі гэтым. Для атрымання неабходных чалавеку рэчываў у шырокіх маштабах сталі прымяняцца мікраарганізмы. З'явілася мікрабіялагічная прамысловасць, прадукты якой — антыбіётыкі, кармавыя дабаўкі, амінакіслоты, вітаміны і іншыя БАВ — сталі вырабляцца ў значных  колькасцях. Па сваёй інтэнсіўнасці вытворчасць прадуктаў на аснове выкарыстання жывых арганізмаў стала набліжацца да чыста тэхналагічных працэсаў. У сукупнасці гэта прывяло да з'яўлення новага слова — біятэхналогія.

*Спачатку пад гэтым тэрмінам разумелі толькі ажыццяўляемыя ва ўмовах прамысловай вытворчасці працэсы, але потым гэта паняцце было пашырана. *Сучасная біятэхналогія — гэта атрыманне якіх-небудзь прадуктаў на аснове выкарыстання жывых арганізмаў, культур клетак і атрыманых з іх ферментаў. *У такой трактоўцы біятэхналогія ўключае жывёлагадоўлю, раслінаводства, усю мікрабіялагічную прамысловасць і вытворчасць рэчываў з выкарыстаннем ізаляваных клетак і малекул біялагічнага паходжання.*

*Селекцыя мікраарганізмаў. З развіццём мікрабіялагічнай прамысловасці ў ХХ ст. аформіўся новы напрамак у селекцыі — селекцыя мікраарганізмаў. Выкарыстанне чалавекам мікраарганізмаў ідзе каранямі ў далёкае мінулае. З іх дапамогай чалавецтва с прадвеку атрымлівала і кансервавала прадукты харчавання. Саленне і квашанне прадуктаў раслінаводства, атрыманне піва, віна, харчовага этылавага спірту, вяленага мяса і рыбы, выпечка хлеба, мачэнне льну і сіласаванне зялёных кармоў — усё гэта біятэхналагічныя працэсы, заснаваныя на ўжыванні дражджэй і бактэрый.

У ХХ ст. выкарыстанне мікраарганізмаў істотна пашырылася. На аснове бактэрыяльных і дражджавых штамаў сталі вырабляцца камбікармы для жывёл, антыбіётыкі, амінакіслоты, вітаміны, ферменты і многае іншае. Усё гэта патрабавала больш прадукцыйных штамаў, што і прывяло да развіцця селекцыі мікраарганізмаў.

У адрозненне ад селекцыі раслін і жывёл у селекцыі грыбоў і бактэрый з прычыны асаблівасцей іх размнажэння гібрыдызацыя не выкарыстоўваецца як асноўны метад атрымання арганізмаў з зададзенымі ўласцівасцямі. Для вырашэння праблемы зыходнага матэрыялу для штучнага адбору ў селекцыі мікраарганізмаў у ХХ ст. быў знойдзены іншы падыход.*

З раздзела 6 вы ведаеце, што аснову неабходнай для штучнага адбору спадчыннай зменлівасці складаюць мутацыі. У прыродных умовах мутацыі сустракаюцца з нізкай частатой, але з дапамогай мутагенаў можна павялічыць частату іх узнікнення. Таму адным з асноўных метадаў селекцыйнай работы з бактэрыямі і грыбамі стаў індуцыраваны мутагенез. Яго сутнасць заключаецца ў апрацоўцы мутагенамі зыходных штамаў і праверцы выяўленасці гаспадарча карысных прымет у атрыманага пасля такога ўздзеяння патомства.

Пры правільна падабраных дозах і часу дзеяння мутагенаў у апрацаваных клетках узнікае мноства розных мутацый. Адпаведна, узрастае і верагоднасць мутацыйных змяненняў, якія ўплываюць на прымету, што цікавіць селекцыянераў. Напрыклад, без мутагенезу для выяўлення мікраарганізмаў, якія ўтвараюць больш антыбіётыка, чым тыя штамы, што ўжо выкарыстоўваюцца, неабходна праверыць некалькі мільярдаў калоній. Пасля ўдала праведзенага мутагенезу можна выявіць шуканую калонію сярод некалькіх тысяч прааналізаваных варыянтаў.

*Адабраныя такім чынам штамы мікраарганізмаў дзякуючы бясполаму размнажэнню захоўваюць патрэбныя для вытворчых працэсаў прыметы. Гэта і становіцца асновай іх маштабнага прамысловага ўжывання.

Яшчэ адзін метад стварэння штамаў з зададзенымі ўласцівасцямі грунтуецца на выкарыстанні прыродных спосабаў пераносу генетычнай інфармацыі ад адных бактэрый да другіх. Ажыццяўляючы такі перанос у лабараторных умовах і ўжываючы адпаведны адбор, можна стварыць штам, які сумяшчае карысныя прыметы двух розных штамаў. Напрыклад, такім шляхам былі атрыманы бактэрыі, здольныя хутка разбураць розныя рэчывы ў саставе нафты. Гэтыя штамы выкарыстоўваюцца для прадухілення нафтавых забруджванняў марскіх вод і ўзбярэжжаў пасля аварый на марскіх нафтавышках і танкерах.*

*У біятэхналогіі ўжываюцца не толькі штамы. Асобным біятэхналагічным напрамкам з'яўляецца выкарыстанне ферментаў мікраарганізмаў. Для гэтага такія ферменты асаблівым чынам выдзяляюць з вырашчаных дрожджаў або бактэрый і апрацоўваюць імі адпаведныя субстраты. У прыватнасці, ферменты бактэрыяльнага або грыбнога паходжання прымяняюцца для атрымання глюкозы з крухмалу і цэлюлозы. Пэўныя ферменты мікраарганізмаў дадаюць у сучасныя сродкі для мыцця бялізны. Атрыманыя з штамаў-прадуцэнтаў стрававальныя ферменты ўваходзяць у састаў прэпаратаў для паляпшэння стрававання і засваяльнасці кармоў сельскагаспадарчымі жывёламі.

*Пачынаюччы з апошняй чвэрці ХХ ст., у селекцыі бактэрый адбыліся істотныя змяненні. Асновай гэтага стала стварэнне прынцыпова новага напрамку, які атрымаў назву генетычная інжынерыя.*

Генетычная інжынерыя як аснова сучаснай біятэхналогіі. У 70-х гадах ХХ ст. вучоныя-біёлагі ўжо валодалі метадамі аб’яднання малекул ДНК у лабараторных умовах. З дапамогай спецыяльных ферментаў  *— рэстрыктаз —* можна разрэзаць малекулы ДНК на асобныя фрагменты і затым з дапамогай іншых ферментаў *(лігаз)* злучаць у абраным чалавекам парадку. Такі спосаб работы з малекуламі ДНК атрымаў назву генетычная інжынерыя. Самае галоўнае, што такія штучна састаўленыя з асобных фрагментаў малекулы *(яны называюцца рэкамбінантныя ДНК)* пасля іх увядзення ў клеткі выкарыстоўваюцца імі як звычайныя малекулы ДНК. Гэта значыць закадаваная ў іх генетычная інфармацыя рэалізуецца шляхам транскрыпцыі і трансляцыі.

*Практычнае выкарыстанне генетычнай інжынерыі ў сучаснай біятэхналогіі пачалося з бактэрый.* З раздзела 2 вам вядома, што ў бактэрыяльных клетках прысутнічаюць невялікія кальцовыя малекулы ДНК —  плазміды. Плазмідную ДНК выдзяляюць з клетак, злучаюць з фрагментамі ДНК, якія нясуць патрэбныя гены, і ўводзяць гэтую генна-інжынерную канструкцыю ў клеткі мікраарганізмаў  (мал. 41.1).

*Ужываючы метады генетычнай інжынерыі, атрымліваюць палепшаныя мікраарганізмы для мікрабіялагічнай прамысловасці. Для гэтых мэт у клеткі ўжо выкарыстоўваемых у вытворчасці штамаў уводзяць бактэрыяльныя гены, якія ўзмацняюць праяўленне прымет, важных для тэхналагічнага працэсу. Такім шляхам, напрыклад, створаны некаторыя сучасныя штамы-прадуцэнты незаменных амінакіслот і антыбіётыкаў.

*Сучасная малекулярная біялогія дазваляе не толькі пераносіць гены з аднаго арганізма ў другі, але і змяняць гэтыя гены. Змяняючы паслядоўнасць нуклеатыдаў у ДНК, адпаведнай аднаму гену, можна накіравана змяніць уласцівасці бялку, які гэты ген кадзіруе. Акрамя таго, можна правесці аб'яднанне фрагментаў ДНК з двух розных генаў і атрымаць бялок з незвычайнымі ўласцівасцямі. Напрыклад, пры вывучэнні ўмоў утварэння пэўных бялкоў аб’ядноўваюць гены гэтых бялкоў з генам, што кадзіруе бялок, здольны свяціцца пад ўплывам  ультрафіялетавага выпраменьвання. Пасля ўвядзення такога штучна састаўленага гена ў клеткі можна з дапамогай спецыяльнага мікраскопа фіксаваць утварэнне вывучаемага бялку пры дзеянні на клетку розных фактараў. Такі напрамак у сучаснай генетычнай інжынерыі атрымаў назву генная інжынерыя.

У апошняй чвэрці ХХ ст. генетычная інжынерыя стала асновай для стварэння прынцыповага новага напрамку не толькі ў селекцыі мікраарганізмаў, але і ў біятэхналогіі ў цэлым. Пра тое, як развіваецца сучасная біятэхналогія, вы даведаецеся з наступных параграфаў.*