МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
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.