Селекция. Биотехнология

1. Селекция. Биотехнология

2. Наука биотехнология

• Биотехнология (от греч. вios –
жизнь, teken – искусство,
мастерство, logos – наука,
умение, мастерство) – это
получение продуктов из
биологических объектов или с
применением биологических
объектов.
Термин впервые ввел в обиход
венгерский инженер Карл Эреки 1917 год

3. Биологические объекты

• организмы животных и человека
(получение иммуноглобулинов из
сывороток вакцинированных лошадей
или людей; получение препаратов крови
доноров)
• отдельные органы (получение гормона
инсулина из поджелудочных желез
крупного рогатого скота и свиней)
• культуры тканей (получение
лекарственных препаратов)

4. Причины выбора

• Клетки - «биофабрики»,
способны к биосинтезу
ценных БАВ
• Клетки обладают
быстрыми темпами
воспроизведения
• Биосинтез сложных
веществ (белков,
антибиотиков, антигенов,
антител и др.)
экономичнее и
технологически
доступнее, чем
химический синтез

5. Этапы становления

Эмпирический или
доисторический период –
8000 лет.
изготовление пива, хлеба и
др. продуктов
уксус
первая дистилляция вина
осуществлена в ХII в.
получение кисломолочных
продуктов, квашенной
капусты и др.

6. Этапы становления

Этиологический период 1856 – 1933 гг.
исследования Луи Пастера
микробная природа брожения
опроверг самопроизвольное зарождение жизни
основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии
новый метод стерилизации (пастеризацию)
• выделение микробов в виде
чистых культур
• начато изготовление пищевых
прессованных дрожжей,
продуктов обмена, ацетона,
бутанола, лимонной и молочной
кислот
• создание первых биоустановок
для микробиологической
очистки сточных вод

7. Этапы становления

• Биотехнический период начался
в 1933 г.
• публикация работы А. Клюйвера
и Л.Х.Ц. Перкина «Методы
изучения обмена веществ у
плесневых грибов»
• глубинное культивирование
грибов
• проведение процессов в
стерильных условиях
• конструирование, создание и
внедрение в практику
биореактора

8. Этапы становления

• Геннотехнический период начался с 1972 г.
• П. Берг с сотрудниками создали первую
рекомбинантную молекулу ДНК
Рекомбинация
Молекулярное
клонирование

9. Достижения современной науки

• человеческий инсулин, выработанный генномодифицированными кишечными палочками
• генно-инженерные препараты: интерфероны,
интерлейкины, соматотропин
• производство моноклональных антител
• диагностика и профилактика инфекционных и
неинфекционных заболеваний
• антибиотики
• культуры животных и растительных клеток

10. Основные понятия

• Вектор – любая плазмида или фаг, в которые может быть
встроена чужеродная молекула ДНК с целью
клонирования.
• Плазмида – кольцевая внехромосомная ДНК, способная к
автономной репликации.
• Репликация – самоудвоение молекулы ДНК путем
образования её копии при помощи набора ферментов
(ДНК-полимераз, лигаз и т.п.).
• Гибридизация – процесс образования или получения
гибридов, в основе которого лежит объединение
генетического материала разных клеток в одной клетке.
• Клон – совокупность клеток или особей, произошедших от
общего предка путем бесполого размножения.
• Штамм – чистая культура микроорганизма, выделенного из
определенного источника или полученного в результате
мутаций.

11. Генная инженерия

• Генетическая инженерия – целенаправленное
искусственное создание определенных комбинаций
генетического материала, способных нормально
функционировать в клетке, размножаться и
контролировать синтез конечных продуктов
• выделение из клеток отдельных генов или синтез
генов вне клеток
• направленная перестройка, копирование и
размножение выделенных или синтезированных
генов, их перенос и включение в подлежащий
изменению геном
• синтез измененными бактериями важных для
человека соединений

12. Важные ферменты

Рестриктаза
Лигаза
Вектор
разрезает молекулу ДНК
в строго определенных участках
сшивает определенные участки
различных молекул ДНК друг с другом
• короткие, самостоятельно
размножающиеся в клетках
бактерий кольцевые молекулы ДНК
• с помощью рестриктаз и лигаз в
векторы встраивают необходимый
ген, добиваясь в последствии его
включения в геном клетки-хозяина.

13. Виды генетической инженерии

• Генная инженерия: целенаправленное использование
перестроек естественного генома, осуществляемых in
vivo и in vitro, для изменения генетических
характеристик известных вирусов и клеток, прямое
манипулирование рДНК, включающими отдельные
гены.
• Хромосомная инженерия связана с переносом
изолированных хромосом от клетки-донора одного
организма в клетку-реципиент другого организма.
• Геномная инженерия: целенаправленная глубокая
перестройка генома акариот, прокариот и эукариот,
вплоть до создания новых видов, т.е. перенос всего или
большей части генетического материала от одной
клетки к другой. При геномной инженерии возможно
получение половых (слиянием гамет) и соматических
(слиянием неполовых клеток) гибридов.

14.

15. Клеточная инженерия

• Под клеточной инженерией
понимают метод
конструирования клеток
нового типа на основе их
культивирования,
гибридизации и
реконструкции
• эритропоэтин (гормон, стимулирующий образование красных
кровяных тел) активатор плазминогена (используется для
предотвращения образования тромбов)
• фактор свертывания крови III (используется при гемофилии)
• инсулин (для лечения диабета),
• поверхностный белок вируса гепатита В
• интерлейкины

16. Соматическая гибридизация

• Соединение клеток с
хромосомными наборами
систематически далеких форм
Впервые гибриды
соматических клеток
обнаружил
в 1960 г.
биолог Ж. Барский.
В культуре ткани клеток двух линий мышей он выявил третий тип клеток.
Клетки оказались гибридными и содержали хромосомы клеток обеих
исходных линий.
Морфологические и биохимические признаки гибридных клеток были
промежуточными между признаками исходных.
Однако спонтанное слияние клеток наблюдается редко. В связи с этим
разработана техника гибридизации соматических клеток с
использованием вируса Сендай.
Вирус инактивируют УФЛ или алкилирующим мутагеном.
Инактивированный вирус вносят в культуру двух типов клеток.
Некоторые клетки при этом сливаются с образованием одной с двумя
ядрами. После митоза из двухъядерной клетки формируются две
одноядерные гибридные соматические клетки. В каждой гибридной
клетке содержится по одному набору хромосом каждого типа
родительских клеток

17. Соматическая гибридизация

• Получены гибриды клеток многих далеких видов
(мыши и курицы, мула и мыши, кролика и
обезьяны, человека и курицы, коровы и норки и
др.)
• для изучения локализации и характера действия
тех или иных генов
• для картирования хромосом
• для изучения регуляции действия генов
• для дифференцировки клеток в онтогенезе и
механизма взаимодействия ядра и цитоплазмы
• Моноклональные антитела — это
иммуноглобулины, синтезируемый одним
клоном клеток. Моноклональное антитело
связывается только с одной антигенной
детерминантой на молекуле антигена.

18. Генно-модифицированные организмы

• ГМО - организм, генотип которого был
искусственно изменён при помощи
методов генной инженерии.
• Определение может применяться для
растений, животных и микроорганизмов.
• Генетические изменения производятся
в научных или хозяйственных целях.
• Генетическая модификация отличается
целенаправленным изменением
генотипа организма в отличие от
случайного, характерного для
естественного и искусственного
мутационного процесса.
• Основным видом генетической
модификации в настоящее время
является использование трансгенов для
создания трансгенных организмов.

19. Основные этапы создания ГМО:

1. Получение изолированного гена.
2. Введение гена в вектор для
переноса в организм.
3. Перенос вектора с геном в
модифицируемый организм.
4. Преобразование клеток
организма.
5. Отбор генетически
модифицированных организмов
и устранение тех, которые не
были успешно
модифицированы.

20. Генетически модифицированные организмы используются в прикладной медицине с 1982 года.

Генетически модифицированные организмы
используются в прикладной медицине с 1982 года.
Генно-инженерный человеческий инсулин,
получаемый с помощью генетически
модифицированных бактерий
Синтез гормонов роста человека
Факторы свертывания крови ( лечение гемофилии).
Эритропоэтины (лечение серповидной анемии, анемии
других этиологий).
Стволовые клетки (получение лекарств против рака,
иммунодефицитов, для искусственного продления
молодости).
Ферментные препараты – лидаза, панкреатин, мезим и
пр.
Вакцины против полиомиелита, вирусного гепатита,
комплексная вакцина АКДС
Препараты для лечения тромбозов и тромбофлебитов
Получение тканей, пригодных для трансплантации

21.

1982 г. – человеческий инсулин (лечение диабета)
1985 г. – человеческий соматостатин (лечение карликовости)
1986 г. - интерферон-альфа-2а (лечение некоторых типов лейкемии)
1987 г. - тканевый активатор плазминогена для удаления тромбов у
пациентов с острым инфарктом миокарда
1990 г. - интерферон-гамма- альфа (для лечения хронической
грануломы)
1990 г. - тканевый активатор плазминогена при острой эмболии
легких
1990 г. - вакцины против гепатита В
1993 г. - гормон роста для лечения нарушений в росте у детей с
хронической почечной недостаточностью
1996 г. – пульмозим (для лечения запущенных форм муковисцидоза)
1997 г. - ритуксан (для лечения пациентов с лимфомой Ходжкина)
1997 г. - гормон роста (для лечения дефицита гормона роста у
взрослых)
1998 г. - моноклональные антитела для терапии пациентов с
определенным типом метастазируюшего грудного рака.

22.

23.

С 1996 года, когда началось выращивание
ГМ-растений
Площади, занятые ГМ-культурами выросли
до 175 млн гектаров в 2013 году (более 11 %
от всех мировых посевных площадей)
ГМ-растения выращиваются в 27 странах,
особенно широко — в США, Бразилии,
Аргентине, Канаде, Индии, Китае
Начиная с 2012 года производство ГМсортов развивающимися странами,
превысило производство в промышленно
развитых государствах
Из 18 миллионов фермерских хозяйств,
выращивающих ГМ-культуры, более 90 %
приходится на малые хозяйства в
развивающихся странах.

24. Селекция

• Селекция (от лат.selectio,seligere – отбор) – это
наука о методах создания
высокопродуктивных сортов растений, пород
животных и штаммов микроорганизмов.
Задачи современной селекции
-
Создание новых и совершенствование старых сортов, пород и
штаммов с хозяйственно-полезными признаками.
Создание технологичных высокопродуктивных биологических
систем, максимально использующих сырьевые и энергетические
ресурсы планеты.
Повышение продуктивности пород, сортов и штаммов с единицы
площади за единицу времени.
Повышение потребительских качеств продукции.
Уменьшение доли побочных продуктов и их комплексная
переработка.
Уменьшение доли потерь от вредителей и болезней.

25. Н.И. Вавилов выделил следующие разделы селекции:

1) учение об исходном сортовом, видовом и родовом потенциалах;
2) учение о наследственной изменчивости (закономерности в
изменчивости, учение о мутациях);
3) учение о роли среды в выявлении сортовых признаков (влияние
отдельных факторов среды, учение о стадиях в развитии растений
применительно к селекции);
4) теория гибридизации как в пределах близких форм, так и
отдаленных видов;
5) теория селекционного процесса (самоопылители,
перекрестноопылители, вегетативно и апогамно размножающиеся
растения);
6) учение об основных направлениях в селекционной работе, таких,
как селекция на иммунитет, на физиологические свойства
(холодостойкость, засухоустойчивость, фотопериодизм), селекция
на технические качества, химический состав;
7) частная селекция растений, животных и микроорганизмов.

26.

27. Закон гомологических рядов

Н.И. Вавилов - закон гомологических рядов (1920 г.):
1. Виды и роды, генетически близкие,
характеризуются сходными рядами
наследственной изменчивости.
2. Чем ближе генетически расположены в общей
системе роды и виды, тем полнее сходство в
рядах их изменчивости.
3. Целые семейства растений в общем
характеризуются определенным циклом
изменчивости, проходящей через все роды и
виды, составляющие семейство.

28. Индуцированный мутагенез

• Экспериментальное
получение мутаций у растений
и микроорганизмов и их
использование в селекции
Получают:
• высокопродуктивные штаммы
микроорганизмов (продуцентов
антибиотиков)
• карликовые сорта растений с повышенной
скороспелостью
Используют:
• физические мутагены (гамма-излучение,
рентгеновское и ультрафиолетовое
излучение)
• химические супермутагены (например, Nметил-N-нитрозомочевина).
У животных мутации
практически всегда
приводят к снижению
жизнеспособности
и/или бесплодию.
К исключениям
относится тутовый
шелкопряд, с которым
велась интенсивная
селекционная работа с
использованием авто- и
аллополиплоидов (Б.Л.
Астауров, В.А.
Струнников).

29. Соматические мутации

• В результате индуцированного мутагенеза
часто получают частично мутантные растения
(химерные организмы).
• В этом случае говорят о соматических
(почковых) мутациях.
• Многие сорта плодовых растений, винограда,
картофеля являются соматическими
мутантами.
• Эти сорта сохраняют свои свойства, если их
воспроизводят вегетативным путем, например,
прививая обработанные мутагенами почки
(черенки) в крону немутантных растений; таким
путем размножают, например, бессемянные
апельсины.

30. Полиплоидия

• Автополиплоидия представляет собой многократное повторение в
клетке одного и того хромосомного набора (генома).
• Автополиплоидия часто сопровождается увеличением размеров
клеток, пыльцевых зерен и общих размеров организмов.
• триплоидная осина гигантских размеров, долговечна, её
древесина устойчива к гниению
• триплоиды (бананы, чай, сахарная свекла)
• тетраплоиды (рожь, клевер, гречиха, кукуруза, виноград, а также
земляника, яблоня, арбузы)
• Автополиплоиды отличаются повышенной сахаристостью,
повышенным содержанием витаминов.
• Положительные эффекты полиплоидии связаны с увеличением
числа копий одного и того же гена в клетках, и, соответственно, в
увеличении дозы (концентрации) ферментов.
• Автополиплоиды менее плодовиты по сравнению с диплоидами.

31.

Полиплоидия
• Аллополиплоидия – это объединение в
клетке разных хромосомных наборов
(геномов).
• Часто аллополиплоиды получают путем
отдаленной гибридизации, то есть при
скрещивании организмов,
принадлежащих к различным видам.
• Такие гибриды обычно бесплодны (их
образно называют «растительными
мулами»), однако, удваивая число
хромосом в клетках, можно восстановить
их фертильность (плодовитость).
• Таким путем получены гибриды пшеницы
и ржи (тритикале), алычи и терна,
тутового и мандаринового шелкопряда.

32.  Работы И. В. Мичурина

Работы И. В. Мичурина
Объектом селекции служили разнообразные
плодово-ягодные культуры: семечковые,
косточковые
создано свыше 300 сортов культурных растений
И.В. Мичурин: «Мы не можем ждать милостей от
природы, взять их у неё – наша задача».
обосновал эффект смены доминирования: в
зависимости от почвенно-климатических условий,
характера подвоя и привоя генотип может
проявиться в фенотипе, а может и не проявиться
использовал метод ментора, основанный на
различных комбинациях прививок
использовал эколого-географические
скрещивания – если родители происходят из
разных географических районов, то гетерозис
проявляется наиболее сильно
установил, что селекцию сорта нужно вести в тех
условиях, в которых планируется его дальнейшая
эксплуатация

33.

34. Бесплодие межвидовых гибридов

в анафазе, когда хромосомы
расходятся к полюсам клетки, каждая
из них ищет свою гомологичную пару
у особей, у которых слияние
происходило от разных родительских
форм, возможность встречи подобных
структур минимальна или невозможна
поэтому происходит случайное
комбинирование признаков и в
результате особи становятся
бесплодными либо
нежизнеспособными
несовместимость участков ДНК из
ядра клетки и митохондрий приводит к
отсутствию конъюгации хромосом в
мейотическом процессе

35. ПРИЁМЫ  МЕТОДЫ

ПРИЁМЫ
МЕТОДЫ
А) работа с каллусной тканью
Б) введение плазмид в
бактериальные клетки
В) гибридизация
соматических клеток
Г) трансплантация ядер
клеток
Д) получение рекомбинантной
ДНК и РНК
клеточная
инженерия
генная
инженерия

36. МЕТОДЫ  ОТРАСЛИ

МЕТОДЫ
А) получение полиплоидов
Б) метод культуры клеток и
тканей
В) использование дрожжей
для производства белков
и витаминов
Г) метод рекомбинантных
плазмид
Д) испытание по потомству
Е) гетерозис
ОТРАСЛИ
селекция
биотехнология

37. Полимеразная цепная реакция

• ПЦР диагностика – современный метод
исследования в области молекулярной биологии
• Полимеразная цепная
реакция способна
амплифицировать (увеличить
во много раз) необходимый
участок ДНК возбудителя в
исследуемом материале
• для определения отцовства
• для клонирования генов
• для выявления
наследственных заболеваний
• для диагностики возбудителя
инфекционных заболеваний

38. Метод меченых атомов

• Многие химические элементы представляют
собой смесь изотопов.
• Изотопы одного и того же элемента
отличаются друг от друга числом
содержащихся в ядре нейтронов, т. е. по
массе, а химические свойства элементов
зависят от числа и расположения электронов,
окружающих ядро.
• Все изотопы данного элемента, обладают
одинаковыми химическими свойствами.
Вследствие этого изотопы можно
использовать в качестве меченых атомов.
• Соединение, меченое изотопом, вводят в
растение, а затем определяют наличие
меченых атомов в тканях растения по их
радиоактивности или специальными
приборами — масс-спектрометрами.
• Применяют при изучении фотосинтеза,
дыхания, минерального питания и других
процессов.
азот N13 имеет период
полураспада меньше 10
минут
фосфор Р32 — 14,3 дня
сера S35 — 87,1 дня
водород Н3—12,3 года
углерод С14 — 5600 лет

39.

Хроматография