Презентація - "Біологія як основа біотехнології та медицини"

Біологія як основа біотехнології та медицини. Біологія 9

Селекція. Методи селекціїМетоди селекціїОдним з основоположників селекції є Чарльз Дарвін, який у роботах «Походження видів» (1859 р.) та «Зміна домашніх тварин і культурних рослин» (1868 р.) розкрив роль спадкової мінливості і штучного відбору в створенні нових порід і сортів. Чарльз Дарвін Селекція — наука про методи створення нових і поліпшення існуючих порід тварин, сортів рослин і штамів мікроорганізмів.

Завдання сучасної селекції:підвищення продуктивності організмів;виведення нових, продуктивніших сортів культурних рослин, порід свійських тварин, штамів мікроорганізмів;покращення якості продукції (смаку, зовнішнього вигляду, хімічного складу);покращення господарсько важливих фізіологічних властивостей (стійкості до хвороб і шкідників, сприйнятливості до добрив або кормів);забезпечення найповнішого виробництва харчових продуктів за найменших втрат. Сорт (рослин), порода (тварин), штам (мікроорганізми) — це штучно створена стійка група (популяція) живих організмів, що має певні спадкові особливості.

Усі особини такої групи мають подібні морфологічні і фізіологічні ознаки, однотипну реакцію на зміну факторів зовнішнього середовища, певний рівень продуктивності. Методи селекції: добір — відбір людиною найцінніших у господарському відношенні особин для отримання від них нащадків з потрібними властивостями;гібридизація (схрещування) — процес отримання гібридів від двох відмінних за генотипом батьківських організмів при статевому розмноженні;індукований мутагенез — штучне отримання мутацій за допомогою фізичних або хімічних мутагенів.

Добір. Штучний добір — вибіркове допущення до розмноження організмів з метою виведення нових сортів та порід, які володіють бажаними для людини якостями. Штучний добір використовується для збереження і розмноження особин з бажаною комбінацією ознак. Розрізняють несвідомий штучний добір, при здійсненні якого не ставиться мета виведення сорту чи породи і свідомий (методичний), при здійсненні якого ставиться мета виведення нового сорту чи породи. Свідомий (методичний) добір буває масовий і індивідуальний. При масовому доборі одночасно відбирають велике число особин з потрібною ознакою, інші вибраковують. Це відбір за фенотипом, він не дає генетично однорідного матеріалу. Повторюється багато разів. При індивідуальному доборі (за генотипом) виділяють одну особину з необхідними ознаками і отримують від неї потомство.

Гібридизація. У селекційній роботі використовують такі методи гібридизації: інбридинг, аутбридинг і віддалену гібридизацію.Інбридинг — внутрішньовидове схрещування близькоспоріднених форм, яке сприяє підвищенню гомозиготності нащадків. При інбридингу схрещуються нащадки з батьківськими формами або нащадки одних і тих самих батьків (наприклад, серед самозапильних рослин). Цей тип схрещування застосовують для отримання чистих ліній, тобто переведення більшості генів у гомозиготний стан і закріплення цінних ознак. Небажаним наслідком близькоспорідненого схрещування є інбридна депресія — зниження продуктивності і життєздатності потомства через прояви рецесивних мутацій.

Аутбридинг — неспоріднена гібридизація, внутрішньовидове схрещування ліній, сортів, порід, яке зазвичай сприяє підвищенню гетерозиготності нащадків. Розрізняють внутрішньовидовий та міжвидовий аутбридинг. При неспорідненому схрещуванні може спостерігатися ефект гетерозису (гібридної сили) — підвищення життєздатності та продуктивності гібридів у порівнянні з батьківськими формами. Гетерозис проявляється у гібридів першого покоління і обумовлений переходом більшості генів у гетерозиготний стан. При цьому небажані рецесивні мутації стають прихованими. При статевому розмноженні в наступних поколіннях ступінь гетерозиготності зменшується і ефект гібридної сили зникає. Він може зберігатися лише при вегетативному розмноженні. Собака змішаної породи. Гетерозис

Віддалена (міжвидова) гібридизація — схрещування організмів, що належать до різних видів і родів з метою поєднання у гібридів цінних комбінацій спадкових ознак. Здійснюється з труднощами, а отримані гібриди є безплідними через труднощі кон'югації хромосом різних видів у профазі I мейозу. Розроблено методи подолання безпліддя. Найвідомішими прикладами міжвидових гібридів є:тритікале — пшенично-житній гібрид;культурна слива — гібрид аличі і терену;бістер — гібрид білуги і стерляді;мул — гібрид кобили та осла;ішак — гібрид ослиці та коня;нар — гібрид двогорбого та одногорбого верблюдів;зубробізон — гібрид зубрів з бізонами та інші.

Штучний (індукований) мутагенез. Штучний (індукований) мутагенез використовують для збільшення різноманітності вихідного матеріалу. Мутагенез викликають дією мутагенних чинників, наприклад, рентгенівського опромінення. Мутації носять неспрямований характер, тому селекціонер відбирає організми з новими корисними властивостями. Геномною мутацією є поліплоїдизація, тобто кратне збільшення числа хромосомних наборів. Використовується в селекції рослин. Поліплоїдізація дозволяє уникнути безпліддя міжвидових гібридів. Крім того, багато поліплоїдних форм культурних рослин (пшениці, картоплі, овочевих культур) мають вищу врожайність, більші розміри, ніж родинні диплоїдні види. Штучно поліплоїдію викликають обробкою рослин колхіцином. Колхіцин руйнує нитки веретена поділу і перешкоджає розходженню гомологічних хромосом в процесі мейозу.

Введення в культуру рослин. Селекція рослин. Роботи М.І. Вавилова. Великий внесок у розвиток селекційної науки зробив Микола Іванович Вавилов, розробивши закон гомологічних рядів спадкової мінливості. Для успішної селекційної роботи в першу чергу необхідний різноманітний вихідний матеріал. Пошук вихідного матеріалу полегшує закон, відкритий вченим. Вавилов Микола Іванович. Споріднені роди і види живих організмів характеризуються подібними рядами спадкової мінливості.

Якщо відомі форми мінливості одного виду, то можна припустити, що подібні форми існуватимуть і в інших споріднених видів. Вчений організував численні експедиції по всьому світу з метою накопичення насіннєвого матеріалу, який був використаний у селекційній роботі. Вавилов виділив 7 центрів походження культурних рослин на Землі, якими є в основному гірські райони, стародавні осередки землеробства, які характеризуються різноманіттям видів. Вчений заснував світову колекцію насіння культурних рослин та їх диких родичів.

Селекція рослин. У селекції рослин найбільш широко використовуються такі методи, як мутагенез, масовий відбір, внутрішньовидова гібридизація (інбридинг і аутбридинг), віддалена гібридизація, поліплоїдія. Для збільшення розмаїття вихідного матеріалу застосовується штучний мутагенез, при якому частота мутацій зростає у десятки і сотні разів.Інбридинг (близькоспоріднене схрещування) у рослин засновано на примусовому самозапиленні перехреснозапильних форм і використовується для переводу генів у гомозиготний стан і отримання чистих ліній. При схрещуванні чистих ліній утворюються гібриди, які володіють яскраво вираженим гетерозисом. Початки вихідних чистих ліній та їх гібрида

Використовується в селекції рослин і віддалена гібридизація. Отримані гібриди, як правило, безплідні, що обумовлено в основному порушеннями мейозу при утворенні статевих клітин. Для подолання несхрещування видів розроблено спеціальні методи, одним з яких є поліплоїдія. Вперше подолати безпліддя міжвидового гібрида вдалося у 1924 році Г. Д. Карпеченко. Вчений отримав безплідний капустяно-редьковий гібрид з диплоїдним набором 18 хромосом, з яких 9 «редькових» і 9 «капустяних». Кон'югація цих хромосом не відбувалася. Карпеченко подвоїв хромосомний набір. У поліплоїдного гібрида виявилося 36 хромосом (по 18 від редьки і капусти). З'явилася можливість кон'югації, і гібрид став плідним. Карпеченко Георгій Дмитрович

У 20-х роках ХХ ст. були отримані пшенично-житні гібриди (тритикале). У 30 роках Н. В. Цицин здійснив схрещування пшениці з пирієм, а І. В. Мічурін отримав міжвидові гібриди плодово-ягідних культур. Гібрид смородини і агрусу. Поліплоїдна суниця. Особливості селекції рослин:характерне як статеве, так і нестатеве (вегетативне розмноження);велика кількість нащадків;невибагливі до умов середовища;незначні економічні затрати. Методи селекції рослин:використання різних форм штучного добору — індивідуального та масового;використання різних форм гібридизації — споріднене схрещування, неспоріднене та міжвидове;поліплоїдія — метод подолання стерильності рослинних міжвидових гібридів.

Особливості селекції рослин

Особливості селекції тварин. Селекція тварин. Селекція тварин — розділ селекції, що займається створенням нових та поліпшенням існуючих порід домашніх тварин. Основні принципи селекції тварин не відрізняються від принципів селекції рослин. Нові породи тварин одержують на основі спадкової мінливості, застосовують добір і гібридизацію. Добір застосовується лише індивідуальний — виділяють одну особину з необхідними ознаками і отримують від неї потомство. Не застосовують масовий добір, застосовують штучне заплідення та одержання цінних порід у штучних умовах — у «пробірці».

Селекція тварин має ряд особливостей:тварини розмножуються лише статевим шляхом;число особин у потомстві є невеликим;статева зрілість настає через декілька років після народження;утруднено виведення чистих ліній, оскільки самозапліднення є неможливим;деякі ознаки (молочність, несучість) проявляються виключно у самок. Як методи гібридизації використовують:близькоспоріднене схрещування (інбридинг);неспоріднене схрещування (аутбридинг);віддалену гібридизацію.

Особливості селекції тварин:

Значення одомашнення тварин. Одомашнення, або доместикація (від лат. — домашній) — селекційний процес зміни тварин для використання людиною. Більшість видів тварин, що вільно мешкають у природі, не можна одомашнити — на заваді стають їхні спадкові етологічні особливості. Деякі дикі тварини утримуються в неволі як домашні (наприклад, у палацах індійських королів, при дворі Карла Великого жили гепарди, яких використовували на полюванні), проте вони всього лише приручені, а не одомашнені. Такі тварини легко повертаються до життя в дикому середовищі. Процес одомашнення диких тварин починається з відбору окремих особин для отримання потомства з певними ознаками, що зацікавили людину. У процесі селекції в організмів змінюються генетичні властивості й виникають так звані доместикаційні ознаки (наприклад, форма вух, довга чи коротка шерсть). Домашніх тварин виводять для отримання їжі, сировини, ліків, для естетичної насолоди тощо.

Огляд традиційних біотехнологій. Чому сучасна біотенологія є наукою?Біотехнологія виникла як сукупність способів використання живих істот і біологічних процесів для промислового виробництва. З найдавніших часів людина використовувала організми для випікання хліба, приготування кисломолочних продуктів, фарбування одягу тощо. Але лише завдяки дослідженням Л. Пастера (1822 – 1895) біотехнологія набула наукової основи. Цей французький науковець вивчав процеси бродіння, що є основою виноробства й пивоваріння, врятував шовківництво, виявивши причину хвороб шовкопряда, запропонував метод запобіжних щеплень для профілактики інфекційних захворювань, метод пастеризації для зберігання харчових продуктів тощо. Луї Пастер

Основні напрями сучасної біотехнології:клітинна інженерія — культивування клітин і тканин вищих організмів;генна інженерія — перебудова генотипу за рахунок вбудовування або виключення певних генів;мікробіологічна промисловість — виробництво біологічно активних речовин;інженерна ензимологія — використання ферментів мікробного, рослинного і тваринного походження в біохімічних процесах;екологічна інженерія — використання принципів біології та хімії для розробки рішень екологічних проблем, займаться контролем забруднення води, біофільтрів на очисних спорудах.

Сучасна біотехнологія як наука нерозривно пов’язана, в першу чергу, з біологією, хімією, фізикою, технікою та інженерією. Її об’єктами є віруси, бактерії, гриби, клітини рослин, тварин, людини та біомолекули. Для досліджень у біотехнології застосовують найрізноманітніші методи, серед яких:метод культивування біооб’єктів у біореакторах (ферментаторах);метод вирощування клітинних чи тканинних культур в особливих умовах;методи генетичної інженерії;методи мікробіологічного синтезу та ін. За допомогою біотехнології можна отримати екологічно чисту й дешевшу продукцію, й тому вона витіснятиме обмежені ресурсами і екологічно шкідливі сучасні хімічні технології. Біотехнологія — це комплекс наук, технічних засобів, методів, спрямованих на одержання і використання клітин мікроорганізмів, тварин і рослин, а також продуктів їхньої життєдіяльності у промисловості.

Основи генетичної та клітинної інженеріїЧим генетична інженерія відрізняється від класичної селекції?Генетична інженерія — дуже молодий напрям науки на межі молекулярної біології, генетики й біотехнології, метою якого є створення організмів із новими комбінаціями спадкових ознак. Народився цей напрям досліджень у 1972 році, коли Пол Берг уперше поєднав у пробірці ДНК вірусу SV40 (спричиняє появу пухлин у мавп) з ДНК бактеріофага лямбда (паразитує в клітинах кишкової палички). Так було отримано першу рекомбінантну ДНК (рек. ДНК) — молекула ДНК, яка поєднує в собі генетичний матеріал, виділений з різних біологічних джерел. Це стало початком розробки біотехнології одержання рек. ДНК, що є основою генетичної інженерії. Далі відбулись відкриття ферментів, що розрізають і зшивають ланцюги ДНК, методів визначення послідовності нуклеотидів ДНК (метод секвенування), методів клонування генів та ін. Ці дослідження дають змогу конструювати генетичні структури й отримувати організми з потрібними ознаками. Пол Берг

У чому ж переваги генетичної інженерії перед селекцією? Під час створення нових порід, сортів чи штамів селекція стикається з такими проблемами, як несхрещуваність видів, некерованість ззовні процесами рекомбінації ДНК, непередбачуваність комбінацій ознак серед нащадків та ін. Селекція у своїх дослідженнях спирається на добір ознак та внутрішньовидову гібридизацію. На все це витрачається дуже багато часу, використовуються різні мутагени для штучного мутагенезу і не завжди результати відповідають очікуваним сподіванням. Генетична інженерія — напрям науки, метою якого є створення генетичних структур та організмів з новими комбінаціями спадкових ознак.

Методи генетичної інженеріїДля отримання генів, їх поєднання з векторами (плазмідами чи вірусами) в генетичній інженерії використовують ферменти:ревертази (ферменти, які каталізують синтез нитки ДНК на матриці іРНК);рестриктази (ферменти, які розрізають нуклеотидні послідовності в певних місцях);лігази (ферменти, які поєднують нуклеотидні послідовності). Основними методами генетичної інженерії є:методи отримання генетичного матеріалу (для отримання генів шляхом хімічного чи матричного синтезу, виділення природних генів із геномів, створення рек. ДНК);методи копіювання і розмноження генів (для розмноження молекул ДНК у складі плазмід чи молекул ДНК вірусів);методи перенесення і включення генетичного матеріалу в геном (для перенесення генів за участі плазмід-векторів, вірусів-векторів чи за допомогою ліпосом).

Генетично модифіковані організми. Генетично модифіковані організми стали реальністю з кінця 1970 років, коли з’явилися перші бактерії із вбудованими генами інсуліну. Це була перша спроба використання ГМО з метою терапії людини білками-продуктами. Для цього в геном кишкової палички вбудували ген людського інсуліну. В результаті невибагливі й дешеві в утриманні бактерії синтезують людський інсулін, який для людини не є чужорідною речовиною. І ось вже майже 40 років препарати штучного інсуліну активно використовують в усьому світі. Генетична модифікація відрізняється від природного та штучного мутагенезу спрямованістю змін генотипу. При цьому генетичний матеріал переносять з одного організму в інший, застосовуючи технологію рекомбінантних ДНК. Створення рек. ДНК відбувається завдяки методам молекулярного клонування — отриманню багатьох копій молекули ДНК in vivo. Під час використання цих вже класичних методів поруч із вбудованим геном, як правило, вставляється маркер. Маркерами можуть бути, наприклад, гени флуоресцентних білків, світіння яких помітне в ультрафіолетовому випромінюванні.

Генетично модифіковані організми (трансгенні організми) — організми, які мають у складі свого геному чужорідні гени інших організмів. Перший трансгенний організм (мишу) було одержано Дж. Гордоном зі співробітниками у 1980 році. Широкомасштабне використання трансгенних організмів розпочалося у 1996 році. Для охорони природи, в харчовій промисловості, в медицині використовуються трансгенні мікроорганізми, які:розкладають нафту після техногенних катастроф (штами метанобактерій);синтезують кормові білки, ліки (інсулін, інтерферони);продукують антибіотики (пеніциліни, цефалоспорини, стрептоміцини, що синтезують цвілеві гриби з родів Пеніциліум та Цефалоспоріум, бактерії роду Стрептоміцети);продукують закваски для виготовлення біокефірів та біойогуртів (штами молочнокислих бактерій) та ін.

Клітинна інженерія. Чим займається клітинна інженерія?Клітинна інженерія — це галузь науки, завданням якої є створення нових клітин та отримання тканин, органів й організмів з клітинного матеріалу. Основними методами сучасної клітинної інженерії є:метод гібридизації соматичних клітин — поєднання соматичних клітин різних тканин або організмів для отримання нових комбінацій ознак;метод культури клітин (тканин) — виділення й перенесення клітин з організму на поживні середовища для отримання культури клітин. Клітинні культури — це генетично однорідні популяції клітин, що ростуть у сталих умовах середовища. Метод використовується для визначення мутагенної дії чинників довкілля, діагностики захворювань, картування хромосом, вирощування стовбурових клітин, отримання калюсних культур;метод злиття ембріонів на ранніх стадіях — для створення химерних організмів (наприклад, химерних мишей);метод клонування організмів — отримання із застосуванням нестатевих способів розмноження клонів, що складаються з генетично однорідних клітин.

Досягення клітинної інженеріїПоєднання клітин різних видів чи різних зародків на ранніх стадіях їхнього розвитку є основою технології отримання химерних клітин і химерних організмів. Отримання та дослідження химерних клітин (наприклад, гібридних клітин миші й курки, людини й миші) використовують для картування генів, вивчення сумісності тканин у разі трансплантації органів, розуміння причин виникнення пухлин тощо. Химерні організми (химери) — організми, в яких тканини складаються зі спадково неоднакових клітин або клітинних систем. Химера європейська Гінандроморфізм

У природі химерні організми зазвичай виникають унаслідок соматичних мутацій чи порушення мітозу (природні химери, що їх називають мозаїками). Штучні химери отримують завдяки тканинній трансплантації у тварин або щеплення у рослин. У фармацевтичній промисловості широкого поширення набула технологія рослинних клітинних культур. Для цього групу клітин з рослини (бруньки, стебла тощо) поміщають у стерильне поживне середовище, де вони «омолоджуються» і починають посилено розмножуватися й рости. Внаслідок поділу клітин виникає своєрідна тканина, яка називається калюсною. З неї, наприклад, можна виростити на живильному середовищі велику кількість клітин женьшеню, родіоли рожевої, діоскореї, які є джерелом лікарських речовин. Клонування рослин: 1 - отримання клітинного матеріалу від рослини-донора; 2 - культивування клітин на штучному поживному середовищі; 3 - отримання культури недиференційованих клітин; 4 - завдяки диференціації клітин з’являються тканини та органи клонованої рослини; 5 - клоновану рослину висажують у грунт.

У селекції рослин застосовується технологія клонального мікророзмноження рослин. Цим способом із невеликих частин рослини отримують до 1 млн рослин на рік. Клональне мікророзмноження використовують для оздоровлення та швидкого розмноження рідкісних, цінних та новостворених сортів культурних рослин. Таким шляхом вже отримують картоплю, грецький горіх, виноград, садові суниці, ремонтантні сорти малини, ожини.

Клонування організмів (від грец. клон — гілка) — отримання багатьох ідентичних за формою і функціями генетично однакових нащадків однієї клітини або одного організму. У випадку одноклітинних організмів цей процес є достатньо простим. Проте для клонування багатоклітинних організмів потрібно докласти значно більше зусиль, оскільки це є набагато важчим завданням. Крім того, такі клітини розвиваються дуже повільно у звичайних умовах. Основою клонування є явище тотипотентності. Тотипотентність — здатність однієї клітини багатоклітинного організму давати початок цілому новому організму шляхом поділу. Ян Вілмут з вівцею Долліhttps://24tv.ua/pershe-uspishne-klonuvannya-chomu-stan-vivtsi-novini-v-sviti_n1590771

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ !!!