Бактерии и вирусы в биотехнологиях

Обновлено: 18.04.2024

Бактериофаги – это вирусы, которые поражают только бактерий. В ходе инфекции они влияют на все процессы жизнедеятельности бактериальной клетки, фактически превращая ее в фабрику по производству вирусного потомства. В конце концов клетка разрушается, а вновь образованные вирусные частицы выходят наружу и могут заражать новые бактерии.

Несмотря на огромное число и разнообразие природных фагов, встречаемся мы с ними редко. Однако бывают ситуации, когда деятельность этих вирусов не остается незамеченной. Например, на предприятиях, где производят сыры, йогурты и другие молочно-кислые продукты, часто приходится сталкиваться с вирусной атакой на бактерии, сбраживающие молоко. В большинстве таких случаев фаговая инфекция распространяется молниеносно, и полезные бактерии гибнут, что приводит к значительным экономическим потерям (Neve et al., 1994).

Именно благодаря прикладным исследованиям в интересах молочной промышленности, направленным на получение устойчивых к бактериофагам штаммов молочно-кислых бактерий, был открыт ряд механизмов, с помощью которых бактерии избегают инфекции. Параллельно были изучены способы, с помощью которых вирусы, в свою очередь, преодолевают бактериальные системы защиты (Moineau et al., 1993).

Кто защищен – тот вооружен

На сегодня известно пять основных, весьма хитроумных механизмов защиты, которые бактерии выработали в непрестанной борьбе с вирусами: изменение рецептора на поверхности клетки; исключение суперинфекции; системы абортивной инфекции; системы рестрикции-модификации и, наконец, системы CRISPR-Cas.

К средствам противовирусной защиты бактерий относятся и системы рестрикции-модификации, в которые входят гены, кодирующие два белка-фермента – рестриктазу и метилазу. Рестриктаза узнает определенные последовательности ДНК длиной 4—6 нуклеотидов и вносит в них двуцепочечные разрывы. Метилаза, напротив, ковалентно модифицирует эти последовательности, добавляя к отдельным нуклеотидным основаниям метильные группы, что предотвращает их узнавание рестриктазой.

Врага нужно знать в лицо

Системы CRISPR-Cas являются уникальным примером адаптивного иммунитета бактерий. При проникновении в клетку ДНК фага специальные белки Cas встраивают фрагменты вирусной ДНК длиной 25—40 нуклеотидов в определенный участок генома бактерии (Barrangou et al., 2007). Такие фрагменты называются спейсерами (от англ. spacer – промежуток), участок, где происходит встраивание, – CRISPR-кассета (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), а сам процесс приобретения спейсеров – адаптацией.

Чтобы использовать спейсеры в борьбе с фаговой инфекцией, в клетке должен происходить еще один процесс, управляемый белками Cas, названный интерференцией. Суть его в том, что в ходе транскрипции CRISPR-кассеты образуется длинная молекула РНК, которая разрезается белками Cas на короткие фрагменты – защитные криспрРНК (крРНК), каждая из которых содержит один спейсер. Белки Cas вместе с молекулой крРНК образуют эффекторный комплекс, который сканирует всю ДНК клетки на наличие последовательностей, идентичных спейсеру (протоспейсеров). Найденные протоспейсеры расщепляются белками Cas (Westra et al., 2012; Jinek et al., 2012).

Системы CRISPR-Cas обнаружены у большинства прокариот – бактерий и архей. Хотя общий принцип действия всех известных систем CRISPR-Cas одинаков, механизмы их работы могут существенно отличаться в деталях. Наибольшие различия проявляются в строении и функционировании эффекторного комплекса, в связи с чем системы CRISPR-Cas делят на несколько типов. На сегодняшний день описаны шесть типов таких неродственных друг другу систем (Makarova et al., 2015; Shmakov et al., 2015).

Наиболее изученной является система CRISPR-Cas I типа, которой обладает излюбленный объект молекулярно-биологических исследований – бактерия кишечная палочка (Esсherichia coli). Эффекторный комплекс в этой системе состоит из нескольких небольших белков Cas, каждый из которых отвечает за разные функции: разрезание длинной некодирующей CRISPR РНК, связывание коротких крРНК, поиск, а затем разрезание ДНК-мишени.

Гонка вооружений

Бактериофаги, как факторы среды, вызывают направленные изменения в геноме бактерий, которые наследуются и дают бактериям явное преимущество, спасая от повторных инфекций. Поэтому системы CRISPR-Cas можно считать примером ламарковской эволюции, при которой происходит наследование благоприобретенных признаков (Koonin et al., 2009)

Некоторые бактериофаги реагируют на наличие в бактериальной клетке систем CRISPR-Cas выработкой особых анти CRISPR-белков, способных связываться с белками Cas и блокировать их функции (Bondy-Denomy et al., 2015). Еще одно ухищрение — обмен участков генома вируса, на которые нацелена система CRISPR-Cas, на участки геномов родственных вирусов, отличающихся по составу нуклеотидной последовательности (Paez-Espino et al., 2015).

Благодаря постоянному совершенствованию биоинформатических алгоритмов поиска, а также включению в анализ все большего количества прокариотических геномов, открытие новых типов CRISPR-Cas систем является делом недалекого будущего. Предстоит также выяснить и детальные механизмы работы многих недавно открытых систем. Так, в статье, опубликованной в 2016 г. в журнале Science и посвященной анализу системы CRISPR-Cas VI типа, описан белок С2с2, образующий эффекторный комплекс с крРНК, который нацелен на деградацию не ДНК, а РНК (Abudayyeh et al., 2016). В будущем такое необычное свойство может быть использовано в медицине для регулирования активности генов путем изменения количества кодируемых ими РНК.

Изучение стратегий борьбы бактерий с бактериофагами, несмотря на свою кажущуюся фундаментальность и отвлеченность от задач практической медицины, принесло неоценимую пользу человечеству. Примерами этого могут служить методы молекулярного клонирования и редактирования геномов – направленного внесения или удаления мутаций и изменения уровня транскрипции определенных генов.

Благодаря быстрому развитию методов молекулярной биологии всего лишь через несколько лет после открытия механизма действия систем CRISPR-Cas была создана работающая технология геномного редактирования, способная бороться с болезнями, ранее считавшимися неизлечимыми. Доступность и простота этой технологии позволяют рассматривать ее как основу для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства и биотехнологий будущего, которые будут базироваться на направленных и безопасных генных модификациях.

Нет никаких сомнений, что дальнейшее изучение взаимодействия бактерий и их вирусов может открыть перед нами такие возможности, о которых мы сейчас даже не подозреваем.

Abudayyeh O. O., Gootenberg J. S., Konermann S. et al. C 2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector // Science. 2016. V. 353: aaf5573.

Barrangou R., Fremaux C., Deveau H. et al. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes // Science. 2007. V. 315. P. 1709–1712.

Bikard D., Marraffini L. A. Innate and adaptive immunity in bacteria: mechanisms of programmed genetic variation to fight bacteriophages // Curr. Opin. Immunol. 2012. V. 1 P. 15–20.

Bondy-Denomy J., Garcia B., Strum S. et al. Multiple mechanisms for CRISPR-Cas inhibition by anti-CRISPR proteins // Nature. 2015. V. 526. P. 136–139.

Calendar R., Abedon S. T. The Bacteriophages // 2nd Ed., Oxford University Press. 2006.

Datsenko K. A., Pougach K., Tikhonov A. et al. Molecular memory of prior infections activates the CRISPR/Cas adaptive bacterial immunity system // Nat. Commun. 2012. V. 3. P. 945

Jiang W., Marraffini L. A. CRISPR-Cas: New Tools for Genetic Manipulations from Bacterial Immunity Systems // Annu. Rev. Microbiol. 2015. V. 69. P. 209–28.

Jinek M., Chylinski K., Fonfara I., et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity // Science. 2012. V. 337. P. 816–821.

Koonin E. V., Wolf Y. I. Is evolution Darwinian or/and Lamarckian? // Biol. Direct. 2009. V. 4. P. 42.

Lopez-Pascua L., Buckling A. Increasing productivity accelerates host-parasite coevolution // J. Evol. Biol. 2008. V. 3. P. 853–860.

Makarova K. S., Wolf Y. I., et al. An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems // Nat. Rev. Microbiol. 2015. V. 11. P. 722–736.

Moineau, S., Pandian S., Klaenhammer T. R. Restriction/modification systems and restriction endonucleases are more effective on lactococcal bacteriophages that have emerged recently in the dairy industry // Appl. Envir. Microbiol. 1993. V. 59. P. 197–202.

Neve H., Kemper U., et al. Monitoring and characterization of lactococcal bacteriophage in a dairy plant // Kiel. Milckwirtsch. Forschungsber. 1994. V. 46. P. 167–178.

Nuñez J. K., Harrington L. B., et al. Foreign DNA capture during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015a. V. 527. P. 535–538.

Nuñez J. K., Kranzusch P. J., et al. Cas1-Cas2 complex formation mediates spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nat. Struct. Mol. Biol. 2014. V. 21. P. 528–534.

Nuñez J. K., Lee A. S., Engelman A., Doudna J. A. Integrase-mediated spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015b. V. 519. P. 193–198.

Paez-Espino D., Sharon I., et al. CRISPR Immunity Drives Rapid Phage Genome Evolution in Streptococcus thermophilus // MBio. 2015. V. 6: e00262–15.

Shmakov S., Abudayyeh O. O., Makarova K. S., et al. Discovery and Functional Characterization of Diverse Class 2 CRISPR-Cas Systems. // Mol. Cell. 2015. V. 60. P. 385–397

Tan D., Svenningsen S. L., Middelboe M. Quorum sensing determines the choice of antiphage defense strategy in Vibrio anguillarum. // mBio 2015. V. 6: e00627–15.

Westra E. R., van Erp P. B., Künne T., et al. CRISPR immunity relies on the consecutive binding and degradation of negatively supercoiled invader DNA by Cascade and Cas3 // Mol. Cell. 2012. V. 46. P. 595–605.

Бактерии и вирусы широко используются в различных биотехнологиях. Бактерии применяют в производстве молочнокислых продуктов, витаминов, растворителей, органических кислот и др.

Бактерии, усваивающие атмосферный азот и фосфор. В биотехнологиях используют способность некоторых бактерий усваивать атмосферный азот (например клубеньковые бактерии, живущие на корнях растений семейства бобовых). Сейчас активно ведутся исследования по созданию новых растений, способных вступать в симбиоз (совместное взаимовыгодное сосуществование) с этими бактериями. Успех исследований помог бы повысить продуктивность растений без использования азотных удобрений.

Существуют свободноживущие бактерии, способные усваивать азот из воздуха. На основе этих бактерий созданы специальные бактериальные удобрения, содержащие культуры этих микроорганизмов.

Бактерии при очистке сточных вод. Бактерии активно используются в биотехнологической очистке сточных вод. Бактерии рода псевдомонады способны перерабатывать токсичные для человека органические соединения. Они утилизируют нафталин, толуол, алканы (углеводородные соединения в виде цепочек), камфару, перерабатывают инсектициды и гербициды, которые всё чаще попадают в сточные воды в результате обработки сельскохозяйственных культур. Выделены и культивированы бактерии, способные разлагать компоненты нефти в загрязнённых водах, и т. д.

Молочнокислые бактерии способны перерабатывать сахар в молочную кислоту. Этот процесс издавна применялся людьми для консервации продуктов питания, приготовления кормов (силоса), изготовления разнообразных молочных продуктов и вина.

Основой биотехнологии молочных продуктов является молоко. Молоко является уникальной естественной питательной средой для молочнокислых бактерий. Оно содержит белки (альбумин, казеин), жиры, углеводы (лактоза) и др.

Для получения молочнокислых продуктов стерилизованное молоко или сливки сквашивают путём внесения заквасок. Закваски готовят на основе микроорганизмов. В зависимости от типа закваски получают разные продукты. Например, для производства кефира и кумыса применяют закваски, обеспечивающие молочнокислое и спиртовое брожение.

При добавлении в молоко специальной бактерии получают йогурт. В производстве сыров на первом этапе используют молочнокислые бактерии, обеспечивая сворачивание казеина, затем используют другие микроорганизмы для получения сырной массы.

Молочнокислые бактерии применяются при изготовлении колбас сортов салями, сервелата и других изделий. Молочная кислота ускоряет процесс консервирования и придаёт продуктам ценные вкусовые качества.

Биотехнологическое консервирование овощей и фруктов происходит также под воздействием молочнокислых бактерий. Углеводы, содержащиеся в растениях, превращаются в молочную и уксусную кислоты, которые являются прекрасными консервантами. Так получают квашеную капусту и квашеные огурцы, мочёные яблоки, помидоры и др. В нарезанной и хорошо утрамбованной капусте с небольшим добавлением соли начинается спонтанный процесс брожения, в котором принимают участие молочнокислые бактерии.

Биотехнология силосования корма для животных является лучшим способом заготовки и сохранения зелёной массы для корма скота в зимнее время.

Для создания необходимых условий исходное сырьё (траву, ботву и стебли кукурузы) укладывают в специальные силосные ямы или силосные башни (рис. 9.2), тщательно утрамбовывают и накрывают чем-либо.

Создаются условия, в которых основная часть других бактерий погибает, а молочнокислые бактерии перерабатывают углеводы, находящиеся в травяной массе, до тех пор, пока концентрация молочной кислоты не составит 60 % и кислотность силоса не достигнет нужного уровня.

Кислотность характеризует активность ионов водорода в растворе. Кроме молочной, в силосе накапливается и уксусная кислота. Для завершения процесса требуется около одного месяца.

Вирусы в биотехнологиях. Из-за того что вирусы обладают способностью легко проникать внутрь клетки, их используют в различных биотехнологиях.

Проникая в клетку, вирусы могут внедрять в неё чужеродный генетический материал.

Такую биотехнологию применяют при лечении наследственных заболеваний. Вирусы-бактериофаги используют в лабораторной диагностике бактериальных инфекций.

На основе бактериофагов разрабатывают и производят медицинские препараты для лечения бактериальных заболеваний.

Проверьте себя:

1. В чём значение бактерий, усваивающих атмосферный азот?

2. Почему при очистке сточных вод важно использовать бактерии псевдомонады?

3. Какую роль выполняют кисломолочные бактерии при производстве кисломолочных продуктов?

4*. В каких биотехнологиях используют вирусы?

* Разберитесь, почему квашеная капуста приобретает кислый вкус, которого нет у свежей капусты.

Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей

Более 300 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения

Онлайн
формат
Диплом
гособразца
Помощь в трудоустройстве

Описание презентации по отдельным слайдам:

Объекты биотехнологии
вирусы, бактерии, водоросли, лишайники

Биотехнология
это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве.
БИОТЕХНОЛОГИИ ПОЗВОЛЯЮТ МИРУ СТАТЬ ЛУЧШЕ!

БИО-
ТЕХНОЛОГИИ
Создание продуктов, полезных человеку
Получение новых эффективных лекарств
Применение микроорганизмов для очистки окружающей среды
Борьба с болезнями растений и животных

Характерные особенности вирусов

Разнообразие вирусов по форме

Бактериофаги – вирусы бактерий

Бактерии
Bacillus subtilis

Приготовление кисломолочной продукции -
биотехнологическая процедура

Фармакология и лекарственная индустрия

Водоросли – как объект биотехнологий

Лишайники – как объект биотехнологий

Краткое описание документа:

Проще говоря, может разложить даже нефть и пенополистирол.

А еще недавно запатентовали штамм, который своим присутствием стимулирует рост технических, зерновых и овощных культур, ускоряя его до 6 раз.

Некоторые штаммы этой псевдомонии — знатные курильщики и кофеманы.

Да-да, на табачных плантациях они с радостью разлагают никотин, для получения углерода и азота. Может нам и вправду стоит применять их фермент NicA2 для получения препаратов от табачной зависимости?

С кофе примерно похожая история. Бодрые, после переработки кофеина, они быстро вытесняю другую микрофлору из вашей любимой кофемашины.

Третья бацилла нашего хит-парада — сенная палочка. Раньше эту бактерию получали из сенных отваров, так и прижилось название.

Клетки без жгутиков. Обычный обитатель почвы. Когда ей не комфортно, то запросто образует устойчивые споры.

В биотехе ее используют для получения ферментов (протеаз, амилаз), а также некоторых полипептидных антибиотиков, аминокислот и полисахаридов.

Это значит, что можно применять сенную палочку против патогенных микроорганизмов: сальмонелл, протей, стафилококков, стрептококков, дрожжевых грибков.

Ими лечат от кишечных расстройств, дисбактериоза, бактериального вагиноза и используют для профилактики нагноения и сепсиса после операций.

А еще можно применять свойства данной бактерии для создания пробиотиков, профилактики расстройств ЖКТ у животных: птиц, скота и рыб.

Пробиотики — препараты и БАД, состоящие из живых микроорганизмов, которые подавляют рост патогенной микрофлоры.

На основе штаммов B.subtilis производят ряд микробиологических препаратов, предназначенных для защиты огородных, садовых и комнатных растений от грибковых и бактериальных болезней.

Бактерия — актиномицет. Это значит, что при благоприятных условиях она способна формировать мицелий. Да, такое тоже бывает вне ведомства грибов.

Стрептомицес способен расщеплять сложную органику, такую как хитин и целлюлоза.

Его активно используют в получении антибиотиков: актинородин, метиленомицин, перимицин и других.

Относится к роду коринебактерий. Кстати, один из близких родственников даже вызывает дифтерию. Но не наша бактерия.

Не трудно догадаться по названию, что штаммы данного вида используют для производства аминокислот — глутаминовой кислоты, лизина. Помните, их частенько используют в составе биодобавок, в том числе и спортивного питания.

В биотехнологии используется огромное количество различных штаммов и видов бактерий.

Все они часто применяются в фармацевтическом производстве. Все потому что очень просты в содержании, легко поддаются генетической модификации и не являются патогенными для человека.

Поэтому всё, что изготавливается с применением таких микроорганизмов и продается в магазинах и аптеках безопасно. Даже полезно. Это не те бактерии, которых стоит опасаться.

Читайте также: