علم وراثة الأحياء الدقيقة
تطبيقات علم الوراثة الميكروبية

الميكروبات مناسبة بشكل مثالي لدراسات الكيمياء الحيوية والوراثة وقد قدمت مساهمات كبيرة في هذه المجالات العلمية مثل إثبات أن الحمض النووي هو المادة الجينية، وأن الجين له بنية خطية بسيطة، وأن الشيفرة الجينية عبارة عن رمز ثلاثي، ولذلك يُنّظَّم التعبير الجيني من خلال عمليات وراثية محددة. استخدم جاك مونو وفرانسوا جاكوب الإشريكية القولونية، وهو نوع من البكتيريا، من أجل تطوير نموذج أوبرون للتعبير الجيني، والذي يضع أساس التعبير الجيني والتنظيم. علاوة على ذلك، فإن العمليات الوراثية للكائنات الحية الدقيقة أحادية الخلية حقيقية النواة تشبه تلك الموجودة في الكائنات متعددة الخلايا، مما يسمح للباحثين بجمع المعلومات حول هذه العملية أيضًا. هناك بكتيريا أخرى ساهمت بشكل كبير في مجال علم الوراثة وهي المستحرة المائية، وهي بكتيريا تتحمل درجات الحرارة العالية. من هذا الميكروب قام العلماء بعزل إنزيم بوليميراز المستحرة المائية، والذي يستخدم الآن في التقنية التجريبية القوية، تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). بالإضافة إلى ذلك، أدى تطوير تقنية التنسيل الجزيئي من خلال استخدام البكتيريا إلى ولادة الهندسة الوراثية والتقانة الحيوية الحديثة.
باستخدام الميكروبات، طُوِّرت بروتوكولات لإدخال الجينات في البلازميدات البكتيرية، والاستفادة من تكاثرها السريع لإنشاء معامل حيوية للجين المعني. يمكن أن تنتج هذه البكتيريا المعدلة وراثيًا أدوية مثل الأنسولين وهرمون النمو البشري والإنترفيرون وعوامل تخثر الدم. عادة ما تكون هذه المصانع الحيوية أرخص بكثير في التشغيل والصيانة من الإجراءات البديلة لإنتاج المستحضرات الصيدلانية. فهي تشبه ملايين الآلات الصيدلانية الصغيرة التي لا تتطلب سوى المواد الخام الأساسية والبيئة المناسبة لإنتاج كمية كبيرة من المنتجات. كان لاستخدام دمج جين الأنسولين البشري وحده تأثيرات عميقة على الصناعة الطبية. يُعتقد أن المصانع الحيوية قد تكون المفتاح النهائي لخفض سعر المُركبات الصيدلانية باهظة الثمن التي تنقذ الحياة.
تصنع الميكروبات مجموعة متنوعة من الإنزيمات للتطبيقات الصناعية، مثل الأطعمة المخمرة، وكواشف الاختبارات المعملية، ومنتجات الألبان (مثل الرينين)، وحتى في الملابس (مثل فطر الترايكوديرما الذي يستخدم إنزيمه لمنح الجينز مظهرًا مغسولًا بالحجر).
توجد حاليًا إمكانية لاستخدام الميكروبات كبديل للمواد الخافضة للتوتر السطحي القائمة على البترول. ستظل المواد الخافضة للتوتر السطحي الميكروبية لديها نفس النوع من المجموعات الوظيفية المحبة للماء والكارهة للماء مثل نظيراتها القائمة على البترول، لكن لها مزايا عديدة على منافستها. بالمقارنة، فإن المركبات الجرثومية مزدوجة الألفة لديها ميل قوي للبقاء وظيفية في البيئات القاسية مثل المناطق ذات الحرارة العالية أو درجة الحموضة الشديدة. كل ذلك مع كونها قابلة للتحلل البيولوجي وأقل سمية للبيئة. يمكن أن تكون طريقة الإنتاج الفعالة والرخيصة هذه هي الحل للاستهلاك العالمي المتزايد باستمرار للمواد الخافضة للتوتر السطحي. ومن المفارقات أن تطبيق المواد الخافضة للتوتر السطحي الحيوية الأكثر طلبًا هو صناعة النفط التي تستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي في الإنتاج العام بالإضافة إلى تطوير تركيبات زيت معينة.
تعد الميكروبات مصدرًا وفيرًا للليباز والتي لها مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية والاستهلاكية. تؤدي الإنزيمات مجموعة متنوعة من الوظائف داخل خلايا الكائنات الحية، لذلك من المنطقي فقط أنه يمكننا استخدامها لأغراض مماثلة على نطاق أوسع. تُفضل الإنزيمات الميكروبية عادةً للإنتاج الضخم نظرًا لتنوع الوظائف المتاحة وقدرتها على الإنتاج الضخم. عادةً ما تكون الإنزيمات النباتية والحيوانية باهظة الثمن بحيث لا يمكن إنتاجها بكميات كبيرة، ولكن هذا ليس هو الحال دائمًا. خاصة في النباتات. تشتمل التطبيقات الصناعية للليباز عمومًا على الإنزيم كمحفز أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة في إنتاج المواد الكيميائية ذات القيمة التجارية من الدهون والزيوت، لأنها قادرة على الاحتفاظ بخصائصها الخاصة في ظروف معتدلة وسهلة الصيانة والعمل بمعدل متزايد . تشمل التطبيقات الأخرى الناجحة بالفعل للإنزيمات المحللة للدهون إنتاج الوقود الحيوي، والبوليمرات، والمستحضرات الصيدلانية غير الفراغية، والمركبات الزراعية، ومركبات تعزيز النكهة.
فيما يتعلق بالتحسين الصناعي، تتمثل فائدة طريقة إنتاج المصنع الحيوي في القدرة على توجيه التحسين عن طريق التطور الموجه. ستزداد كفاءة وخصوصية الإنتاج بمرور الوقت من خلال فرض الاختيار الاصطناعي. هذه الطريقة لتحسين الكفاءة ليست جديدة في الزراعة، لكنها مفهوم جديد نسبيًا في الإنتاج الصناعي. يُعتقد أن هذه الطريقة ستكون أفضل بكثير من الطرق الصناعية التقليدية لأن لديك تحسينًا على عدة جبهات. الجبهة الأولى هي أن الكائنات الحية الدقيقة التي تشكل المصانع الحيوية يمكن أن تتطور لتلبية احتياجاتنا. الواجهة الثانية هي الطريقة التقليدية للتحسين الناتجة عن تكامل التقنيات المتقدمة.