Генная инженерия

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДЕТСКИЙ ТЕХНОПАРК «кВАНТОРИУМ»

Разработка учебного занятия

по дополнительной общеобразовательной общеразвивающей

программе «Курс молодого исследователя»

1 год обучения (16-18 лет)

Кейс 1: «Основы микробиологии и цитологии»

Тема № 1.4: «Генетическая инженерия. Биотехнологии»

Автор-составитель:

Пупкова Алёна Сергеевна

педагог дополнительного образования

МБОУ ДО Кванториум

г. Комсомольск-на-Амуре 2021 г.

Цель:Сформировать у обучающихся знания генной инженерии.

Задачи:

Образовательные: 

- Обеспечить в ходе занятия усвоение следующих основных понятий: генная инженерия, клеточная инженерия, вектор,

- Изучить особенности генной инженерии;

-Изучить методы генной инженерии;

Развивающие: 

-Развивать умение аргументировать высказываемую точку зрения;

-Воспитывать познавательный интерес у учащихся;

-Развивать умение грамотно выражать мысли и речь у учащихся.

Воспитательные: 

- Формировать положительное отношение к совместному труду;

- Формировать культуру общения, коммуникативные навыки;

- Формирование бережного отношения к своему организму.

Тип занятия – комбинированный

Методы:про­блемного изложения, объясни­тельно-иллюстративный, частично-поисковый.

Основные понятия: генная и клеточная инженерия.

Оборудование и материалы: Презентация «Генная инженерия», интерактивная доска, проектор, колонки.

Ход занятия:

1.Организационный момент (5 мин.).

2.Актуализация знаний (10 мин.).

3.Объяснение нового материала (60 мин.).

4.Динамические паузы (5 мин.).

5.Закрепление материала (15 мин.).

6.Рефлексия. Подведение итогов (5 мин.).

1. Организационный момент.

Педагог: Здравствуйте! Как сказал Э. Берн: - «Нет неразрешимых проблем, есть неприятные решения». Как избежать неприятных решений? Важно ли настроение при работе? Что может помочь лучше и хорошо трудиться?

Учащиеся: Погода, желание, хорошее слово.

2. Актуализация знаний.

Педагог: Итак, сейчас я покажу вам ребусы, в которых будет зашифрована тема нашего сегодняшнего занятия.

Педагог: Так какова же тема сегодняшнего занятия?

Учащиеся: Варианты ответов учащихся.

3. Объяснение нового материала.

Педагог: Всё верно, тема нашего занятия «Генная инженерия». Как вы думаете, какая цель нашего занятия?

Учащиеся: Сформировать знания о генной инженерии.

Педагог: Как вы думаете, что такое ген?

Учащиеся: Элементарная единица наследственности, наименьший неделимый элемент наследственного материала, который может быть передан от родителей потомству как целое и который определяет признаки, свойства или физиологическую функцию организма.

Педагог: Хорошо. Что же тогда такое генная инженерия?

Учащиеся: Это современное направление биотехнологии, объединяющее знания, приемы и методики из целого блока смежных наук — генетики, биологии, химии, вирусологии и так далее — чтобы получить новые наследственные свойства организмов.

Педагог: Верно. А что такое клеточная инженерия?

Учащиеся: Предполагает создание клеток нового типа путем их культивирования, гибридизации и реконструкции. Клетки видоизменяют, вводя в них новые хромосомы, ядра, клеточные органоиды.

Педагог: Молодцы. Давайте поговорим о истории возникновения генной инженерии.

Генная инженерия появилась в 1970-х годах. В 1972 году команда стэнфордского учёного Пола Берга впервые провела сплайсинг генов — сшила фрагменты ДНК разного происхождения, получив рекомбинантную ДНК: в её состав вошли участки геномов онкогенного вируса SV40 и бактериофага (вируса, способного уничтожать бактерии).

Эксперименты вызвали опасения учёных относительно безопасности введения такой ДНК в клетки живых организмов, поэтому исследования остановили ещё до испытаний в естественных условиях.

В 1973 году команда учёных под руководством Герберт Бойера и Стэнли Коэна сообщила о первом в мире организме (Escherichia coli, или кишечная палочка), полученном с помощью рекомбинантной ДНК. Исследования показали, что ген определённого организма можно с помощью особых ферментов вставить в иное генетическое окружение.

Через два года состоялась международная встреча по проблеме рекомбинантных ДНК, организованная Полом Бергом, чтобы обсудить потенциальные опасности и регулирование биотехнологии. Группа из 140 биологов, юристов и врачей приняла участие в конференции — для разработки принципов безопасности при работе с рекомбинантной ДНК.

Спустя годы конференция вместе с публичными дебатами по этой проблеме увеличила общественный интерес к биомедицинским исследованиям и молекулярной генетике.

В 1977 году Фредерик Сенгер разработал метод секвенирования ДНК, который позволял установить последовательность нуклеотидов — веществ, составляющих ДНК.

За год до этого Роберт Свонсон и Герберт Бойер основали компанию Genentech, которая через несколько лет в сотрудничестве с университетскими коллективами получила первые в мире генно-инженерные лекарства: человеческие инсулин и гормон роста.

В 1980 году цена акции Genentech на Нью-Йоркской фондовой бирже увеличилась в два раза. Стоимость компании выросла до $500 млн, а журнал Time поместил Бойера на свою обложку.

В 1990 году официально стартовал проект «Геном человека», координируемый Министерством энергетики и Национальными институтами здравоохранения США.

Цель проекта — определить последовательности из 3 млрд пар химических оснований, составляющих ДНК человека, и выявить приблизительно 20–25 тысяч генов, чтобы открыть новые пути к успехам в медицине и биотехнологии.

Первоначально планировалось, что проект продлится 15 лет, но технический прогресс ускорил дату завершения до 2003 года.

Создание первого «чернового» варианта генома (рассматривалось 90% генома с точностью 99,9%) человека оценивалось в $300 млн. Однако все исследования по теме, включая сравнительные анализы и решение ряда этических проблем, по оценкам NHGRI, стоили в сумме всем странам-участницам около $3 млрд.

Производство высококачественной «готовой» последовательности, которая охватывает 95% генома с точностью 99,99%, — трудоёмкий процесс с высокими затратами. С тех пор стоимость секвенирования значительно снизилась и упростилась.

По данным NHGRI, цена секвенирования сегодня колеблется в диапазоне $1500–4000. Большинство последовательностей генома человека, производимых сегодня, — «черновые».

4. Динамическая пауза

https://www.youtube.com/watch?v=NRGQsVUQfzg

Педагог: Теперь поговорим о самом главном, о методах генной инженерии. Вам предлагается текст, в котором вам нужно найти методы генной инженерии и рассказать о них.

Текст

Генная, или генетическая инженерия (genetic engineering, genetic modification technology) – это совокупность биотехнологических методов, позволяющих создавать синтетические системы на молекулярно-биологическом уровне

Генная инженерия дает возможность конструировать функционально активные структуры в форме рекомбинантных нуклеиновых кислот: рекДНК (recDNA) или рекРНК (recRNA) – вне биологических систем (in vitro), а затем вводить их в клетки.

Возможность прямой (горизонтальной) передачи генетической информации от одного биологического вида другому была доказана в опытах Ф. Гриффита с пневмококками (1928).

Однако генная инженерия как технология рекДНК возникла в 1972 г., когда в лаборатории П. Берга (Станфордский ун-т, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК (рекДНК), в которой были соединены фрагменты ДНК фага лямбда и кишечной палочки с кольцевой ДНК обезьяньего вируса SV40.

С начала 1980-х гг. достижения генной инженерии начинают использоваться на практике.

С 1996 г. генетически модифицированные растения (genetic modified plants) начинают использоваться в сельском хозяйстве.

Задачи генной инженерии

Основные направления генетической модификации организмов:

– придание устойчивости к ядохимикатам (например, к определенным гербицидам);

– придание устойчивости к вредителям и болезням (например, Bt-модификация);

– повышение продуктивности (например, быстрый рост трансгенного лосося);

– придание особых качеств (например, изменение химического состава).

Методы генной инженерии

Методы генной инженерии основаны на получении фрагментов исходной ДНК и их модификации.

Для получения исходных фрагментов ДНК разных организмов используется несколько способов:

– Получение фрагментов ДНК из природного материала путем разрезания исходной ДНК с помощью специфических нуклеаз (рестриктаз).

– Прямой химический синтез ДНК, например, для создания зондов.

– Синтез комплементарной ДНК (кДНК) на матрице мРНК с использованием фермента обратной транскриптазы (ревертазы).

Выделенные участки ДНК встраивают в векторы переноса ДНК. Векторы ДНК – это небольшие молекулы ДНК, способные проникать в другие клетки и реплицироваться в них.

В состав вектора ДНК входит не менее трех групп генов:

1. Целевые гены, которые интересуют экспериментатора.

2. Гены, отвечающие за репликацию вектора, его интеграцию в ДНК клетки-хозяина и экспрессию требуемых генов.

3. Гены-маркеры (селективные, репортерные гены), по деятельности которых можно судить об успешности трансформации (например, гены устойчивости к антибиотикам или гены, отвечающие за синтез белков, светящихся в ультрафиолетовом свете).

Для внедрения векторов в прокариотические или эукариотические клетки используют различные способы, например:

1. Биотрансформация. Используются векторы, способные сами проникать в клетки. Частным случаем биотрансформации является агробактериальная трансформация.

2. Микроинъекции. Используются, если клетки, подлежащие трансформации, достаточно крупные (например, икринки, пыльцевые трубки).

3. Биобаллистика (биолистика). Векторы «вбивают» в клетки с помощью специальных «пушек».

4. Комбинированные методы, например, сочетание агробактериальной трансформации и биолистики.

В качестве векторов часто используют плазмиды (кольцевые молекулы ДНК прокариотических клеток), а также ДНК вирусов. У эукариот в качестве векторов используют мобильные генетические элементы – участки хромосом, способные образовывать множество копий и встраиваться в другие хромосомы. В составе одного вектора можно комбинировать различные фрагменты ДНК (различные гены). Вновь образованные фрагменты ДНК называют рекомбинантными.

Векторы переноса ДНК вместе с внедренными фрагментами ДНК различными способами вводят в прокариотические или эукариотические клетки и получают трансгенные клетки. В ходе размножения трансгенных клеток происходит клонирование требуемых фрагментов ДНК, в частности, отдельных генов. Клонированные гены эукариот подвергают различным модификациям (например, добавляют перед ними определенные промоторы) и внедряют в клетки-продуценты. Основная проблема состоит в том, чтобы чужеродные гены экспрессировались постоянно, то есть должен происходить синтез необходимых веществ без ущерба для клетки–хозяина.

Практические достижения современной генной инженерии заключаются в следующем:

– Созданы банки генов, или клонотеки, представляющие собой коллекции клонов бактерий. Каждый из этих клонов содержит фрагменты ДНК определенного организма (дрозофилы, человека и других).

– На основе трансформированных штаммов вирусов, бактерий и дрожжей осуществляется промышленное производство инсулина, интерферона, гормональных препаратов. На стадии испытаний находится производство белков, позволяющих сохранить свертываемость крови при гемофилии, и других лекарственных препаратов.

– Созданы трансгенные высшие организмы (многие растения, некоторые рыбы и млекопитающие) в клетках которых успешно функционируют гены совершенно других организмов. Широко известны генетически защищенные генно-модифицированные растения (ГМР), устойчивые к высоких дозам определенных гербицидов, а также Bt-модифицированные растения, устойчивые к вредителям. Среди трансгенных растений лидирующие позиции занимают: соя, кукуруза, хлопок, рапс.

Эколого-генетические риски ГМ-технологий

Генная инженерия относится к технологиям высокого уровня (high technology). В противоположность технологиям низкого уровня, высокие биотехнологии характеризуются высокой наукоемкостью, т.е. использованием рабочих систем, полученных с использованием самых современных методов экологии, генетики, микробиологии, цитологии, молекулярной биологии. Материалы, применяемые в высоких биотехнологиях, часто нуждаются в специальной подготовке. Для реализации таких технологий требуется специальное технологическое оборудование, обслуживаемое квалифицированными специалистами. Из-за нехватки таких специалистов расширение высокотехнологичного производства сопровождается его автоматизацией и компьютеризацией.

ГМ-технологии (GM-technology) используются как в рамках обычного сельскохозяйственного производства, так и в других областях человеческой деятельности: в здравоохранении, в промышленности, в различных областях науки, при планировании и проведении природоохранных мероприятий.

Любые технологии высокого уровня могут быть опасными для человека и окружающей его среды, поскольку последствия их применения непредсказуемы. Поэтому технологии генной инженерии (GM-technology) вызывают у населения вполне понятное недоверие.

Для снижения вероятности неблагоприятных эколого-генетических последствий применения генно-инженерных технологий постоянно разрабатываются новые подходы. Например, трансгенез (внедрение в геном генетически модифицируемого организма чужеродных генов) в ближайшем будущем может быть вытеснен цисгенезом (внедрение в геном генетически модифицируемого организма генов этого же или близкородственного вида).

5. Закрепление материала

Педагог: В закрепление материала, прошу пройти тестирование (Приложение 1). Один тест, на одного человека.

6. Рефлексия

Прием «Лесенка успеха» - 1 ступенька - у меня ничего не получилось; 2 ступенька - у меня были проблемы; 3 ступенька – у меня были проблемы, но я справился; 4 ступенька - мне всё удалось.

Список использованной литературы

1. Агеенко, А. И. Молекулярная биология и иммунология вирусного канцерогенеза / А.И. Агеенко. - М.: Медицина, 2005. - 328 c.

2. Дубинин, Н. П. Н. П. Дубинин. Избранные труды. Том 4. История и трагедия советской генетики. Философские проблемы генетики / Н.П. Дубинин. - М.: Наука, 2002. - 408 c.

3. Левонтин, Р. Человеческая индивидуальность: наследственность и среда / Р. Левонтин. - М.: Издательская группа "Прогресс", 1993. - 206 c.

4. Назарова, А. Ф. Популяционная генетика и происхождение народов Евразии. Генетический портрет / А.Ф. Назарова. - Москва: Мир, 2009. - 304 c.

5. Салганик, Л. М. Англо-русский словарь генетических и цитологических терминов: моногр. / Л.М. Салганик. - М.: Наука. Сибирское отделение, 1978. - 144 c.

Интернет-источники:

1. Генная инженерия. Режим доступа: https://vechnayamolodost.ru/articles/gennajainzhenerija/gennajainzhenerija/ (дата обращения 28.09.2021).

2. Генетическая инженерия. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Генетическая_инженерия (дата обращения 28.09.2021).

Приложение 1

Тест

1. Направление биотехнологии, в котором используются микроорганизмы для получения антибиотиков, витаминов, называют

1) биохимическим синтезом

2) генной инженерией

3) клеточной инженерией

4) микробиологическим синтезом

2. Установите соответствие между приёмами и методами биотехнологии: для этого к каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго столбца.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами:

3. Направление биотехнологии, в котором используются микроорганизмы для получения антибиотиков, витаминов, назы вают

1) биохимическим синтезом

2) инженерией малых размеров

3) клеточной инженерией

4) микробиологическим синтезом

4. Производство гормона инсулина с помощью бактерий стало возможно благодаря

1) генной инженерии

2) клеточной инженерии

3) цитологии

4) клонированию

5. В клеточной инженерии проводят исследования, связанные с

1) пересадкой ядер из одних клеток в другие

2) введением генов человека в клетки бактерий

3) перестройкой генотипа организма

4) пересадкой генов от бактерий в клетки злаковых

6. Использование микроорганизмов для получения кормов относится к

1) селекции

2) биотехнологии

3) генной инженерии

4) клеточной инженерии

7. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Генная инженерия, в отличие от клеточной, включает исследования, связанные с

1) культивированием клеток высших организмов

2) гибридизацией соматических клеток

3) пересадкой генов

4) пересадкой ядра из одной клетки в другую

5) получение рекомбинантных (модифицированных) молекул РНК и ДНК

8. Все приведённые ниже характеристики, кроме двух, используют для описания клеточной инженерии. Определите две характеристики, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) отбор родителей для скрещивания

2) гибридизация клеток

3) гетерозис у гибридных клеток

4) внедрение плазмиды в клетку эукариот

5) перенос ядра из соматической клетки в яйцеклетку

9. Генная инженерия, в отличие от клеточной, включает исследования, связанные с

1) культивированием клеток высших организмов

2) гибридизацией соматических клеток

3) пересадкой генов

4) пересадкой ядра из одной клетки в другую

10. Установите соответствие между методами и областями науки и производства, в которых эти методы используются: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

11. Получением антибиотиков путем пересадки гена в геном бактерий занимается

1) клеточная инженерия

2) генная инженерия

3) микробиология

4) растениеводство

12. Получение точных копий материнского организма стало возможно благодаря

1) генной инженерии

2) микробиологии

3) клеточной инженерии

4) клонированию

13. Клеточная инженерия занимается

1) созданием чистых линий

2) пересадкой ядер соматических клеток в яйцеклетки

3) получением гетерозисных организмов

4) синтезом новых генов и внедрением их в клетки бактерий

14. С какой целью в генной инженерии применяется метод введения генов высших организмов в геном бактерий?

1) для изучения генома бактерий

2) для получения необходимых белков – гормонов, ферментов

3) для выращивания колонии бактерий

4) для клонирования организмов

15. К биотехнологии относят процессы

1) получения лекарств с помощью бактериальных ферментов

2) выведения новых пород животных

3) получения искусственных мутаций

4) пересадки ядер из клетки в клетку

16. Введение в геном кишечной палочки гена, контролирующего синтез человеческого инсулина – это пример применения методов

1) генной инженерии

2) цитологии

3) селекции

4) биохимии

17. Все перечисленные ниже термины и приёмы, кроме двух, используются для описания методов генной инженерии. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) построение графического изображения кариотипа

2) конструирование рекомбинантной плазмиды

3) гибридизация нуклеиновых кислот

4) введение рекомбинантной ДНК в клетку

5) микроклональное размножение клеток на питательных средах

18. Все приведённые ниже методы, кроме двух, относят к методам биотехнологии. Определите два метода, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) создание генно-инженерных конструкций

2) изучение родословной породистых собак

3) проведение полимеразной цепной реакции

4) гибридизация клеток в культуре

5) оценка биоразнообразия экосистемы

19. Создание рекомбинантного инсулина, производимого бактериями, стало возможно благодаря развитию

1) аналитический химии

2) ботаники

3) биотехнологии

4) генетики

20. Получением гибридов на основе соединения клеток раз ных организмов с применением специальных методов занимается

1) клеточная инженерия

2) микробиология

3) систематика

4) физиология