Генная инженерия

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

дополнительного образования «Детский технопарк «Кванториум»

г. Комсомольска-на-Амуре

Образовательный кейс

«Генетическая инженерия»

по дополнительной общеобразовательной общеразвивающей

программе «Мир Биоквантума»

1 год обучения

6 учебных часов

Автор-составитель:

Пупкова Алёна Сергеевна,

педагог дополнительного образования

МБОУ ДО Кванториум

г. Комсомольск-на-Амуре

2022 г.

1. Проблемная ситуация.

На начало XXI века в мире проживает около пяти миллиардов человек. По прогнозам учёных, к концу XXI века население Земли может увеличиться до десяти миллиардов. Как прокормить такое количество людей качественной пищей, если и при пяти миллиардах в некоторых регионах население голодает?

Впрочем, даже если бы такой проблемы не существовало, то человечество, для решения других своих проблем, стремилось бы внедрять в сельское хозяйство наиболее производительные биотехнологии. Одной из таких технологий как раз и является генная инженерия.

Педагогическая ситуация.

Везде слышно о вреде ГМО, что они вызывают рак и бесплодие, что они меняют геном человека и провоцируют страшные мутации, что их используют как биологическое оружие, что из-за них гибнут пчёлы и меняется климат, что это мировой заговор злых транснациональных корпораций.

Но есть и другая сторона, ведь одна из главных ценностей ГМО – их применение в медицинских целях. На их основе исследуют, как развиваются серьезные заболевания, например, опухоли. С их помощью ученые во всем мире стараются решить вопросы, связанные со старением организма, изучить функционирование человеческой нервной системы. Широко ГМО применяют в фармацевтических целях при создании лекарственных препаратов. Как к этому относиться? Почему учёные не могут прийти к одному мнению? Будете ли вы употреблять в пищу генно-модифицированные продукты и лекарства?

Кейс рассчитан на учащихся 15-18 лет.

1. Привязка к предметным областям знаний:

Биология.

1. Цель кейса, задачи кейса.

Цель: Формирование у учащихся первоначальных знаний о генетической инженерии.

Задачи:

1) Предметные:

• сформировать у учащихся начальные знания о генной инженерии;

• сформировать представление о конструировании рекомбинантных ДНК;

• сформировать теоретические знания по определению нуклеотидной последовательности (секвенирование).

2) Метапредметные:

• развивать любознательность, чувство удовлетворенности при успехах и неудовлетворенности при неудачах;

• развивать умения разумно и объективно посмотреть на себя со стороны, проанализировать свои суждения и поступки;

• развивать умение провести адекватный самоанализ своих умений, качеств, поступков.

3) Личностные:

• воспитывать доброжелательное отношение учащихся друг к другу;

• воспитывать усидчивость, умение преодолевать трудности, аккуратность при выполнении заданий, силы воли, настойчивости, упорства;

• воспитывать ответственность за результаты учебного труда.

4) Продуктовые:

• создание дудл-видео «Достижения генной инженерии»;

• создание мини-проекта «Достижения генной инженерии».

1. Планируемые результаты кейса.

• Выполнение практической работы мини-проекта «Достижения генной инженерии» и создание дудл-видео «Достижения генной инженерии»;

1. Оборудование и материалы.

Презентация «Генетическая инженерия», интерактивная доска, проектор, колонки, 4 ноутбука с выходом в интернет.

1. Этапы реализации.

Дорожная карта кейса:

1. Дополнение:

Генная инженерия - это сумма методов, позволяющих переносить гены из одного организма в другой, или - это технология направленного конструирования новых биологических объектов.

Генная инженерия не является наукой – это только набор инструментов, использующий современные достижения клеточной и молекулярной биологии, генетики, микробиологии и вирусологии.

Работы по изменению существующих органических форм стали возможны только после того, как в 1953 году была расшифрована молекула ДНК. Человек наконец понял сущность гена, его значение для белков, прочитал код геномов живых организмов и естественно не стал останавливаться на достигнутом. В душах людей возникло сильное желание «творить» животный и растительный мир планеты по своему усмотрению.

С поразительной настойчивостью и упорством человек стал добиваться поставленной цели и к концу первого десятилетия XXI века достиг очень многого. Он научился выделять ген из организма и синтезировать его в лабораторных условиях; освоил технологии видоизменения гена для придания ему нужной структуры; нашёл способы введения в ядро клетки преобразованного гена и присоединения его к существующим генетическим образованиям.

Методы генной инженерии: 1. Гибридологический анализ - основной метод генетики. Он основан на использовании системы скрещивания в ряде поколений для определения характера наследования признаков и свойств.

2. Генеалогический метод заключается в использовании родословных. Для изучения закономерностей наследования признаков, в том числе наследственных болезней. Этот метод в первую очередь принимается при изучении наследственности человека и медленно плодящихся животных.

3. Цитогенетический метод служит для изучения строения хромосом, их репликации и функционирования, хромосомных перестроек и изменчивости числа хромосом. С помощью цитогенетики выявляют разные болезни и аномалии, связанные с нарушением в строении хромосом и изменение их числа.

4. Популяционно - статический метод применяется при обработке результатов скрещиваний, изучения связи между признаками, анализе генетической структуры популяций и т.д.

5. Иммуногенетический метод включают серологические методы, иммуноэлектрофорез и др., кот используют для изучения групп крови, белков и ферментов сыворотки крови тканей. С его помощью можно установить иммунологическую несовместимость, выявить иммунодефициты и т.д.

6. Онтогенетический метод используют для анализа действия и проявление генов в онтогенезе при различных условиях среды. Для изучения явлений наследственности и изменчивости используют биохимический, физиологический и другие методы.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

1. специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;

2. быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;

3. конструирование рекомбинантной ДНК;

4. гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью;

5. клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;

6. введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

Также есть основные механизмы генной инженерии. Технология рекомбинантной ДНК. Суть генной инженерии сводится к следующему: биологи, зная, какой ген за что отвечает, выделяют его из ДНК одного организма и встраивают в ДНК другого. В результате можно заставить клетку синтезировать новые белки, что придает организму новые свойства.

Обмен генетической информацией происходит и в природе, но только между особями одного вида. Случаи же скрещивания особей разных видов (например, собаки и волка) являются исключением.

Перенос генов от родителей к потомкам внутри одного вида называется вертикальным. Так как возникающие при этом особи, как правило, очень похожи на родителей, в природе генетический аппарат обладает высокой точностью и обеспечивает постоянство каждого вида.

Всё это стало возможно благодаря ферментам – образованиям на основе белка, отвечающим за организацию работы клетки. В частности, можно назвать такие ферменты, как рестриктазы. Одна из их функций – защита клетки от инородных генов. Чужая ДНК разрезается этим надёжным стражем на отдельные части, причём существует множество различных рестриктаз, каждая из которых наносит удар в строго определённом месте.

Подобрав набор таких ферментов, можно без труда расчленять молекулу на требуемые участки. Затем необходимо их соединить, но уже по-новому. Тут помогает природное свойство генетического материала воссоединяться друг с другом. Помощь в этом оказывают также ферменты лигазы, задача которых заключается именно в соединении двух молекул с образованием новой химической связи.

Непохожий ни на что гибрид создан. Представляет он собой молекулу ДНК, несущую новую генетическую информации. Такое образование в генной инженерии называют вектором. Его главная задача – передача новой программы воспроизводства намеченному для этой цели живому организму. Но ведь последний может её проигнорировать, отторгнуть и руководствоваться только родными генетическими программами.

Такое невозможно, благодаря явлению, которое носит название трансформация у бактерий и трансфекция у человека и животных. Суть его заключается в том, что если клетка организма поглотила свободную молекулу ДНК из окружающей среды, то она всегда встраивает её в геном. Это влечёт за собой появление у такой клетки новых наследственных признаков, запрограммированных в поглощённую ДНК.

Поэтому, чтобы новая генетическая программа начала работать, необходимо только одно, – чтобы она оказалась в нужной клетке. Это сделать не просто, так как такое сложное образование, как клетка, имеет множество защитных механизмов, препятствующих проникновению в неё чужеродных объектов.

Установлены три основных механизма латерального переноса: трансформация, коньюгация и трансдукция.

1. Трансформация – это нормальная физиологическая функция обмена генетическим материалом у некоторых бактерий.

2. Конъюгация имеет наименьшее число ограничений для межвидового обмена генетической информацией, но предполагает тесный физический контакт между микроорганизмами, легче всего достижимый в биопленках.

3. Трансдукция (от лат. transductio – перемещение) – это перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью некоторых вирусов (бактериофагов), что приводит к изменению наследственных свойств клетки реципиента.

К наиболее опасным заболеваниям, вызываемым вирусами у животных и человека, относят бешенство, оспу, грипп, полиомиелит, СПИД, гепатит и др. Вирусы обладают вирулентность – это степень болезнетворного действия микроба. Ее можно рассматривать как способность адаптироваться к организму хозяина и преодолевать его защитные механизмы.

Список использованных источников.

1.Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Введение в общую биологию и экологию»: пособие для учителя / А.А. Каменский. - М.: Дрофа, 2002. - 128 с. - ISBN 978-981-16-6304-8

2.Пепеляева О.А., Сунцова И.В. Поурочные разработки по общей биологии: 9 класс / О.А. Пепеляева. - М.: ВАКО, 2006. - 464 с. - ISBN: 978-0-471-63181-1

3.Медведев С. С. Генетическая инженерия / С.С. Медведев. СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 512 с.: ил ISBN 978-5-9775-0716-5

4.Ермакова И.П., Алехина Н.Д., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф. и др. Физиология растений: учебник для студ. вузов /И.П. Ермакова. М.: Издательский центр "Академия", 2007. – 640 с. ISBN 978-5-7695-3688-5

5.Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. И снова: о наследовании приобретенных признаков / В.Ф. Гавриленко. – М.: Издательский центр "Академия", 2003. – 256 с. ISBN 5-7695-1110-9

Электронные ресурсы

1. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://znanium.com/catalog/product/460545

2. Век генетики и век биотехнологии на пути к редактированию генома человека:

Монография / Глазко В.И., Чешко В.Ф., Иваницкая Л.В. - М.:КУРС, 2017. - 560 с. - Режим

доступа: http://znanium.com/catalog/product/792846

3. Сазанов А. А. Основы генетики - СПб.: ЛГУ им. А. С. Пушкина, 2012. - 240 с. – Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/445015

Приложение 1

Методы генной инженерии

Приложение 2

Приложение 3

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/494715-gennaja-inzhenerija