Урок "Основи генетичної та клітинної інженерії. Роль генетичної інженерії в сучасних біотехнологіях і медицині"

вчитель біології Звенигородської

ЗОШ-інтернату І-ІІІ ступенів –

спортивного ліцею

А.М. Проценко

Тема: Основи генетичної та клітинної інженерії. Роль генетичної інженерії в сучасних біотехнологіях і медицині

Мета: ознайомити учнів із поняттями «генетична» і «клітинна» інженерія; із можливостями діагностики спадкових хвороб; з речовинами (продуктами) які одержують методами генної інженерії; з’ясувати роль генетичної інженерії в сучасних біотехнологіях і медицині; розвивати в учнів пам’ять, увагу і мислення.

Обладнання та матеріали: таблиці або слайди презентації зі схемами біотехнологічних процесів, фотографії або рисунки продуктів біотехнологічних виробництв.

Тип уроку: комбінований.

Хід уроку

І. Організаційний момент

   Привітання учнів, перевірка їх готовності до уроку.

ІІ. Перевірка домашнього завдання  та актуалізація опорних знань

1.          «Закінчи речення»

1.          Біотехнологія — це … (сукупність промислових методів, які застосовують для виробництва різних речовин із використанням живих організмів, біологічних процесів чи явищ).
2.          Сам термін «біотехнологія» з’явився в … (70-х роках XX ст.).
3.          В перекладі  грецької термін «біотехнологія» означає: біос – … (життя); технос – … (мистецтво, майстерність); логос – … (слово, вчення).
4.          Біотехнологію умовно поділяють на два підрозділи: … (традиційна і нова).
5.          До традиційної біотехнології входить: … (технологічна мікробіологія, а також технічна, біохімічна та інженерна ензимологія).
6.          До нової біотехнології входять: … (генетична та клітинна інженерія).

2.          «Розумний куб»

Запитання на гранях куба:

1.          Які біотехнологічні принципи людина розробила вже давно?
2.          Які  глобальні проблеми людства вирішує біотехнологія?
3.          На чому заснована традиційна біотехнологія?
4.          Що є одним з найбільш перспективних напрямків традиційної біотехнології?
5.          Які біопрепарати для захисту рослин від хвороб рекомендовані для використання?
6.          У яких галузях людського буття використовують біотехнології?

III.  Мотивація навчальної діяльності учнів

Слово вчителя

Споконвіку людина бажала змінити ознаки рослин, тварин у бажаний їй бік. Це почалося ще з тих часів, коли людина гадки не мала про гени, генетику. Інтуїтивно шляхом гібридизації і добору було створено сучасні породи тварин і сорти рослин. Їх геноми вже не схожі на геноми диких предків, від яких вони взяли початок. Та й більшість цих предків вимерла ( тарпани – предки коней,тур – предки наших корів і биків)

Якщо раніше доводилося багато років чекати, коли  з’явиться бажаний фенотип, то зараз вдається самим їх створювати. Це вдається завдяки генно- і клітинно-інженерним технологіям.

IV.  Вивчення нового матеріалу

1.          Генетична інженерія

Слово вчителя

Одним з розділів молекулярної генетики та молекулярної біології, який знайшов найбільше практичне застосування, є генетична (генна) інженерія.

Генна інженерія – це сума методів, що дозволяють переносити гени з одного організму в інший, або – це технологія спрямованого конструювання нових біологічних об'єктів.

Виникши на початку 70-х років, вона домоглася сьогодні великих успіхів. Методи генної інженерії перетворять клітини бактерій, дріжджів і ссавців у «фабрики» для масштабного виробництва будь-якого білка.

Це дає можливість детально аналізувати структуру і функції білків і використовувати їх в якості лікарських засобів.

В даний час кишкова паличка стала постачальником таких важливих гормонів як інсулін і соматотропін.

Раніше інсулін отримували з клітин підшлункової залози тварин, тому вартість його була дуже висока. Для отримання 100г кристалічного інсуліну потрібно 800-1000кг підшлункової залози.  Це робило інсулін дорогим і важкодоступним для широкого кола діабетиків.

Інсулін складається з двох поліпептидних ланцюгів А і В довжиною 20 і 30 амінокислот. При з'єднанні їх дисульфідними зв'язками утворюється нативний дволанцюжкової інсулін.

Було показано, що він не містить білків, ендотоксинів та інших домішок, не дає побічних ефектів, як інсулін тварин, а з біологічної активності від нього не відрізняється.

Соматотропін - гормон росту людини, секретується гіпофізом. Недолік цього гормону призводить до гіпофізарної карликовості. Якщо вводити соматотропін в дозах 10 мг на 1 кг ваги три рази на тиждень, то за рік дитина, яка страждає від його нестачі, може зрости на 6 см .

Раніше його отримували з трупного матеріалу, з одного трупа: 4 - 6 мг соматотропіну в перерахунку на кінцевий фармацевтичний препарат. Таким чином, доступні кількості гормону були обмежені, крім того, гормон, що отримується цим способом, був неоднорідний і міг містити повільно розвиваються віруси.

Компанія "Genentec" в 1980 році розробила технологію виробництва соматотропіну за допомогою бактерій, який був позбавлений перерахованих недоліків. У 1982 році гормон росту людини був отриманий в культурі E. coli і тварин клітин в інституті Пастера у Франції, а з 1984 року розпочато промислове виробництво інсуліну і в СРСР.

«Мозковий штурм»

--- Яка суть генної інженерії?

Очікувані відповіді:

Суть генної інженерії полягає в штучному створенні (хімічний синтез, перекомбінації відомих структур) генів з конкретними необхідними для людини властивостями й уведенні його у відповідну клітину (на сьогодні це частіше за все бактеріальні клітини, наприклад кишкова паличка) — створення «штучної» бактерії — лабораторії з виготовлення необхідного для людини продукту.

2.          Роль генетичної інженерії в сучасних біотехнологіях і медицині

          Розповідь учня (випереджуюче домашнє завдання)

У результаті інтенсивного розвитку методів генетичної інженерії отримані клони безлічі генів рибосомальної та транспортної РНК, гістонів, глобіну миші, кролика, людини, колагену,  овальбуміну, інсуліну людини та інших пептидних гормонів, інтерферону людини та інше.

Це дозволило створювати штами бактерій, які виробляють багато біологічно активних речовин, які використовують в медицині, сільському господарстві та мікробіологічній промисловості.

На основі генетичної інженерії виникла галузь фармацевтичної промисловості, названа «індустрією ДНК». Це одна із сучасних гілок біотехнології.

Серед багатьох досягнень генної інженерії, які отримали застосування в медицині, найбільш значне в одержанні людського інсуліну в промислових масштабах.

Всім широко відома така хвороба, як цукровий діабет, коли організм людини втрачає здатність виробляти фізіологічно важливий гормон інсулін. У результаті в крові накопичується цукор і хворий може загинути. Інсулін вже давно отримують з органів тварин і використовують в медичній практиці. Однак багаторічне застосування тваринного інсуліну веде до необоротного ураження багатьох органів пацієнта через імунологічних реакцій, що викликаються ін'єкцією чужорідного людському організму тваринного інсуліну. Але навіть потреби в тваринному інсуліні донедавна задовольнялися всього на 60 - 70%. Так, в 1979 році з 6 млн. хворих у всьому світі тільки 4 млн. отримували інсулін.

Генні інженери в якості першої практичної задачі вирішили клонувати ген інсуліну. Клоновані гени людськоихо інсуліну були введені з плазмідою в бактеріальну клітину, де почався синтез гормону, який природні мікробні штами ніколи не синтезували.

Більше двадцяти фірм Японії і кілька американських фірм розробляли інший дуже важливий медичний препарат - інтерферон, який ефективний при різних вірусних захворюваннях і злоякісних новоутвореннях. Першим з цих сполук на ринок вступив альфаінтерферон, потім бетаінтерферон.

Ще один ефективний протираковий препарат - інтерлейкін - виробляється в Японії і США.

Близько 200 нових діагностичних препаратів уже введені в медичну практику, і більше 100 генноінженерних лікарських речовин знаходиться на стадії клінічного вивчення. Серед них ліки, що виліковують артрози, серцево-судинні захворювання, деякі пухлинні процеси і, можливо, навіть СНІД. Серед кількох сотень генно-інженерних фірм 60% працюють над виробництвом лікарських та діагностичних препаратів.

3.          Можливості діагностики спадкових хвороб

Слово вчителя

Спеціалізований вид медичної допомоги населенню, спрямований на профілактику спадкових хвороб, називають медико-генетичним консультуванням.

Медико-генетичне консультування (МГК) - один із видів спеціалізованої допомоги населенню, спрямований, головним чином, на попередження появи в сім'ї хворих із спадковою та вродженою патологією.

 Головна мета МГК – визначення прогнозу народження дитини із спадковою патологією, пояснення ймовірності такої події, допомога сім'ї прийняти рішення про подальше дітонародження.

Суть МГК полягає в профілактиці подальшої передачі спадкових хвороб за рахунок попередження дітонародження в носіїв спадкових хвороб, усуненні провокуючих факторів появи генетичних аномалій та наслідків їх шляхом лікування.

Основні завдання МГК. 1) встановлення точного діагнозу спадкової хвороби; 2) встановлення типу успадкування захворювання в даній сім'ї; 3) розрахунок ризику повторення спадкової хвороби в сім'ї; 4) визначення найбільш ефективного способу профілактики; 5) пояснення тим, хто звернувся за допомогою, змісту зібраної інформації.

Принципово важливе завдання МГК – знайти прості та доступні методи виявлення гетерозиготних носіїв мутантного гена, провести диференційну діагностику з фенокопіями, новими мутаціями.

Фенокопії – не спадкові зміни фенотипу, зумовлені впливом середовища, але не схожі з мутаціями. Вони виникають на ранніх стадіях ембріогенезу, різко змінюють фенотип (сукупність зовнішніх і внутрішніх ознак організму). Практично кожна сімейна пара повинна пройти МГК до планування народження дітей.

МГК проводиться в чотири етапи: 1) встановлення діагнозу; 2) складання прогнозу; 3) висновки або заключення; 4) порада сім'ї щодо профілактики народження хворої дитини.

Пренатальна (допологова) діагностика

Пренатальна (допологова) діагностика дає можливість діагностувати вроджені вади розвитку або спадкові захворювання плода на ранніх стадіях його розвитку. Рання діагностика допомагає або прийняти рішення щодо переривання вагітності, або підготувати родину до народження хворої дитини.

Просіюючі методи дозволяють виділити жінок, які мають підвищений ризик народження дитини зі спадковою або природженою патологією. До них належать лабораторні методи призначення рівня альфа-фетопротеїн (білка плодового походження). Визначення його вмісту проводять у сироватці крові матері та в амністичній рідині в період 16-18 тижнів вагітності. Підвищення рівня альфа-фетопротеїну може свідчити про вади розвитку ниркової трубки, черевної стінки, інших систем. Зниження рівня цього білка спостерігається при хромосомній патології (хвороба Дауна), смерті плода.

У наш час більшість лікарів пропонують своїм вагітним пацієнткам у рутинному порядку (без спеціальних медичних показів) зробити аналіз крові, який вказує, при наявності, на вищий від середнього ризик деяких серйозних вроджених вад, таких як spina bifida (не зарощений хребет) та синдром Дауна (хромосомне порушення). За допомогою цього виду аналізу крові, який називається потрійним, можна отримати дуже корисну інформацію про розвиток плода. При цьому важливо, щоб кожна вагітна жінка пам'ятала, що у більшості випадків позитивний результат аналізу ще не означає, що є проблеми із плодом, і в цьому можна переконатись завдяки подальшим обстеженням.

Технологія «Мікрофон»

Запитання до учнів:

•              Що таке спадкові захворювання?

Формулювання висновку:

Спадкові захворювання – це хвороби, що виникають в результаті порушення процесів зберігання, передачі і реалізації генетичної інформації. Такі порушення пов'язані з дефектами клітинної ДНК, що передаються через гамети (репродуктивні клітини).

4.          Клітинна інженерія

Слово вчителя

Клітинна (тканинна) інженерія - галузь біотехнології, в якій застосовують методи виділення клітин з організму і перенесення їх на поживні середовища, де вони продовжують жити і розмножуватися. В результаті створюються рекомбінатні клітини.

Якщо генна інженерія конструює нові рекомбінатні ДНК, то клітинна – створює рекомбінатні клітини.

Завдяки вирощуванню нестатевих клітин певних видів організмів на поживному середовищі створюють культуру клітин (тканин) для отримання цінних речовин. Клітини переносять на поживні середовища, де вони ростуть, розмножуються і синтезують вітаміни, гормони, цілющі препарати (наприклад, женьшеню).

Крім того, клітинна інженерія здійснює гібридизацію соматичних клітин організмів різних видів, родів, родин тощо. Тобто здійснює схрещування організмів, яке неможливо зробити іншим способом (людини і миші, людини і моркви, курки й дріжджів тощо). Гібридизація нестатевих клітин дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість організмів проти різних інфекцій, а також лікують ракові захворювання.

Клон – сукупність клітин або особин, які виникли від спільного предка нестатевим способом. Отже, клон складається з однорідних у генетичному відношенні клітин або організмів.

При клонуванні з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро і пересаджують у неї ядро нестатевої клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де зародок і розвивається. Ця методика дає можливість одержувати від цінних за своїми якостями плідників необмежену кількість нащадків, які є їхньою точною генетичною копією. Методом клонування вирощують різні організми 

Химерні організми – організм, що складається з генетично різнорідних клітин. Це штучно створені істоти, які мають клітини, що належать різним біологічним видам.

Запитання для учнів:

•            Що таке клітинна інженерія та які завдання вона виконує?

Очікувані відповіді учнів:

Клітинна інженерія — це самостійна галузь біологічних та медичних наук, в завдання якої входить створення нових, не існуючих раніше в природі клітин із заданими властивостями.

V. Узагальнення та систематизація знань

1.          «Ти – мені, я – тобі»

Учні складають запитання з вивченої на уроці теми, щоб поставити його комусь зі своїх однокласників. Учень, який отримав запитання і дав на нього відповідь, має право поставити своє запитання.

2. Вставте пропущені слова:

1. Одним з розділів молекулярної генетики та молекулярної біології, який знайшов найбільше практичне застосування, є … (генетична (генна) інженерія).

2. Сума методів, що дозволяють переносити гени з одного організму в інший, або технологія спрямованого конструювання нових біологічних об'єктів – це … (генна інженерія).

3. Суть генної інженерії полягає в штучному створенні … (генів) з конкретними необхідними для людини … (властивостями) й уведенні його у відповідну … (клітину) лабораторії з виготовлення необхідного для людини продукту.

4. Генні інженери в якості першої практичної задачі вирішили клонувати ген … (інсуліну).

5. Клітинна (тканинна) інженерія - галузь … (біотехнології), в якій застосовують методи … (виділення клітин з організму) і … (перенесення їх на поживні середовища), де вони продовжують жити і розмножуватися.

6. Якщо генна інженерія конструює нові рекомбінатні … (ДНК), то клітинна – створює рекомбінатні …  (клітини).

VI. Підбиття підсумків уроку

Учні самостійно підбивають підсумки уроку, дають визначення новим термінам, пояснюють значення генної та клітинної інженерії у житті людини.

VII. Домашнє завдання

1. Підручник...

2. Випереджуюче домашнє завдання: підготувати повідомлення на тему «Історія виникнення генетично модифікованих організмів».