План-конспект урока "Биотехнологии" (11 класс)

Открытый урок по биологии в 11-м  «А» классе по теме:

 "Биотехнология"

Познавательная цель урока: сформировать знания о современных методах создания и использования биологических объектов, современных методах в селекции.

Развивающая цель урока: развивать практические навыки моделирования процессов, сравнивать и анализировать полученные данные, строить аналогии, делать выводы, работать с различными формами и видами информации.

Воспитательная цель: развивать познавательные интересы, профессионально ориентировать, формировать научное мировоззрение.

Ход урока

1. ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ МОМЕНТ.

Учитель: Здравствуйте, ребята! Сегодня мы рассмотрим, несомненно, интересную и актуальную тему «Биотехнология».

Био- (bios-) жизнь, технология – приемы и методы производства. Что же такое биотехнология? (Слайд )

Под биотехнологией понимают использование в промышленной деятельности человека культур клеток живых организмов, метаболизм и биосинтетические способности которых обеспечивают выработку специфических веществ.

Слайд «История образования науки»

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году для описания процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свёклы.

1867 г – Луи Пастер доказывает, что брожение – результат жизнедеятельности микроорганизмов.

1940 г - Александр Флеминг выделяет из плесневых грибов первый антибиотик – пенициллин.

1953 г – Джеймс Уотсон и Френсис Крик «расшифровывают» структуру ДНК

1997 г – клонирование овечки Долли.

 С 2002 г – создание генетически - модифицированных растений и животных.

 С продуктами, полученными с помощью биотехнологических процессов, мы сталкиваемся в часто в повседневной жизни.

Ученик : (Выступление ученика «Традиционная биотехнология»,  (показ хлеба, сыра, молочных продуктов, вина.) представлено в Дополнении 1 (стр. 4).

Учитель: Но использование достижений генетики в биотехнологии позволило ей на современном этапе проникнуть в нетрадиционные сферы деятельности: слайды)

 Ученик:    

-  в энергетике – для получения газового топлива;  использование микроорганизмов для получения энергии из биомассы, причем как в газообразном (биогаз), так и в жидком (этиловый спирт) виде. Развитие этого направления позволяет использовать огромные и все время возобновляющиеся ресурсы биомассы, а также обеспечить дополнительные меры по охране окружающей среды. (слайд есть)

- Разработка биологических методов защиты  культурных растений и домашних животных  от болезней и вредителей и повышения их продуктивности  Уже разработаны новые виды биопестицидов, биофунгицидов и биоинсектицидов, безопасные для человека и окружающей среды и избирательно действующие на сельскохозяйственные культуры. То же относится и к биоудобрениям, созданным, например, с помощью бактерий, улавливающих и усваивающих азот из воздуха. Благодаря их применению усиливается сопротивление сельскохозяйственных культур болезням и вредителям, что позволяет уменьшить потребности в химических пестицидах. Одновременно ведутся работы, направленные на увеличение почвенного плодородия и повышение степени усвоения растениями питательных веществ. (слайд есть)

- производство кормов для животноводства (слайд есть)

 - использование микроорганизмов в металлургической промышленности для обогащения руд. Разработка биотехнологическими методами полезных ископаемых. Здесь имеется в виду подземное выщелачивание, уже применяемое при разработке залежей меди и некоторых редких металлов. Считается также, что с помощью микроорганизмов можно повысить пластовое давление и тем самым увеличить отдачу нефтяных пластов. (слайд есть)

- в медицине – для усовершенствования диагностики, создания ферментативных датчиков, синтеза лекарств; Производство биоматериалов: операционные нити, контактные линзы, заменители крови и т.д. (слайд есть)

- в химической промышленности – получение органических кислот и создание ферментативных моющих средств; (слайда нет)

- в пищевой промышленности – для получения пищевых добавок; (слайда нет)

- в области контроля за состоянием окружающей среды – совершенствования методов тестирования и утилизации отходов. Промышленная бактериальная очистка сточных вод, утилизация промышленных и коммунальных отходов, в том числе отходов органической химии и мест утечки нефти и нефтепродуктов при помощи более дешевых и эффективных, чем традиционные, методов. (слайд есть)

Учитель: Биотехнология включает в себя целый комплекс наук (слайд).

Современными направлениями биотехнологии являются: (слайд есть)

Генная инженерия. Совокупность методов, позволяющих посредством операций in vitro ( в пробирке, вне организма), переносить генетическую информацию из одного организма в другой.

Цель генной инженерии в получении клеток ( в первую очередь бактериальных),способных в промышленных масштабах вырабатывать некоторые « человеческие» белки; в возможности преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.( использование в селекции растений, животных).

Растения и животные, в геном которых внедрены «чужие гены» называются трансгенными, бактерии и грибы - трансформированными

Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972 год. В этот год группа американских биохимиков Стэнфордского университета во главе с Полом Бергом, сообщила о создании вне организма первой рекомбинантной (гибридной) ДНК. Эта молекула состояла из фрагментов кишечной палочки, группы генов самой этой бактерии и полной ДНК вируса SV40, вызывающего развитие опухоли у обезьян. Такая рекомбинантная структура могла обладать функциональной активностью в клетках, как кишечной палочки, так и обезьяны. За эту работу Полу Бергу была присуждена Нобелевская премия.

Основные методы генной инженерии были разработаны в конце 70-х годов. Их суть заключается во введении в организм нового гена. Для этого создают специальные генетические конструкции – векторы, т.е. устройство для доставки нового гена в клетку. В качестве вектора используют плазмиду.

Что такое плазмида?

- Кольцевая двуцепочечная молекула ДНК, которая есть в бактериальной клетке. Плазмиды несут жизненно важные для бактерии гены – гены лекарственной устойчивости к антибактериальным препаратам. Плазмиды могут переходить из одной бактерии в другую.

Процесс создания трансформированных бактерий включает следующие этапы:

1.     Рестрикция – «вырезание» нужных генов. Проводится с помощью специальных «генетических ножниц», ферментов – рестриктаз

2.     Создание вектора – специальной генетической конструкции, в составе которой намеченный ген будет внедрен в геном другой клетки. Основой для создания вектора являются плазмиды. Ген вшивают в плазмиду с помощью другой группы ферментов – лигаз

3.     Трансформация – внедрение вектора в бактерию

4.     Скрининг – отбор тех бактерий, в которых внедренные гены успешно работают.

5.     Клонирование трансформированных бактерий. (слайда нет)

Каким образом строят векторы? Займемся моделированием процесса.

2.2. Выполняется практическая работа. На столах инструктивная карточка (Дополнение 2, стр. 5).

Обсуждение и выводы.

Двум группам  «Сторонники» и «Противники» было дано задание выявить сферы применения достижений генной инженерии. И с помощью фактов доказать свою точку зрения. (на бумажных листах?)

(Дискуссия).

Каждый из оппонентов по-своему прав. Поэтому подвести итог дискуссии мне хотелось бы словами  Рэймонд Кэлиндара:

« Генная инженерия – палка о двух концах. Точнее не палка, а остро-заточенный нож. Оказавшись в умелых руках мудрого человека, он превращается в оружие созидания, добра и защиты. В руках же жадного, амбициозного и недалёкого господина – это оружие агрессии, разрушения и, если хотите, самовредительства. Очень хочется верить, что этот нож окажется у достойного представителя рода человеческого»

(Слайд)

ХРОМОСОМНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ  (Слайд есть)

В настоящий момент хромосомная инженерия связывается, прежде всего, с возможностями замещения (замены) отдельных хромосом у растений или добавления новых.

Известно, что в клетках каждого диплоидного организма имеются пары гомологичных хромосом. Такой организм называют дисомиком. Если в какой-либо паре хромосом остается одна гомологичная хромосома, то получается моносомик. При добавлении третьей гомологичной хромосомы возникает трисомик, а при отсутствии в геноме одной пары гомологичных хромосом возникает нуллисомик. Такие манипуляции с хромосомами дают возможность заменять одну или обе гомологичные хромосомы, допустим, одного сорта пшеницы на ту же пару хромосом, но из другого сорта. Что это дает селекционеру? Тем самым он может один признак, который ему кажется слабым у данного сорта, заменить на этот же, но более сильный признак из другого сорта. Таким образом, он приближается к созданию идеального сорта, у которого все полезные признаки будут выражены в максимальной степени.

Эту же цель преследует и методика замены отдельных хромосом одного вида на хромосомы другого вида, близкого по своему происхождению. В литературе принято вместо слов замена хромосом употреблять замещение хромосом. Поэтому полученные таким путем формы называются замещенными линиями. Другой методический прием состоит во введении (внедрении) в геном определенного вида или сорта какой-либо дополнительной пары хромосом другого вида растений, которые определяют развитие признака, отсутствующего у первого вида. Если такое введение пары дополнительных хромосом удается осуществить, то полученные формы называют дополненными линиями.

Метод гаплоидов

Очень перспективен, основан на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, из зерен кукурузы выращивают гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом, затем хромосомы удваивают и получают диплоидные (10 пар хромосом), полностью гомозиготные растения всего за 2-3 года вместо 6- 8-летнего инбридинга.

Микробиологический синтез

Это синтез структурных элементов или продуктов обмена веществ микроорганизмов, за счет присущих микробной клетке ферментных систем.

(Слайд)

Клеточная селекция (Слайд)

Основу составляет использование культур клеток. Впервые использованием культур клеток растений было осуществлено в 1896 году. При этом клетки растений не могли делиться, но сохраняли живое состояние.

В 1903 году Скугом впервые была получена пролифилирующая (делящаяся) культура клеток табака. Для этого он использовал обычный питательный раствор для выращивания растений без почвы, обогащенный фитогормонами.

Современная биотехнология использует гормоны 2-х видов:

- АУКСИНЫ служат для дедифференциации клеток и стимуляции их деления.

- КИТЕНИНЫ -  для окоренения.

Выращивание на питательных средах возможно и для ткани животных. В настоящее время перед учеными стоит задача научиться выращивать in vitro целые органы для трансплантации.

На сегодняшний день уже изобретено несколько технологий для активного выращивания органов из стволовых клеточек. Еще в 2004 году ученым удалось создать полностью функциональные капиллярные сосуды. А в 2005 году были выращены полноценные клеточки головного мозга и нервной системы. В 2006 году швейцарским медикам удалось вырастить клапаны сердца, а британским – клеточки тканей печени. В том же году американцы создали полноценный орган – мочевой пузырь, а в 2007 году была получена роговица глаза. Еще через год ученым удалось вырастить новое сердце, используя в качестве основы каркас старого. Для такого научного эксперимента использовалось сердце взрослой крысы, которое поместили в особенный раствор, удаливший из органа все мышечные ткани. Далее полученный каркас засеяли клетками сердечной мышцы, полученными от новорожденной крысы. Уже спустя две недели орган стал способен перекачивать кровь.

На сегодняшний день многие медики уверены, что в скором времени трансплантация уже не будет дорогостоящей операцией для избранных, для получения органа нужна будет лишь символическая плата.

Так,  за последние несколько лет было проведено ряд оперативных вмешательств по пересадке искусственно выращенной трахеи, на которую были нанесены собственные клеточки пациента, выделенные из костного мозга. Благодаря таким клеткам организм реципиента не отторгает пересаженный орган, он нормально приживается и сам подстраивается под новые условия. Такая операция позволяет пациентам вновь самостоятельно дышать и говорить.

В биотехнологии растений такие результаты используют для получения безвирусного  посадочного материала. Этот процесс называется введением ткани в культуру. Он состоит из нескольких этапов

1- выбор органа или ткани для пересадки на питательную среду (эксплантация). Растение предварительно стерилизуют

2- получение дедифференцированной ткани путем воздействия фитогормонов

3- размножение растений – в зависимости от того, что выбрано  в качестве исходного материала (клетка, орган, ткань) происходит либо соматический эмбриогенез – образование зародышевоподобной структуры, либо пучки побегов из адвентивных почек

4-  окоренение

5- адаптация. Сначала выращивают под пленкой, проводят закаливание, затем используют

Клетки и ткани могут быть использованы для получения веществ вторичного синтеза алкалоидов, морфинов, БАВ, препаратов женьшеня и элеутерококка.

Выращивание культур клеток используется для создания новых методов селекции

А) для усовершенствования  существующего селекционного процесса

Б) для разработки методов преодоления нескрещиваемости при отдаленной гибридизации

МЕТОДЫ КЛЕТОЧНОЙ СЕЛЕКЦИИ (Слайд)

1)    Искусственный отбор на клеточном уровне. Для этого осуществляют диагностику по отдельно взятой клетке. Сначала получают суспензионные культуры. Для этого в клеточную культуру добавляют ферменты, разрушающие клеточные оболочки и межклеточное вещество. Затем встряхивают на шейкере  - в результате получается суспензионная культура

Затем помещают клетки на селективную среду с повышенным содержанием солей токсинов, или подвергают действию высоких и низких температур. Отбирают из них устойчивые и выращивают целое растение

2)    Гаплоидная селекция –используется для наблюдения за мутациями переводят растение в гомозиготное состояние. Для этого получают культуру тканей путем андрогенеза – культивирование гаплоидных клеток пыльников, или гиногенеза – культивирование семяпочек. Выращивают гаплоидную ткань, проводят удвоение числа хромосом – получают гомозиготное диплоидное растение.

3)    Соматическая гибридизация -  Возможна только при освобождении клеток от оболочек . Впервые растительные протопласты были получены Коккингом в 1960 году с помощью ферментов целлюлазы и пектиназы, благодаря чему удалось получить гибриды  картофеля-табака, лука-табака и др.

Соматические гибриды обладают рядом особенностей:

- они тетраплоидны

- при их образовании не бывает несовместимости

- не бывает бесплодия

Значение клеточной селекции

1.     Применение клеточных культур позволяет преодолевать многие проблемы биэтики, связанные с умерщвлением животных.

2.     В культуре можно выращивать клетки в неограниченном количестве. Поэтому культуры клеток и тканей, выделенные из природного материала, широко используются при промышленном производстве БАВ (выращивание  женьшеня, родиолы розовой, элеутерококка.

3.     Из апикальных меристем путем микроклонирования получают безвирусный посадочный материал ценных сортов растений.

4.      Решаются проблемы получения отдаленных гибридов растений, которые не скрещиваются обычным путем.

5.     На культурах клеток получают вакцины, например, против кори и полиомиелита.

6.     Сохраняя культуры клеток, можно сохранять генотипы отдельных организмов и создавать банки отдельных сортов и даже видов.

7.     Клонирование животных.

 В сотрудничестве с преподавателем МичГАУ   Лукьяновой Е.А и сотрудниками ВНИИС г. Мичуринска нашими воспитанниками ведется работа по ……………….

Лабораторная работа

ФОТОГРАФИИ

УЧИТЕЛЬ: Для закрепления полученных знаний отгадаем кроссворд.

Урок окончен. Всем спасибо. До свидания.