ПРИМЕР КЕЙСА ПО БИОЛОГИИ

Тема занятия: Закономерности изменчивости. 10 класс

Цель: создать условия для осмысления информации об основных методах клеточной и генной инженерии, значении открытия явления трансгенеза.
Задачи:
1. Способствовать развитию у обучающихся умений работать с различными
источниками информации: текстом учебника, схемой, рисунками, Интернет -
источниками;
2. Способствовать развитию умений, работая в группе, действовать по инструкции, сообща, презентовать результаты работы;
3. Способствовать развитию умений выдвигать гипотезы, отвечать на вопросы, находить пути решения проблемных ситуаций.
Используемые педагогические технологии: технология проблемного обучения; технология развития критического мышления; личностно-ориентированная технология; кейс – технология.
Методы: словесные, наглядные.

Тип кейса: обучающий, аналитический

Функции кейса: овладение знаниями относительно динамичных развивающихся объектов (исследований), выработка умений и навыков аналитической деятельности

Вид занятия: Изучение нового материала, обобщение пройденного материала.

Кейс.

Перспективы использования трансгенных насекомых в программах биоконтроля.

Сюжетная часть (история реального научного исследования)

…В борьбе с насекомыми-вредителями и переносчиками заболеваний человечество долго полагалось на инсектициды, но эта стратегия себя исчерпала. По-видимому, будущее за новыми, гораздо менее опасными и вредными для окружающей среды технологиями биоконтроля, такими как метод стерилизации насекомых (SIT). Ключевую роль в развитии SIT и других методов биоконтроля будет играть создание генетически модифицированных насекомых. В частности, для борьбы с малярией планируется использовать трансгенных малярийных комаров, не способных переносить заболевание, которыми будут замещать природные популяции переносчиков.

(Том 72, № 2. Март - апрель, 2011 • Стр. 93–110

ГЕНЕТИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, ЭНТОМОЛОГИЯ

A. П. Ткачук¹, М. В. Ким¹, В. Ю. Савицкий², М. Ю. Савицкий¹

¹Учреждение Российской академии наук Институт биологии гена РАН
119334 Москва, ул. Вавилова, 34/5
²Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова 119991 Москва, Ленинские горы, 1 e-mail: [e-mail]  Поступила в редакцию 16.03.2010)

Методическая часть.

Вопросы к аудитории.

1. Какие методы используются для получения трансгенных насекомых?

2. Какую опасность представляют малярийные комары для человека?

3. Какие еще вредители человека и сельскохозяйственных растений и животных бывают?

4. Какие болезни, по вашему мнению, будут побеждены человечеством при помощи методов молекулярной биологии, генетики в первую очередь?

Информационная часть.

Информационный материал:

Седиземноморская фруктовая муха (Ceratitis capitata) – опасный сельскохозяйственный вредитель, с которым во многих районах мира успешно борются при помощи биоконтроля. Фото с сайта http://en.wikipedia.org

Насекомые – вредители и переносчики заболеваний приносят человечеству колоссальный ущерб. Например, от малярии, переносимой комарами рода Anopheles, ежегодно умирает 2 миллиона человек.  Фото с сайта http://en.wikipedia.org

В течение XX века основным средством борьбы с вредными насекомыми были разнообразные инсектициды. Со временем, однако, накапливались данные о многочисленных негативных последствиях использования инсектицидов и об их недостаточной эффективности. Несмотря на огромное количество ядов, выливаемых на поля, вредители все равно уничтожают 20-40% мирового урожая сельскохозяйственных культур ежегодно. Это заставляет ученых искать новые, более «экологичные» и надежные способы борьбы с вредителями.

*Глоссарий.

Инсектици́ды (от лат. insectum «насекомое» + лат. caedo «убиваю») — химические препараты для уничтожения вредных насекомых. 

Сегодня в развитых странах заметна тенденция к переходу от химических средств к так называемому биоконтролю – использованию живых организмов или продуктов их жизнедеятельности для ограничения численности популяций вредителей и переносчиков заболеваний. В обзорной статье генетиков из Института биологии гена и МГУ рассматривается текущее состояние и перспективы развития методов биоконтроля. Особое внимание уделяется многообещающим разработкам, связанным с использованием трансгенных насекомых.

*Глоссарий.

Трансге́нный органи́зм — живой организм, в геном которого искусственно введен ген, который не может быть приобретен при естественном скрещивании.

Метод стерилизации насекомых (Sterile insect technique, SIT) уже не раз доказал свою действенность. Суть метода – в массовом разведении вредных насекомых, которых затем стерилизуют при помощи ионизирующего излучения и выпускают в природу. При этом необходимо, чтобы стерильных насекомых было намного больше, чем диких. Дикие насекомые скрещиваются со стерильными и не могут произвести потомство. В результате численность природной популяции вредителей сокращается. При систематическом применении метод SIT позволяет полностью уничтожить популяцию. Например, при помощи SIT была уничтожена на территории США, Центральной Америки и Северной Африки мясная муха Cochliomyia hominivorax (ее личинки развиваются в живых тканях сельскохозяйственных животных и даже человека).  Фото с сайта http://en.wikipedia.org

Этот же метод позволил справиться со средиземноморской плодовой мушкой Ceratitis capitata на территории Флориды, Калифорнии, Мексики и Гватемалы;

  

Фото с сайта http://en.wikipedia.org

с мухой цеце (Glossina palpalis) на острове Занзибар и др.  Фото с сайта http://en.wikipedia.org

*Глоссарий.

Метод стерилизации. В качестве альтернативы использованию ядохимикатов Боаз Ювал (Boaz Yuval, профессор Еврейского университета в Иерусалиме) пытается усовершенствовать давно известный способ борьбы с сельскохозяйственными вредителями. Речь идёт о методе стерилизации насекомых. Его принцип заключается в следующем: необходимо вырастить 1 миллионов особей необходимого вида, выделить мужских особей, подвергнуть их стерилизации, после отпустить их в поле. Предполагается, что стерильные мужские особи выбранного вида будут копулировать с женскими особями. После женские особи окажутся не способными воспроизвести какое-либо потомство. В настоящее время данный метод применим более чем к десятку видов насекомых.

http://sci-lib.com/article734.html

Важнейшим преимуществом SIT является его безопасность для окружающей среды. Однако у метода есть и ряд недостатков. Во-первых, чтобы стерилизовать насекомых, используют радиоактивные изотопы (кобальт-60); это дорого и довольно опасно. Во-вторых, если нет эффективного способа отделить самцов от самок, приходится выпускать в природу стерильные особи обоих полов, а это снижает (порой в несколько раз) эффективность метода. Показано, что лучше всего метод работает, если выпускать в природную популяцию только стерильных самцов. Наибольший экономический эффект достигается, если самок удалить из культуры на ранних этапах: тогда не нужно тратить средства на их кормление и содержание.

Методы генной инженерии позволяют справиться с этими проблемами и тем самым резко увеличить эффективность SIT.

Отделение самцов от самок. Чтобы облегчить отделение самцов от самок, выводятся генетически модифицированные (ГМ) линии насекомых с четким половым диморфизмом. Например, у средиземноморской плодовой мушки C. Capitata удалось переместить ген, отвечающий за окраску куколок, из аутосомы в Y-хромосому. В результате мужские куколки стали коричневыми, женские – белыми. Еще успешнее оказалась методика, основанная на перемещении (транслокации) гена, отвечающего за устойчивость к перегреву. В результате удалось вывести линию C. capitata, в которой достаточно подвергнуть яйца температурной обработке, чтобы все женские особи погибли, а выжили только самцы. Этих самцов затем стерилизуют ионизирующим излучением и выпускают в природу. Но этот подход, к сожалению, видоспецифичен: вывести аналогичные линии других видов насекомых-вредителей сложно.

*Глоссарий.

Полово́й диморфи́зм (от др.-греч. δι- — два, μορφή — форма) — анатомические различия между самцами и самками одного и того жебиологического вида, исключая различия в строении половых органов. Половой диморфизм может проявляться в различных физических признаках.

Более универсальным является недавно разработанный метод, основанный на введении в геном насекомого гена флуоресцентного белка, управляемого тканеспецифичным (т.е. срабатывающим только в определенной ткани) промотором(регуляторной последовательностью).

*Глоссарий.

Зелёный флуоресцентный белок (ЗФБ) (англ. green fluorescent protein, GFP) — белок, выделенный из медузы Aequorea victoria, которыйфлуоресцирует в зелёном диапазоне при освещении его синим светом. В настоящее время ген белка широко используется в качестве светящейся метки в клеточной и молекулярной биологии для изучения экспрессии клеточных белков. Разработаны модификации белка для применения в биосенсорах.

Таким способом выводят линии насекомых с флуоресцирующими семенниками. Это позволяет отбирать самцов при помощи автоматического флуоресцентного сортера. Кроме того, в природе потом очень удобно подсчитывать процент самок, спарившихся с ГМ-самцами: у таких самок в семяприемниках находится флуоресцентная сперма.

 *Глоссарий.
    Флуоресцентный клеточный сортер. Прибор для анализа клеток методом проточной цитометрии, позволяющий разделять их по определенным признакам и выделять различные клеточные популяции. 

Для создания трансгенных насекомых с индуцируемой летальностью (или стерильностью) разработаны конструкции на основе тетрациклинового оперона Tn10 кишечной палочки Escherichia coli. В состав таких конструкций входит ген белка, активность которого подавляется тетрациклином, причем в активном состоянии этот белок прямо или косвенно вызывает гибель или стерилизацию насекомого. Это позволяет, например, создать насекомых, которые нормально размножаются, пока их кормят тетрациклином, но становятся стерильными в природных условиях, где тетрациклина нет. Это дает возможность стерилизовать насекомых без ионизирующего излучения. При помощи таких конструкций можно создать и систему автоматического отбора самцов: например, если присоединить ген токсичного белка, инактивируемого тетрациклином, к промотору, который избирательно активируется только в организме самок. Тогда самки будут погибать, как только перестанут получать с пищей тетрациклин, а самцы останутся живы.

Использование ГМ-насекомых в борьбе с переносчиками заболеваний. При помощи метода SIT в нескольких регионах удалось снизить численность популяций мухи цеце – переносчика сонной болезни. Однако SIT пока не позволяет победить такие опасные заболевания, как лихорадка денге и малярия. Эти болезни переносятся комарами, а самцы комаров, стерилизованные при помощи радиоактивного излучения, обладают пониженной жизнеспособностью и в конкуренции за самок проигрывают диким самцам.

По-видимому, генная инженерия способна справиться и с этой проблемой. Недавно компания Oxitec изготовила стерильных ГМ-самцов комара Aedes aegypti (одного из переносчиков лихорадки Денге),

Фото с сайта http://en.wikipedia.org

 которые, судя по результатам первых испытаний, вполне успешно конкурируют за самок с дикими самцами. Авторы обзора приводят слова Люка Алфи, основателя компании Oxitec: «...при обеспечении финансирования целые регионы или группы стран смогут ликвидировать Денге, используя ГМ технологию в сочетании с другими методиками».

Помимо SIT, для борьбы с переносчиками малярии, лихорадки Денге и желтой лихорадки предложен метод замещения популяций. Идея состоит в том, чтобы создать ГМ-комаров, не способных переносить заболевание, и заместить природную популяцию переносчиков безвредными ГМ-насекомыми. Уже созданы генетически модифицированные малярийные комары, неспособные переносить малярию. У этих комаров клетки кишечника производят пептид SM1, который не позволяет малярийному плазмодию проникать из кишечника комара в слюнные железы. В отличие от большинства других изготовленных к настоящему времени ГМ-комаров, комары Anopheles stephensi, вырабатывающие пептид SM1, способны конкурировать с дикими комарами в природе. Существуют аналогичные разработки и по комарам – переносчикам лихорадки Денге.

*Глоссарий.

Вирус Зика (англ. Zika virus, ZIKV) — вид вирусов рода Flavivirus (семейство Flaviviridae),переносимый комарами рода Aedes. У людей вызывает одноимённое заболевание, характерными симптомами которого являются сыпь, утомление, головная и суставная боль,лихорадка, опухание суставов. Вирус открыт в 1947 году, после чего в течение 60 лет было описано лишь 15 случаев заболевания в Чёрной Африке и Юго-Восточной Азии. В настоящее время имеет статус пандемии. Клинические проявления подобны лихорадкам денге и чикунгунья, аналогичные симптомы также имеют краснуха, корь, лептоспироз, риккетсиозы; окончательный диагноз ставится на основании лабораторных тестов^[5]. Специфичных лекарств против вируса Зика не существует^[6], ведутся клинические испытания вакцины на основе ДНК https://ru.wikipedia.org/wiki/Вирус_Зика

Угроза эпидемии, которую вызывает вирус Зика, признана чрезвычайной ситуацией международного масштаба – такая заявка экстренного заседания Всемирной Организации Здравоохранения первого февраля 2016 года в Женеве. http://prozdorovechko.ru/sensacii/virus-zika.html

В целом очевидно, что дальнейшее развитие методов борьбы с насекомыми – вредителями и переносчиками опасных заболеваний, как и шансы человечества на победу в этой борьбе, неразрывно связаны с развитием биотехнологий, включая генную инженерию. По мнению авторов, «очевидно, что разумное применение генно-инженерных технологий для биологического контроля численности насекомых позволит эффективно бороться с ними, оказывая минимальное негативное воздействие на окружающую среду».

Проверка выполнения работы:

1. Устная презентация ответов по группам.

2. Диспут по спорным вопросам.

3. Выбор наиболее приемлемого решения проблемного вопроса

4. Закрепление: решение теста.

Итоговый этап: обобщающее выступление преподавателя – анализ ситуации; оценивание учителем обучающихся по следующим критериям: практическое  обоснование, самостоятельность решения, грамотный язык, предложение нетрадиционного и перспективного решения проблем

Выбрать номера нескольких правильных ответов

Тест 1

1.                 Кровососущими  переносчиками возбудителей болезней являются членистоногие

a.                  блоха человеческая

b.                  чесоточный зудень

c.                  малярийный комар

2.                 Кровососущими переносчиками возбудителей болезней являются членистоногие

a.                  муха це–це

b.                  вольфартовая муха

c.                  мошки

3. Медицинское значение членистоногих

a.                  ядовитые животные

b.                 вызывают паразитарные заболевания

c.                  вызывают инфекционные заболевания

4. Вошь человеческая является

a.                    механическим переносчиком возбудителя заболевания

b.                   трансмиссивным переносчиком возбудителя заболевания

c.                    возбудителем заболевания

5. Специфические переносчики возбудителей трипаносомозов

a.                  муха це-це

b.                  вольфартова муха

c.                  мошки

Тест 2

1. Наука, занимающаяся конструированием новых генетических структур,

a.      трансплантология

b.     биотехнология

c.      генная инженерия

2. Какая отрасль биотехнологии занимается клонированием?

a.      генная инженерия

b.     клеточная инженерия

c.      микробиологический синтез

3. Какая отрасль биотехнологии занимается искусственной перестройкой генома?

a.     генная инженерия

b.     клеточная инженерия

c.      микробиологический синтез

4. Молекула ДНК, способная переносить в клетку чужеродную ДНК любого происхождения и обеспечивать там ее размножение?

a.     вектор

b.     плазмида

c.      ДНК вирусов

5. Трансгенные организмы получают путем ввода чужеродного гена в ….

a.     соматическую клетку 

b.     яйцеклетку

c.      сперматозоид

Литература

1. https://ru.wikipedia.org/wiki

2. http://elementy.ru/genbio

3. Биология 10-11 класс И.Н. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов, Г.М. Дымшиц 2016 года. Глава 4. Наследственная информация и реализация ее в клетке. §15-21