Биотехнология. Селекция микроорганизмов.

• Тема урока. Биотехнология.  Селекция микроорганизмов.

Цели и задачи урока. • 1. Обобщить,  материал и проконтролировать знания  учащихся по теме “Методы селекции растений и  животных” • 2. Систематизировать знания учащихся о селекции  организмов. • 3. Познакомить учащихся с основными направлениями  биотехнологии, о значении биотехнологии в развитии  сельского хозяйства. • 4. Сформировать у учащихся представление об основных  методах селекционной работы с микроорганизмами. • 5. Научить школьников обосновывать значение метода генной  инженерии для процесса выведения новых штаммов  микроорганизмов. • 6. Значение  биотехнологии в практической деятельности,  нацеленных на оптимальное решение народнохозяйственных  проблем и задач. • 7. Продолжить развитие познавательного интереса у  старшеклассников к изучению проблем современной  селекции.

Ход урока. 1. Организационный момент. 2. Повторение изученного материала  (тесты). 3. Систематизация знаний о селекции  растений и животных. 4. Изучение нового материала. 5. Закрепление знаний. 6. Домашнее задание.

Достижения селекции.  Достижения Мичурина:  учёный вывел около 30 новых  сортов роз, а также  луковицы лилии фиалковой  (цветок выглядит как лилия,  а пахнет, как фиалка), 48  сортов яблонь, 15 сортов  груш и 33 сорта вишни и  черешни, несколько сортов  слив. Иван Владимирович  также вывел  приспособленные к условиям  центральной России сорта  винограда, абрикосов,  ежевики, смородины. Всего  более 300 сортов различных  растений!

Что значит  воспитание  гибридов методом  прививки?

Василий Степанович  ПУСТОВОЙТ Карпеченко Георгий  Дмитриевич.  Николай Васильевич  Цицин

Федор Григорьевич  Кириченко. Кириченко взял для  скрещивания озимую  мягкую и яровую  твердую пшеницу. – Озимая твердая пшеница  обладает лучший в мире по  морозо­ и зимоустойчивости.  Впервые была обнаружена на  границе Ирана и Туркмении.

Сосна густоцветковая Ель гималайская

можжевельник твердый Ель колючая форма Кастера

Образование  побегов из  каллусной ткани на  питательной среде. Проращивание семян  трансгенных  растений Т1 на  содержащей  фосфинотрицин  питательной среде. Регенеранты на  стадии  укоренения. Tрансгенные растения капусты  белокочанной в гидропонной  установке «Минивит 2».  Назовите использование  данного метода?

• Назовите особенности указанных  животных? • В чём их преимущества и недостатки? • Почему прекращена работа по  выведению хонориков?

Стерлядь  Х Белуга  • Бестер ­ рыба (семейство осетровые), гибрид,  полученный искусственным скрещиванием  белуги со стерлядью.

Лошак ­помесь жеребца и  ослицы. Лошаков выводят в  странах Средиземноморья  и в Азии. Однако, так как  они уступают мулам по  работоспособности и  выносливости, встречаются  гораздо реже, чем мулы. Самцы лошака всегда  бесплодны, самки в  большинстве случаев. • Мул результат  скрещивания осла и  кобылы. Отличаются  большей, чем лошаки,  долговечностью (живут до  40 лет), меньшей  восприимчивостью к  заболеваниям,  нетребовательностью к  корму и уходу.  Муловодство развито в  странах Азии, Африки,  юга Европы, Северной и  Южной Америки.

• Хонорик ­ это гибрид между хорьком и европейской норкой. Хонорик («хо» ­  хорек, «нор» ­ норка) был выведен в 1978 году Д. Терновским и произошел от  скрещивания гибридного хорька­самца, родителями которого были черный и  светлый хорьки, и самки европейской норки.

• Зеброид ­ гибрид зебры с ослом • Зеброид появился на свет в заповеднике в США.

Казахская белоголовая  порода мясного  направления. Ярославская порода крупного  рогатого скота, молочного  направления. • Можно ли по внешнему виду определить  направление разведения животных?

Овечки­клоны Долли  и Полли, фото с сайта  knowledgenews.net •Тихая овечка  Долли ­ звезда  современного  клонирования ­  дожила всего до  семи не полных лет:  05.07.1996 ­  14.02.2003 г.г. • Появившись на Свет из клетки вымени другой овцы от  отца ­ Рослинского института, Долли пережила всех  своих 276 братьев­зародышей, полученных в ходе  эксперимента. • Но опухоль легких, ставшая причиной смерти, могла  быть и не вызвана процессом клонирования, за два года  до кончины Долли умерла от той же болезни ее соседка  по камере.

Какой метод  использовали  учёные при  клонировании  животного?

Подводим итог.  • Почему Н.И. Вавилов трактовал селекцию,  как эволюцию, направленную волей  человека? • Что же  использует человек в процессе  селекционной работе? • Растения  • Животных  • Микроорганизмы • Получают в процессе селекции:  сорт породу штаммы

Биотехнология. • 1919г. Впервые использован термин   «биотехнология» венгерским  инженером  Карлом Эреки. • До 1971 года термин «биотехнология»  использовался, большей частью, в  пищевой промышленности и сельском  хозяйстве.  • С 1970 года учёные используют термин  в применении к лабораторным методам,  таким, как использование  рекомбинантной ДНК и культур клеток.

• Биотехнология основана на  генетике, • молекулярной биологии,  • биохимии,  • эмбриологии и клеточной  биологии,  • прикладных дисциплинах —  химической и информационной  технологиях и робототехнике.

Растительные  и животные   клетки  микрооргани змы Биологические  объекты  биотехнологии  ДНК или РНК  необходима для  переноса  чужеродных  генов в клетки. биологические  макромолекулы  как  рибонуклеиновые  кислоты (ДНК,  РНК), белки ­  чаще всего  ферменты.  Части клеток:  клеточные  мембраны,  рибосомы,  митохондрии,  хлоропласты.

Биологические  методы  борьбы с  загрязнением  окружающей  среды  Направления  биотехнологии создание новых  полезных штаммов  микроорганизмов,  сортов растений, пород  животных и т.п.  Производст во  витаминов  В2, В12,С Производство  пищевых  белков и  аминокислот Получение и  использован ие  ферментов Получение  биологическ и активных  белков и  гормонов Получение  антибиотиков

Человечеству необходимо научиться эффективно изменять  наследственную природу живых организмов, чтобы  обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при  этом не привести планету к экологической катастрофе.  С увеличением  роста населения.

За период с 2000 по 2008 г. Численность больных  сахарным диабетом увеличилась на 800 000  человек Количество людей с сахарным диабетом, по  данным государственного регистра РФ, на 1  января 2009 года составляло около 3 млн.  человек.

• В 1979 г. из 60 млн. больных сахарным  диабетом во всем мире лишь 4 млн.  получали препарат инсулина — гормона  поджелудочной железы, регулирующего  уровень сахара в крови и клетках.  • Инсулин выделяли из поджелудочных  желез забиваемых коров и свиней, что  сложно и дорого.  • С 1982 г. этот гормон получают в  промышленных масштабах из бактерий Е.  соli, содержащих ген человеческого  инсулина.

• Соматотропин представляет собой  полипептидную цепь, состоящую из 191  аминокислоты. Он вырабатывается в гипофизе  и контролирует рост человеческого тела; его  недостаток приводит к карликовости.  • До развития генной инженерии его выделяли из  гипофизов от трупов.

• Так, с 1980 г. гормон роста человека —  соматотропин получают из бактерии Е. соli   (кишечной палочки).  • Соматотропин, синтезированный в  специально сконструированных клетках  бактерий, имеет очевидные преимущества:  он доступен в больших количествах, его  препараты являются биохимически чистыми  и свободны от вирусных загрязнений.

• Согласно результатам новых  исследований,  опубликованным в журнале  общества клинической  эндокринологии и  метаболизма (JCEM),  лечение соматотропином  (гормоном роста) может  значительно увеличить рост  детей с диагнозом  карликовости, даже если  ребенок не имеет дефицита  соматотропина.

Селекция микроорганизмов Микроорганизмы  Прокариоты  Микроскопические  водоросли Микроскопические  грибы

Особенности селекции микроорганизмов. Неограниченное количество материала для  работы: за считанные дни в чашках Петри или  пробирках на питательных средах можно  вырастить миллиарды клеток; Использование для жизнедеятельности  дешёвых субстратов. Высокая скорость роста

Особенности селекции микроорганизмов. Более эффективное использование  мутационного процесса, поскольку геном  микроорганизмов гаплоидный, что позволяет  выявить любые мутации уже в первом  поколении Устойчивость к заражению посторонней  микрофлорой Простота генетической организации бактерий:  значительно меньшее количество генов, их  генетическая регуляция более простая,  взаимодействия генов просты или отсутствуют

• Эти особенности накладывают свой  отпечаток на выбор методов селекции  микроорганизмов.  • В случае использования методов генной  инженерии можно заставить бактерии и  другие микроорганизмы продуцировать те  соединения, синтез которых в  естественных природных условиях им  никогда не был присущ (например, гормоны  человека и животных, биологически  активные соединения).

• Интерферон – белок, синтезируемый  организмом в ответ на вирусную  инфекцию, изучают сейчас как  возможное средство лечения рака и  СПИДа. Понадобились бы тысячи литров  крови человека, чтобы получить такое  количество интерферона, какое дает  всего один литр бактериальной культуры.

• Механизм создания рекомбинантной  ДНК • 1. Рестрикция — разрезание ДНК  человека рестрикционной  эндонуклеазой (рестриктазой) на  множество различных фрагментов, но  с одинаковыми «липкими» концами.  Такие же концы получают при  разрезании плазмидной ДНК той же  рестриктазой.

• 2. Лигирование — включение фрагментов  ДНК человека в плазмиды благодаря  «сшиванию липких концов» ферментом  лигазой. • 3. Трансформация — введение  рекомбинантных плазмид в бактериальные  клетки, обработанные специальным  образом — так, чтобы они на короткое  время стали проницаемыми для  макромолекул.  • 4. Скрининг — отбор среди клонов  трансформированных бактерий тех,  которые содержат плазмиды, несущие  нужный ген человека.

Использование микроорганизмов. • Что мы знаем о применении  микроорганизмов?

А. Г. Полотебнов  (1838—1907)  Работы А.Г. Полотебнова и В.А.  Манассеина независимо от  причин, их породивших, были  первыми микробиологическими и  клиническими наблюдениями,  указавшими на возможность  применения пенициллина в  медицинской практике.

• Пенициллин — первый антибиотик, то  есть антимикробный препарат,  полученный на основе продуктов  жизнедеятельности микроорганизмов. Он  был выделен в 1928 году Александром  Флемингом из штамма гриба вида  Penicillium notatum на основе случайного  открытия: попадание в культуру бактерий  плесневого гриба из внешней среды  оказывает бактерицидное действие на  культуру бактерий.

• Впервые использовали пенициллин  для  лечения бактериальных инфекций в 1941  году.  • В 1945 году Флемингу, Флори и Чейну  была присуждена Нобелевская премия по  физиологии и медицине «за открытие  пенициллина и его целебного воздействия  при различных инфекционных болезнях».

• В СССР первые образцы  пенициллина получили в  1942 году микробиологи З.  В. Ермольева и Т. И.  Балезина. Созданный ею  препарат пенициллин­ крустозин ВИ ЭМ был  получен из штамма гриба  вида Penicillium crustosum.  Зинаида Виссарионовна Ермольева –  руководитель лаборатории, в которой  был впервые получен первый  отечественный антибиотик.

колония пеницилла пенициллиум  При стимуляции мутагенами выход  пенициллина был увеличен в 10 раз.

Гриб является  продуцентом лимонной и  щавелевой  кислот. При  скрещивании и отборе  исходные штаммы  увеличиваются вдвое. колония аспергилла • Из него получают лекарство циклоспорин,  который применяют при пересадки  органов. Он предупреждает отторжения  аллотрансплантатов почек, печени,  сердца, легкого, поджелудочной железы,

Из аспергилла  получают статины. • Они вмешиваются в синтез холестерина, которые  образуют  холестериновые бляшки, а с ними   связаны целый ряд сердечнососудистых  заболеваний, заболеваний мозговых и прочих.  Вот эти статины оказались хорошими  лекарствами.

Препарат клубеньковых  бактерий бобовых культур  Ризобофит. При  предпосевной обработки семян бобовых  культур дает возможность улучшить условия азотного  питания бобовых, благодаря фиксации атмосферного  азота; повысить урожай зерна и зеленой массы; увеличить  содержание белка в растениях. Применение  РИЗОБОФИТА обеспечивает экономию (20­35%)  минеральных удобрений.

• В настоящее время идёт речь  о создании  симбиоза между злаками и  азотфиксирующими клубеньковыми  бактериями, а это решит проблему  азотных удобрений. Имеются уже  доказательства того, что  свободноживущие азотфиксирующие  бактерии способны ассоциировать с  корнями злаков, давая возможность  растению­хозяину получать некоторое  количество азота в результате  бактериальной азотфиксации.

• АГРОБАКТЕРИИ • Род грамотрицательных аэробных  бактерий. 4 вида,  обитают в почве,  главным образом в ризосфере. Способны  вызывать образование галлов (опухолей)  у многих растений. Патогенность  агробактерий обусловлена наличием в их  клетках плазмид.  • На основе этих плазмид создают векторы,  которые используются в генетической  инженерии для введения чужеродных  генов в клетки растений.

Agrobacterium tumefaciens поражает  стебли и листья некоторых растений,  причем ее Ti­плазмиды умеют  встраивать часть своей ДНК в  хромосому растительной клетки. Корончатые галлы,  образуемые на корнях     Получив такой подарок, клетки  начинают бурно делиться,  превращаясь в разрастание рыхлой  ткани — корончатый галл, и  вырабатывать ряд экзотических  веществ, которыми и питаются  трансформировавшие их бактерии.

Генетическая колонизация растения  • 1­ агробактерии существуют в ризосфере;  2 ­ строение A. tumefaciens;  • 3 – встраивание Т­ДНК в геном;  • 4 – образование опухоли

Локализация  корончатого галла на  шейке корней растений. Опины (необычное для  растений соединение)  синтезируются  трансформированными   растениями. Не обнаруживаются в  нетрансформированных  растительных тканях.

Корневой рак плодовых  культур.

• Наросты появляются: • В течении всей жизни растений; • Сильный их рост наблюдают в июне­ июле. Способствуют росту: Высокие температуры (30­35° С). Высокая влажность воздуха ( 95%). Резкие колебания температуры во  время зимнего покоя (вызывают  трещины).

• Растения и животные, геном которых  изменен путем генноинженерных  операций, получили название  трансгенных растений или трансгенных  животных.  • Получены «трансгенные» мыши, свиньи,  овцы, коровы и рыбы.

Трансгенные растения, созданные при  помощи агробактерий. • Двудольные  растения:  картофель,  бобовые,  крестоцветные  (капуста, редис,  рапс), плодовые и  т.д.  • Однодольные  растения:    злаки, лилейные,  луковичные. Механизм пока  получения пока  не срабатывает.

Выделение генов  (отдельных фрагментов  ДНК) из клеток бактерий,  растений или животных.  Соединение (сшивание)  отдельных фрагментов  ДНК любого  происхождения в единую  молекулу в составе  плазмиды;  Введение гибридной  плазмидной ДНК,  содержащей нужный ген, в  клетки хозяина;   Копирование  (клонирование) этого гена  в новом хозяине с  обеспечением его работы.

• Первый трансгенный продукт (томаты)  поступил на рынок в 1994 г. • В 2004 г. человечество отметило  своеобразный юбилей ­ десятилетие их  присутствия на продовольственном рынке.  • За это время в мире созданы и доведены  до полевых испытаний ГМ­сорта  сельскохозяйственных растений более чем  50 видов, а площади под ними в мире  выросли в 67 раз и в прошлом году  достигли 112 млн. гектаров.

Ученые пошли далее. Так  как множество растений  подвержены нападению  и поеданию со стороны  насекомых, то ученые  генной инженерии  провели эксперимент с  давно известной  бактерией Bacillus­ Thiringiensis, которая  продуцирует белок,  оказалось она является  очень токсичной для  многих видов насекомых,  но в то же время  безопасна для  млекопитающих.

Закрепление. • А. Укажите основные направления  биотехнологии: 1. Гибридизация 2. Мутагенез 3. Генная инженерия 4. Полиплоидия 5. Инбридинг 6. Клеточная инженерия 7. Аутбридинг

• Б. Для создания новых штаммов  микроорганизмов используется: 1. Искусственный мутагенез 2. Гибридизация 3. Гетерозис 4. Полиплоидия

• В. Создание гибридной ДНК  осуществляется: 1. Введение ДНК одного организма в  клетки другого. 2. Гибридизация. 3. Введение белков одного организма в  клетки другого. 4. Синтез ДНК по РНК.

• Агробактерии ­ природные  геномодификаторы • По мнению древних ученых­философов, ни  один человек не способен придумать что­ либо, чего в природе не существует. Людям  отведена лишь роль первооткрывателей  или (в худшем случае) исказителей идей и  явлений самой природы.  • В отношении ГМО эта теория оправдана на  все сто процентов.

• Прочитайте внимательно последующие  текст.  1. Что вы думаете о трансгенных растениях? 2. За или против? 3. Что вы можете сказать о  геномодифицированных продуктах? • Д/з подготовить высказывания на  поставленные вопросы.  • §11.3; 11.4.

• Генетические изменённые растения с  устойчивостью к различным классам  гербицидов в настоящее время являются  наиболее успешным биотехнологическим  продуктом. Биотехнология позволила  совершить такой прыжок, так как оказалось  возможным генетически изменять  устойчивость растений к тем или иным  гербицидам:  • путем введения генов, кодирующих белки,  нечувствительные к данному классу  гербицидов,  •  за счет введения генов, обеспечивающих  ускоренный метаболизм гербицидов растений.