§ 45. Сучасні біотехнології

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

На яку думку це могло наштовхнути дослідників? І як вони, спостерігаючи за цим, навчилися змінювати геноми бактерій?

Це наштовхнуло дослідників на думку, що бактерії здатні захоплювати чужорідні гени вірусів (бактеріофагів) і вбудовувати їх у власний геном. Спостерігаючи за цим природним процесом, науковці зрозуміли механізм переносу генів і навчилися штучно вводити потрібні гени в плазміди чи ДНК бактерій за допомогою спеціальних ферментів, створюючи рекомбінантні ДНК та генетично модифіковані штами.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. Поміркуй, якими можуть бути молекулярні ножиці, що розрізають ДНК? Перші такі «ножиці» виявили у природі у 70-х роках. Як їх можна використати?

Молекулярними ножицями є спеціальні білки-ферменти, які називають рестриктазами. Вони розпізнають чітко визначені послідовності нуклеотидів у ДНК і розрізають її подвійну спіраль. Учені використовують ці ферменти для вирізання потрібних генів з одного організму та вставлення їх у ДНК іншого, що дозволяє виготовляти ліки (наприклад, людський інсулін), створювати генетично модифіковані організми та розвивати генну терапію.

2. Пластикове забруднення — проблема людства. Іде робота над створенням штамів, які розкладають пластик. Як поширення таких бактерій зможе вплинути на довкілля та життя людини? Змоделюй ситуацію.

Поширення бактерій, що розкладають пластик, пришвидшить очищення сміттєзвалищ та водойм від полімерного сміття і зменшить накопичення мікропластику в екосистемах. Однак у разі їх неконтрольованого потрапляння в довкілля виникне загроза пошкодження корисних пластикових виробів, які людина використовує в побуті, медицині, будівництві та техніці. Тому застосування таких бактерій має відбуватися виключно в закритих біореакторах під суворим контролем.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Дай визначення поняття «біотехнологія». Які завдання вона вирішує?

Біотехнологія — це сукупність промислових методів виробництва певних речовин із використанням живих організмів, біологічних процесів або явищ. Вона вирішує завдання забезпечення людства продуктами харчування, створення нових ліків і вакцин, виведення високоврожайних і стійких культур рослин, утилізації промислових відходів, а також лікування спадкових хвороб за допомогою генної інженерії.

2. Наведи приклади застосування біотехнологій у виробництві їжі та кормів.

У виробництві їжі біотехнології застосовують для випікання хліба за допомогою дріжджів, виготовлення сирів, йогуртів, кефіру та сметани завдяки молочнокислим бактеріям, а також для квашення овочів. У виробництві кормів біотехнологічні методи використовують для силосування рослинної маси та біосинтезу кормового білка й амінокислотних добавок за допомогою мікроорганізмів.

3. Окресли перспективи застосування біотехнологій для збереження довкілля.

Застосування біотехнологій для захисту довкілля є дуже перспективним напрямом. Головні можливості включають біоремедіацію — використання виведених штамів бактерій та грибів для очищення ґрунтів і водойм від нафтопродуктів, важких металів та пестицидів. Також розробляються мікроорганізми, здатні розкладати пластикові відходи. Крім того, біотехнології дозволяють створювати біопаливо з органічних відходів, замінювати хімічні пестициди біологічними засобами захисту рослин та зменшувати викиди парникових газів завдяки ефективній переробці біомаси.

4. Як створюють ГМ-організми? Які технології для цього використовують?

Генетично модифіковані організми створюють шляхом внесення змін до їхнього геному за допомогою методів генної інженерії. Для цього використовують технологію рестрикції, за якої ферменти-рестриктази вирізають потрібний ген із ДНК одного організму з утворенням «липких кінців» та вставляють його у векторну ДНК (наприклад, у плазміду бактерії) для створення рекомбінантної ДНК. Також застосовують технологію CRISPR, яка дозволяє дуже точно розпізнавати, вилучати або замінювати конкретні ділянки генів у геномі. Отриману рекомбінатну ДНК або відредагований ген уводять у клітини цільового організму, де він починає функціонувати.

5. Як застосовують біотехнології у медицині?

У медицині біотехнології застосовують для виробництва важливих лікарських препаратів (інсуліну, гормону росту, інтерферонів, ферментів та антикоагулянтів) за допомогою генетично модифікованих бактерій і тварин. Також використовують моноклональні антитіла, утворені гібридомами, для точної діагностики інфекцій та лікування онкологічних захворювань. Ще одним важливим напрямом є генна терапія, за якої пошкоджені або дефектні гени замінюють на їхні нормальні робочі копії для лікування спадкових хвороб.

6. Рестриктази розрізають ДНК лише у ділянках із певною нуклеотидною послідовністю — сайті рестрикції. У лінійній молекулі ДНК є чотири сайти рестрикції. Скільки фрагментів утвориться внаслідок дії рестриктази на цю молекулу? А якщо молекула ДНК кільцева? Рестриктаза розріже її на таку саму кількість фрагментів чи іншу? Зобрази ці дії на малюнку.

Унаслідок дії рестриктази на лінійну молекулу ДНК із чотирма сайтами рестрикції утвориться 5 фрагментів. Якщо ж молекула ДНК кільцева, вона буде розрізана на 4 фрагменти, оскільки кількість фрагментів у розрізаній кільцевій молекулі дорівнює кількості здійснених розрізів.

[!NOTE]
Промпт для створення зображення:
Educational biology textbook diagram showing restriction enzyme cuts on linear and circular DNA. On the left side titled “Лінійна ДНК”, depict a straight horizontal double-stranded DNA strand cut at 4 restriction sites marked with red scissor icons labeled “Сайти рестрикції”, yielding 5 separate fragments labeled “5 фрагментів”. On the right side titled “Кільцева ДНК”, depict a circular double-stranded DNA plasmid ring cut at 4 restriction sites marked with red scissor icons labeled “Сайти рестрикції”, breaking into 4 separate linear fragments labeled “4 фрагменти”. Clean scientific vector style. All text and labels MUST BE IN UKRAINIAN.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

1. Назви три факти, які ти дізнався/дізналася після опанування параграфа.

• Ферменти-рестриктази розрізають подвійну спіраль ДНК у чітко визначених сайтах рестрикції, утворюючи «тупі» або «липкі» кінці.
• Систему CRISPR бактерії початково використовували як власний імунітет для розпізнавання та знищення ДНК вірусів-бактеріофагів.
• Моноклональні антитіла виробляються гібридомами — клітинами, утвореними злиттям В-лімфоцита та ракової клітини.

2. Закінчи одне з речень: Я став/стала більш обізнаним/обізнаною щодо… Мене здивувало… Я побачил/побачила зв’язок…
Мене здивувало, що природний механізм захисту бактерій від вірусів став основою для найсучасніших технологій редагування генів та генної терапії людини.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Складним було зрозуміти різницю між технологією рестрикції та системою CRISPR. Подолати ці труднощі допомогло повторне читання тексту параграфа та аналіз схеми утворення рекомбінантної ДНК.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Здобуті знання допоможуть свідомо ставитися до інформації про ГМО в продуктaх харчування, краще розуміти суть сучасних методів медичної діагностики та лікування спадкових хвороб.