Практическая работа Задача «Какие технологии позволяют современным учёным отделять нуклеиновые кислоты от компонентов клетки»10-11 класс
учебно-методический материал по биологии (10 класс)

Практическая работа

Задача «Какие технологии позволяют современным учёным отделять нуклеиновые кислоты от компонентов клетки»

Составитель: О.А.Эргешова, МАОУ СОШ №3 городской округ Щёлково Московской области.

Предмет: Биология(генетика).

Класс 10-11.

Цель задачи: задача построена на основе материала курса, предложенного программой для обучающихся (повышенный уровень) 10-11 класс, по теме «Современные методы исследования в генетике».

Действия обучающихся: Данная задача может быть использована как обучающая для самостоятельного получения знаний по теме «Современные методы исследования в генетике». Для углублённого изучения современных достижений в генетике.

Задача ориентирована на преодоление дефицитов, таких как:

• находить точную информацию в тексте;
• переводить один вид текста в другой (от схемы к словесному  описанию);
• при решении задачи неоднократно возвращаться к ее условию;
• привлекать личный опыт, известные знания для решения поставленной задачи.
• развить интерес к современной науке генетике и е возможностям

Использованные источники:

• Биология. Общая биология.В.И. Сивоглазов,И.БАгафонова,Е.Т.Захарова 10 класс  М.: Дрофа,2020.
• Лекции с курсов повышения квалификации учителей АСОУ, 2021 год ,сентябрь – ноябрь., следующих спикеров
• Демидюк Илья  д.х.н.,профессор РАН, зам. директора  НИЦ «Курчатовский институт»-ИМГ .заведующий лабораторией функциональной энзимологии;
• .М. Гладышева Лаборант-исследователь Кучатовский исследовательский центр-НИЦ «Курчатовский институт».

Возможные варианты ответов на задания и уровень их сложности:

Б-базовый

П - повышенный

В - высокий

Текст задачи.

«Получение образцов ДНК (экстрагирование)»

Современные генетические технологии предполагают работу с нуклеиновыми кислотами – такими как дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК и рибонуклеиновая кислота, РНК.

Секвенирование, полимеразная цепная реакция и прочие манипуляции с ДНК требуют наличия этой кислоты в свободном и доступном виде. Поэтому биотехнология и генетика часто

начинаются с этапа экстрагирования, экстракции или, проще говоря, выделения ДНК.

Молекула ДНК – это основной носитель генетической информации клетки. У прокариотических, или безъядерных организмов, таких как бактерии и археи, ДНК содержится непосредственно в цитоплазме клетки. У нас же, как у эукариотических организмов, чьи клетки обладают ядром, ДНК находится в ядре. Таким образом, для извлечения ДНК из клетки нужно преодолеть как минимум одну цитоплазматическую мембрану, как в случае с прокариотами, цитоплазматическую ядерную мембрану в случае эукариот, более того, у некоторых организмов клетки также обладают клеточной стенкой, создавая дополнительные препятствия для экстрагирования ДНК. Нулевой этап процесса выделения ДНК – это сбор материала, из которого собственно будет производиться выделение. Это может быть что угодно – кровь, слюна, волосы, почва, океаническая вода, вулканический пепел или другие материалы, в которых по вашему предположению могут содержаться клетки каких-то организмов. Первый этап экстрагирования ДНК – это лизис, или растворение упомянутых ранее клеточных структур, препятствующих выходу ДНК из клетки, клеточной стенки, цитоплазматической мембраны и ядерной мембраны. Целью лизиса является быстрое и полное разрушение клеток в образце для высвобождения нуклеиновой кислоты. Результатом этого процесса будет получение раствора нуклеиновой кислоты, который называется лизатом. Существует несколько основных групп методов лизиса клеток: физические, ферментативные и химические. Физические методы обычно включают измельчение или дробление образца для разрушения клеточных стенок или жесткой ткани. Измельчители могут быть простыми ручными устройствами или автоматическими. Физические методы часто используются с более структурированными исходными материалами, такими как ткани животных или растений. Распространенным методом физического лизиса является замораживание и измельчение образцов ступкой и пестиком в жидком азоте для получения порошкообразного материала, который затем подвергается химическому или ферментативному лизису. Также используется разрушение клеток в присутствии металлических или керамических шариков или обработка

ультразвуком. Химические методы можно использовать отдельно с материалами, легко поддающимися лизису. Такими как клетки культур ткани или в сочетании с другими методами. Разрушение клеток достигается с помощью множества агентов, которые разрушают клеточные мембраны и денатурируют белки. Обычно используемые химические вещества включаются детергенты, например SDS, и хаотропы, например, соли гуанидина и щелочные растворы. Ферментативные методы часто используются с более структурированными исходными материалами – с тканями, растительным материалом, бактериями и дрожжами в сочетании с другими методами. Используемые ферменты способствуют разрушению тканей и прочных клеточных стенок. В зависимости от исходного материала типичные ферментативные обработки могут включать, среди прочего, лизоцим, протеиназу К, коллагеназу и липазу. Ферментативная обработка может быть высокопроизводительной, но также имеет более высокую стоимость по сравнению с другими методами лизиса.

В 1979 году американские ученые продемонстрировали, что при определенных условиях нуклеиновые кислоты способны связываться с силикатами, что позволяет отделить все остальные компоненты клетки от частиц силики, которые связаны с нуклеиновыми кислотами. Это открытие легло в основу двух технологий: выделения нуклеиновых кислот на спинколонках и на магнитных частицах. Таким образом, мы можем очистить ДНК, используя сорбенты, специфически связывающие заряженные нуклеиновые кислоты. На этом принципе основаны очень многие коммерческие наборы, предоставляющие возможность очищать ДНК на лабораторном столе. И тем самым решается проблема работы с токсичными растворами. Для того чтобы выделить ДНК с помощью спин-колонки необходимо сначала разрушить клетки лизирующим буфером, а далее нанести раствор, содержащий ДНК, на специальную колонку, которая состоит из сорбента. В качестве сорбента используют оксид кремния. Отрицательно заряженная ДНК связывается с положительно заряженным сорбентом, а липиды, белки и полисахариды не связываются с ним. Далее производятся несколько этапов промывки сорбента, который позволяет избавиться от неспецифически связавшихся веществ, а после этого ДНК элируют в пробирку с помощью специального буфера либо воды.

Задание 1.

1.Для чего учёным нужен процесс эстрагирования ДНК?

2. Какие технологии позволяют современным учёным отделять нуклеиновые кислоты от компонентов клетки ?

3.Что такое лизат?

Задание 2.

Этапы экстракции(выделения)ДНК.

1.Физическое воздействие (замораживание-оттаивание образца, гомогенизация с бусинами, дробление частиц почвы ультразвуком);

2.Химический лизис (обработка детергентами или хаотропными агентами);

3.Ферментативный лизис (применение лизоцима, протеиназы). Очистка полученного препарата ДНК.

Справка:

1.Гомогенизация-измельчение.

2.Детергенты-синтетические химические вещества. Обладающие высокой поверхностной активностью. и в связи с этим: моющим, дезинфицирующим, растворяющим действием.

3.Хаотропные агенты нарушают структуру макромолекул белков и нуклеиновых кислот. Препятствуют межмолекулярным взаимодействиям.

4.Лизоцим(гликопротеид)- фермент, антибактериальный агент, разрушающий клеточную стенку бактерий.

5.Протеиназы- ферменты, расщепляющие пептидную связь в белках между аминокислотами

1.Почему именно такая последовательность необходима для этого процесса?

2.Почему именно нуклеиновые кислоты необходимы учёным.?

3.Правильно соотнесите рисунки с этапами экстрации ДНК

Результаты занести в таблицу цифрами.

А                                                              Б                              В

Задание 3

Устойчивые к окислению протеазы.

Для применения в составе моющих средств белки должны быть устойчивы к окислению. Методами белковой инженерии на основе протеаз из бацилл удалось создать устойчивые к окислению ферменты, которые были успешно коммерциализированы и широко используются в средствах для стирки

Действие H2O2 (перекиси водорода) на природный фермент и его вариант, полученный с использованием белковой инженерии. Данные из работы Д.А. Эстелла и соавторов (J. Biol. Chem. 1985. 260, 6518–6521)

Вопрос1:

Объясните, используя показатели активности фермента в% и время  в минутах , преимущество инженерного фермента перед природным

Вопрос 2: на анализ графика:

Какова разница между активностью природного и инженерного фермента?

Вопрос 3 :Начиная с какой минуты проявляется разность активности?

Лист ответов.

Задание 1.

Ответ 1: Современные генетические технологии требуют получение нуклеиновой кислоты в чистом и доступном виде.

Ответ2: Выделение нуклеиновых кислот из исследуемого материала клетки стало возможным после открытий технологий, путём экстрагирования с частичками силики и магнитных частиц. В 1979г американцами.

Ответ3: Лизат это раствор нуклеиновой кислоты.

Задание2

1.Чтбы получить нужную фракцию элементов, в данном случае-нуклеиновые кислоты, необходимо разрушить структуры и их связи. Что и даёт данный метод исследования.

2. Молекула ДНК – это основной носитель генетической информации

клетки. Для дальнейших работ в современной генетике необходим этот материал.

3.Правильная последовательность этапов экстракции(выделения)ДНК

Задание 3

Ответ 1:.Ативность инженерного фермента

 Ответ 2: активность природного фермента на 2 минуте 20%, а инженерного – 100%. Разница равна 80%

 Ответ 3: со  второй минуты проявляется разность активности фермента.

Критерии оценивания №1

Критерии оценивания №2

Критерии оценивания №3

Умения.

Естественнонаучные:

1. Использовать естественнонаучные знания для решения реальных жизненных задач.
2. Актуализировать знания, использовать их для принятия решения.
3. Представлять естественнонаучную информацию в контексте решаемой задачи.
4. Использовать исследовательский метод (сбор, систематизация и анализ фактов ,анализ полученных результатов, формулировка заключения, выводов) в нестандартных ситуациях.

Информационные:

1. Находить точную информацию в однородных, однотипных текстах.
2. Находить точную информацию в составных, разнотипных текстах.
3. Находить достоверные сведения в разных типах информационных источников: графиках, диаграммах, картах, схемах, таблицах.
4. Синтезировать и сопоставлять информацию разнотипных источников, делать выводы, заключения и обобщения.
5. Использовать разные типы выявления информации: ознакомительный, поисковый, ориентировочный, формулировать информационно и доказательно насыщенное суждение, заключение, выводы.

Общеучебные:

1. Решать задачу с привлечением дополнительной информации, личного опыта.
2. Решать задачу на основе межпредметного подхода с использованием комплексных подходов.
3. Удерживать взаимосвязь отдельных заданий задачи, использовать полученную  информацию в одном задании для решения другого.
4. Переформулировать, дополнить условие задачи на основе реконструкции замысла и  цели автора.
5. Уметь давать развернутый ответ на вопрос в свободной форме.
6. Уметь на основе точной информации из текста давать качественную интерпретацию (делать выводы, заключение, обобщение, сравнение и др.).
7. Уметь работать с разными типами текстов: бытовыми, научно-популярными, публицистическими и др.
8. Уметь переходить (переводить) от одного вида текста к другому (от схемы к словесному описанию и, наоборот, от словесного описания к таблице и, наоборот, от карты к словесному описанию, таблице, схеме, диаграмме и, наоборот.
9. Уметь выделять неявную, скрытую дополнительную необходимую информацию из вопроса к поставленной задаче.