«К вопросу изучения нуклеиновых кислот в средней школе»
статья по биологии (10 класс) на тему

«К вопросу изучения  нуклеиновых кислот в средней школе»

Величайшее открытие 20-го века – гармоничная, уникальная, бесконечно красивая и одновременно простая – пространственная структура молекулы ДНК. Используя метод моделирования и развитое абстрактное мышление, биохимик Джеймс Уотсон и физик Френсис Крик стали героями этого замечательного события. Двойная спираль звонко, убедительно и с достоинством заговорила о себе. Она явилась единственной молекулой, стоящей на грани живой и неживой материи, открытой одновременно в прошлое и будущее, связывающей воедино многие поколения живых организмов на нашей планете.

В современном информационном пространстве изображение двойной спирали  ДНК  можно узнать сразу. Полиграфическая продукция, ТВ, интернет, школьный кабинет биологии. Но гораздо больший интерес вызывает возможность практического получения легендарной молекулы, да еще и своей собственной. Именно эта возможность явилась определяющей при выборе нами темы исследования.

Мы решили провести анализ существующих источников информации, разработать оптимальный алгоритм практической работы по выделению ДНК из клеток организма человека.

Объектом  исследования мы выбрали  клетки человеческого организма.

Предмет нашего исследования: вещество «жизни» - ДНК.

Выдвинули следующую гипотезу: нуклеиновая кислота – ДНК – одна из самых знаменитых и значимых в современном  мире. Возможно ли изучение этой молекулы в курсе химии и биологии средней школы  не только теоретически, но и практически?

Мы поставили перед собой следующие задачи:

• изучить и проанализировать различные  источники информации;

• определить и разработать условия для исследования генетического материала человека;

• составить алгоритм выделения ДНК из эпителиальных клеток организма человека.

Методы исследования, которые мы использовали в работе:

• теоретические (изучение, анализ, обобщение и систематизация различных источников информации – литературных, интернет-ресурсов);

• эмпирические (исследовательский эксперимент, измерение, наблюдение, описание).

Установлено, что молекула ДНК – это матрица, которая несет закодированную генетическую информацию о всех признаках организма  и способна к воспроизведению.

        Правильно и образно сказал об этом в свое время в романе «Лезвие бритвы» писатель Иван Ефремов: «Наследственная память человеческого организма - результат жизненного опыта неисчислимых поколений, от рыбьих наших предков до человека, от палеозойской эры до наших дней. Эта инстинктивная память клеток и организма в целом есть тот автопилот, который автоматически ведет нас через все проявления жизни, борясь с болезнями, заставляя действовать сложнейшие автоматические системы нервной, химической, электрической и невесть какой еще регулировки. Чем больше мы узнаем биологию человека, тем более сложные системы мы в ней открываем». 

Особый интерес у нас вызвала следующая информация об уникальной молекуле жизни:

• ДНК человека составляет менее 1% от веса клетки. И, тем не менее,  чтобы воспроизвести самым мелким шрифтом ту огромную информацию,  которая содержится в молекулах ДНК всего лишь одной нашей клетки, понадобилась бы тысяча книг по 1000 страниц в каждой! Вот таков размер генома человека – «Энциклопедии», написанной только четырьмя буквами!

• число отдельных молекул ДНК в клетке равно числу хромосом. Длина такой молекулы составляет около 8 см. Подобных гигантских полимеров пока не выявлено ни в природе, ни среди искусственно синтезированных химических соединений. У человека длина всех молекул ДНК, содержащихся во всех хромосомах одной клетки, составляет примерно 2 метра. Следовательно, длина молекул ДНК в миллиард раз больше их толщины. Так как организм человека состоит примерно из 5х1013- 1014 клеток, то общая длина всех  молекулДНК в организме равна 1011 км (это почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца!

• наша ДНК – сложнейший закодированный язык. Молекула ДНК, состоящая, к примеру, всего из 100 пар нуклеотидов, может теоретически кодировать 4100 «текстов»!

        В процессе углубления  в проблему, анализируя и сравнивая  изученные источники информации нас все в большей степени охватывало желание своими глазами увидеть, поближе познакомиться с таким замечательным объектом нашего исследования. Возникла необходимость в практическом извлечении молекулы ДНК из клеток человеческого организма и работа закипела с новой силой.

И вот я хочу представить вашему вниманию суть нашего исследования по выделению ДНК из собственного организма:

Мы выделили следующую цель: разработать оптимальный алгоритм практического выделения ДНК из клеток организма человека.

Мы поставили перед собой следующие задачи:

• определить и разработать условия для исследования генетического материала человека;

• составить алгоритм выделения ДНК из эпителиальных клеток организма человека.

• осуществить выделение кристаллов молекулы

• рассмотреть выделенные кристаллы под микроскопом

Также мы подобрали необходимое оборудование: пробирки, пипетки, водяная баня, стакан со льдом, микроскоп, предметные стекла, фильтровальная бумага, воронка.

Подготовили реактивы: физиологический раствор, буфер для лизиса, протеаза, этанол 95%

Суть нашего исследования состояла в следующем:

ДНК, как известно, есть в каждой клетке. Значит, выделить ее можно из любой ткани. Во всех тканях организма ДНК одинакова. Отличаются ткани тем, что в одних из них помимо вещества наследственности больше ничего нет (молоки селедки), а в других, таких, как костная ткань, содержание ДНК относительно невелико. Для исследования мы выбрали клетки эпителиальной ткани человека, собранные с внутренней поверхности слизистой оболочки щек (мало межклеточного вещества  и достаточное количество  самих клеток).

Первым этапом нашей работы стал СБОР И ЛИЗИС КЛЕТОК.

1.Взяли со стола 15мл пробирку, содержащую 3мл физиологического раствора.  Подписали ее инициалами.

2.Осторожно пожевали внутренние поверхности щек в течение 30 секунд.

3.Набрали физиологический раствор из 15мл пробирки в рот и тщательно прополоскали его в течение 30 секунд.  Физиологический раствор необходим для того, чтобы клетки не полопались раньше времени: давление внутреннего содержимого на клеточную мембрану изнутри уравновешивается давлением соляного раствора снаружи

4.Аккуратно выплюнули воду обратно в пробирку.

5.Нашли на столе 15мл пробирку с надписью «лизис». Используя чистую одноразовую пластиковую пипетку, добавили 2мл буфера для лизиса в пробирку. В качестве буфера использовали средство для мытья посуды «Ферри», разведенное в 4 раза. Данное средство, согласно рекламе, легко отмывает самую жирную посуду и вполне годится для того, чтобы  разрушить липидную мембрану как самой клетки, так и ее ядра. В результате такой обработки все клеточное содержимое оказывается в растворе, он делается вязким, тягучим и более прозрачным, чем была клеточная суспензия. Изменение консистенции раствора стало  верным признаком того, что лизис прошел успешно.

6.Закрутили пробирку крышкой и аккуратно перевернули пробирку 5 раз (не трясите ее!). Посмотрели на пробирку и заметили, что сначала содержимое было мутным а затем стало более прозрачным.

Следующей стадией нашей работы стало УДАЛЕНИЕ БЕЛКОВ.

В исследуемой смеси содержится большое количество белков, образующих прочные комплексы с ДНК. Чтобы очистить ДНК от остаточных белков, используем ферменты, способные разрушать эти молекулы. Для этого использовали раствор для очистки линз. Для данного процесса также можно использовать свежевыжатый сок ананаса.

1.Взяли с нашего стола маленькую пробирку с протеазой и добавили 5 капель протеазы  к нашему образцу.

2.Закройте пробирку и несколько раз перевернули ее, чтобы перемешать содержимое.

3.Поместили пробирку в штатив или стакан на водяную баню, нагретую до 50С на 10 минут. По истечение этого времени вынули пробирку и поместили для охлаждения в стакан со льдом.

ЧТОБЫ СДЕЛАТЬ  НАШУ ДНК  ВИДИМОЙ

1.Взяли пробирку с холодным этанолом 95%. При использовании спиртов меньшей концентрации ДНК в кристаллическое состояние не перейдет. Наполнили одноразовую пластиковую пипетку холодным спиртом.

2.Держа пробирку с образцом под углом 45, добавили туда 10мл спирта так, чтобы он медленно стекал по стенке пробирки. Нижние слои спирта частично смешивались с раствором ДНК, при этом начинается процесс кристаллизации нуклеиновых кислот. Завинтили крышку на пробирке.

3.Поставили пробирку перед собой в стакан со льдом  или штатив, и оставили ее на 5 минут не трогая.

4.Через 5 минут снова посмотрели на пробирку. Обратили внимание на четкую границу слоев спирта и смеси.

5.Медленно перевернули  пробирку 5 раз, чтобы ускорить осаждение ДНК. Обратили внимание на плавающие в пробирке прозрачные нити. Это и есть ДНК! Чистые кристаллы ДНК похожи на клубки спутанных нитей.

6.Рассмотрели ДНК под микроскопом. Для этого деревянной палочкой выловили «нити». Поместили «нити» на предметное стекло и рассмотрите под микроскопом. Увеличение школьного микроскопа не позволит увидеть структуру молекулы и определить, какие гены она содержит, но наша ДНК стала нам намного ближе.

Нашу работу можно считать успешно завершённой, так как мы выполнили все поставленные задачи и достигли цели: разработали универсальный алгоритм выделения ДНК из эпителиальных клеток организма человека.

Данный алгоритм можно  использовать на уроках  и  внеурочных занятиях по химии или биологии, ведь наш способ выделения ДНК удобный, не слишком затратный и достаточно наглядный.

 Знания о ДНК имеют огромное значение для человечества в окружающей нас действительности. Многие из нас и не догадывались о том, что выделить из клеток, увидеть своими глазами и потрогать сравнительно чистый препарат «Вещества Жизни» - это не фантастика, а вполне реальная и посильная задача для любого заинтересованного человека.

        Предлагаемый нами алгоритм  выделения ДНК из эпителиальных клеток организма человека в процессе эксперимента можно усовершенствовать и изменять. Дерзайте, пробуйте, исследуйте – и наградой вам будет «знакомство» с собственной ДНК!

Список используемой литературы и электронные ресурсы

1. А.А.Каменский, Е,А,Криксунов, В.В.Пасечник. Биология 10-11классы. Москва, «Дрофа».2010.

2. А.И.Хамитова, И.М.Шоклев. К изучению нуклеиновых кислот. Химия в школе №4,2010г.

3.   В. Артамонова. Как увидеть ДНК. «Химия и жизнь – XXI век».Medem.kiev.ua.

4. В.К.Шумной, Г.М.Дымшиц, А.О.Рувинский. Общая биология.Учебник для 10-11 классов с углубленным изучением биологии в школе. Москва, «Просвещение» 2010.

5.  Д.Тейлор, Н.Грин, У.Стаут. Биология/Под ред. Р.Сопера. Москва «Бином. Лаборатория знаний», 2013.

6. Н.Е.Кузьменко, В.В.Еремин, В.А.Попков. Пособие по химии для старших классов. Москва «Оникс 21 век», «Мир и образование» 2003.

7. Н.Е.Кузьменко, В.В.Еремин, В.А.Попков. Начала химии: современный курс для поступающих в вузы. Москва «Экзамен»,2001.

8.   http://ppt4web.ru/biologija/stroenie-sostav-i-znachenie-dnk.html

9.   http://pwpt.ru/presentation/biologiya/dnk/