Биотехнология и генная инженерия в селекции
план-конспект урока по биологии (10 класс)

Тема: «Биотехнология и генная инженерия, и ее основные направления»

Цель: Показать возможности биотехнологии в современном мире, воспитание критического мышления учащихся.

Задачи урока:

Образовательные: сформировать у учащихся знания о биотехнологии как отрасли производства, генной инженерии; познакомить с основными методами генной инженерии, значением для человека, растений, животных;

Развивающие: развивать у школьников умение выделять существенное в изучаемом материале, сравнивать, обобщать, логически излагать свои мысли. Развивать эмоции учащихся.

Воспитательные: воспитывать нравственные качества, развивать способности коммуникации и взаимодействие в обществе, прививать ученикам любовь к труду и чувство патриотизма.

Здоровьесберегающие: смена видов деятельности во время урока; соблюдение правильной осанки во время урока.

Содержание урока ( перечень дидактических единиц )

Биотехнология - как отрасль производства. Направления современной биотехнологии. Задачи генной инженерии. Конструирование – рекомбинантных ДНК. Полимеразная цепная реакция (ПЦР). Достижения и перспективы генной инженерии. Создание трансгенных организмов. Экологические и этические проблемы генной инженерии.

Деятельность обучающихся:

Обьясняют сущность понятий «биотехнология», «генная инженерия», «полимеразная цепная реакция», вектор, плазмиды, фазмиды, бактериофаг.

Сравнивают различные методы генной инженерии.

Характеризуют современные научные открытия в области биологии.

Обьясняют этические проблемы биотехнологических разработок.

Основные понятия урока: биотехнология, генная инженерия, вектор, плазмиды, полимеразная цепная реакция (ПЦР), вектор, плазмиды, фазмиды, бактериофаг, рестрикция, лигирование, трансформация, скрининг,

Планируемые результаты обучения

Предметные:

Знать что такое генная инженерия и каков механизм ее действия. Kаковы за и против этой технологии. 

Формулировать представления о биотехнологии – как отрасли производства.

Оценивать роль генной инженерии в практической деятельности человека и в собственной жизни;

Метапредметные :

Аргументировать свою точку зрения при обсуждении вопросов.

Планировать учебную деятельность при изучении материала параграфа

Находить информацию в различных интернет – ресурсах, дополнительной литературе.

Личностные:

Формировать интерес к учению, умение адаптироваться к сложным ситуациям.

Участвовать в диалоге, слушать и понимать других.

Находить нужную информацию в учебнике;

Наблюдать и делать простые выводы.

Оборудование: компьютер, проектор, презентация к уроку, набор карточек (для групповой работы), сообщения учащихся, учебник Биология 10 кл. под редакцией Д.К. Беляева.

Тип урока: открытие новых знаний.

Методы и формы обучения: словесный, частично – поисковый; объяснительно – иллюстративный  (репродуктивный), индивидуальная, фронтальная, самостоятельная работа в группах.

Ход урока

I. Организационный момент (приветствие учащихся, готовность к уроку)

II. Актуализация опорных знаний. (проверка знаний учащихся)

а). Фронтальный опрос - беседа учащихся о единице наследственности, о регуляции транскрипции эукариот и прокариот.

1. Что такое ген? (Участок ДНК, кодирующий определенный полипептид)
2. Что кодируют гены? (Синтез белков ).
3. Какие молекулы синтезируются под непосредственным контролем ДНК? (Белки).
4. Что такое геном? (совокупность всех участков ДНК гаплоидного набора хромосом).
5. Какие вы знаете особенности строения и проявления жизнедеятельности вирусов? (неклеточная форма жизни, переходная форма между живой и неживой природой).
6. Какие бывают белки по функции? (структурные – кератин, коллаген; функциональные – инсулин, фибриноген; ферменты, ответственные за регуляцию клеточного метаболизма)
7. Где находятся «инструкции» необходимые для синтеза ферментов и всех других белков? (В ДНК).
8. Какой механизм переносит генетическую информацию из ядра в цитоплазму? (Матричная РНК - м РНК).
9. Какие ученые постулировали существование особой формы РНК, которую назвали матричной РНК? (Жакоб и Моно французские биохимики в 1961г.)
10. Из каких этапов состоит синтез белков? (транскрипция и трансляция).
11. Как происходит транскрипция и репликация ДНК?

б). Работа в группах: «Крестики-нолики» - (обучающая структура, используемая для развития критического и креативного мышления), в которой участники составляют предложения, используя три слова, расположенных в любом ряду по вертикали, горизонтали и диагонали. (Учитель готовит  9 карточек,  с одним словом на каждом листочке, смешивает их и раскладывает в формате 3Х3.)

в) выступление учащихся (подведение итогов, выставление оценок.)

II. Подготовка к восприятию нового материала.

Учитель. Вспомните:

- Какие биологические системы и процессы человек использует для получения продуктов питания, промышленного сырья и производства лекарственных препаратов. (предполагаемые ответы учащихся – это микроорганизмы бактерии, вирусы, грибы и протисты, такие как простейшие и микроскопические водоросли. Микроорганизмы чрезвычайно разнообразны и представляют огромный потенциал для использование человеком.

1.Рассказ с элементами беседы, составление «Ассоциативного куста»

Учитель: применение микроорганизмов и других биологических объектов на пользу человека можно охарактеризовать одним словом – биотехнология.

- С чем у вас ребята, ассоциируется понятие биотехнология. (Ответы учащихся, называют возможности использования биотехнологии, составляют ассоциативный куст, ( метод «Ассоциативный куст» – вызов интереса). способствует развитию творческой активности и логического мышления учащихся, совершенствует механизмы запоминания, обогащает словарный запас.

а). Работа в тетрадях (составление схемы1)

Пищевые продукты

Топливо

Генная инженерия

Медикаменты

Переработка отходов

Биотехнология

Сельское хозяйство

Разработка недр

Химические вещества

Ферментные технологии

Ферментеры

б) Составляют схему 2. Основные направления биотехнологии. (слайд 2)

в) Делают выводы дают определение понятию биотехнология. Биотехнология - это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве.(запись в тетрадях).

IV. Мотивация познавательной деятельности.

Учитель: «Вы, скорее всего, слышали о светящихся в темноте кошках. Это может звучать, как научная фантастика, но они существуют уже многие годы. Капуста, производящая яд скорпионов. Сделано. Да, и в следующий раз, когда вам понадобится вакцина, доктор может просто дать вам банан». Эти и многие другие генетически измененные организмы существуют сегодня, их ДНК была изменена и смешана с другой ДНК, чтобы получить полностью новый набор генов. Вы можете не знать этого, но многие из этих генетически модифицированных организмов являются частью жизни и даже частью повседневного питания»[4]. Фактически, любое производство, в основе которого лежит биологический процесс, можно рассматривать как биотехнологию. Сюда же можно включить и генную инженерию.

III. Изучение нового материала.

Целеполагание. (Ученики самостоятельно формулируют цели и ставят задачи) (предполагаемые ответы учащихся)

Цель: Совершенствование знаний по генной инженерии.

Задачи: познакомиться с основными методами генной инженерии; с условиями и конструкциями методов; изучить этапы получения белка.

1.(Рассказ учителя, с элементами беседы).

Генная инженерия это новая, революционная технология, занимающаяся высокоточными методами работы с ДНК в пробирке или организме, — повлияла на все аспекты клеточной биологии. Ученые могут извлекать гены из одного организма и внедрять их в любой другой.

Датой рождения генной инженерии можно считать 1972 год, когда Пол Берг, Стэнли Коэн, Герберт Бойер с сотрудниками (Стенфордский университет) создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E.coli. [3] (слайд 3)

Одна из задач генной инженерии – создание бактериальных клеток, способных в промышленных масштабах синтезировать незаменимые аминокислоты (метионин, триптофан, цистеин), защитные белки – интерфероны и белки гормоны (соматотропин, инсулин).

2. Работа с текстом параграфа 21 с.97 (на основании текста параграфа сформулируйте определение понятия « генная инженерия».)[2c.97]

Основным методом генной инженерии является получение рекомбинантной ДНК.

Чтобы осуществить перенос генов (трансгенез), необходимо выполнять следующие сложные операции

- выделение из клеток бактерий, животных или растений тех генов, которые намечены для переноса;

- создание специальных генетических конструкций (векторов), в составе которых намеченные гены будут внедряться в геном другого вида;

- внедрение генетических конструкций сначала в клетку, а затем в геном другого вида и выращивание измененных клеток в целые организмы.

Для передачи информации необходимы векторы (слайд 4)

Вектор (в генетике) — молекула нуклеиновой кислоты, чаще всего ДНК, используемая в генетической инженерии для передачи генетического материала другой клетке.

Существующие векторы. 

Плазмиды — небольшие кольцевые фрагменты ДНК, обнаруженные в некоторых бактериях. Они отделены от основной (хромосомной) ДНК, и могут реплицироваться независимо от нее. (слайд 5)

Бактериофаги – (или, для краткости, фаги) – это вирусы, которые могут вводить свою ДНК в бактериальную клетку, где эта ДНК реплицируется.

фазмиды молекулярные векторы, являющиеся искусственными гибридами между фагом и плазмидой. Фазмиды после встройки чужеродной ДНК могут в одних условиях развиваться как фаги, а в других как плазмиды. (слайд 6)

Мощным инструментом генной инженерии являются ферменты.

Рестриктазы – ферменты, разрезающие молекулу ДНК (выделяемые из бактерий, двойную цепочку ДНК в определенных сайтах (точки разрезания) со специфической нуклеотидной последовательностью.

Лигазы – ферменты бактерий и вирусов, которые сшивают (соединяют) концы двух фрагментов ДНК.

Фрагменты ДНК, которые необходимо клонировать, соединяют либо с плазмидной, либо с фаговой ДНК. Полученная «конструкция», состоящая из ДНК – фрагментов различных организмов, называется рекомбинантной ДНК. (Слайд7)

3.Самостоятельная работа,используя текст параграфа и рисунок 29, с.98 опишите все этапы получения белка, необходимого человеку, с помощью бактерий. ( из рубрики «Работа с текстом» (записи в тетрадях).[2c.98]

Этот процесс состоит из нескольких этапов (слайд 8)

1. Рестрикция - разрезание ДНК. При помощи фермента рестрикционной эндонуклеазы или рестриктазы, открытой в 1974 году швейцарским ученым Вернером Арбером. Некоторые эндонуклеазы рестрикции вносят ступенчатые разрывы, в результате чего на концах каждого фрагмента ДНК остаются короткие одноцепочечные «хвостики». Такие концы называются липкими, поскольку каждый «хвостик» может комплементарно спариться с «хвостиком» на конце любого другого фрагмента, полученного при помощи той же рестриктазы.
2. Лигирование - фрагмент с нужным геном включают в плазмиды и сшивают их. Лигирование ДНК, позволяющее проектировать и конструировать молекулы ДНК, не встречающиеся в природе. (слайд 9)
3. Трансформация - введение рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки.Трансформированные бактерии при этом приобретают определенные свойства. Каждая из трансформированных бактерий размножается и образует колонию из многих тысяч потомков — клон.
4. Скрининг — отбор среди клонов трансформированных бактерий тех, которые плазмиды, несущие нужный ген человека. Весь этот процесс называется клонированием. (слайд10)

Клонирование ДНК с использованием либо клонирующих векторов, либо полимеразной цепной реакции, при которой участок ДНК многократно копируется для синтеза миллиардов идентичных молекул.

Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) сделал возможным быстрое клонирование. Взяв целый геном, ПЦР позволяет амплифицировать (увеличивать) ДНК выбранного участка в миллиарды раз, эффективно «очищая» данную ДНК от остального генома. ПЦР используется во многих областях для проведения анализов и в научных экспериментах. ПЦР дает возможность существенно ускорить и облегчить диагностику наследственных и вирусных заболеваний. а именно в медицинской диагностики, в настоящее время это актуально, с выявлением людей инфицированных СOVID19. Вирусные инфекции можно обнаруживать сразу после заражения, за недели или месяцы до того, как проявятся симптомы заболевания. (слайд 11- 12).

Генно-модифицированный организм (ГМО) - организм, полученный с применением методов генной инженерии и содержащий гены, их фрагменты или комбинации генов других организмов. [1с 48.]

4. Выступление учащихся с сообщениями). «Достижения и перспективы генной инженерии.» (Приложение 1) (слайд 13- 14)

5. «Генная инженерия – враг или друг» (коллективная дискуссия) Приложение 2.

V. Закрепление и проверка изученного материала. 

I.  Соотнесите методы биотехнологии с определениями:

1. Селекция
2. Мутагенез
3. Клеточная инженерия
4. Клонирование
5. Генная инженерия

1. Выведение новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными человечеству свойствами.
2. Точное  воспроизведение какого-либо объекта
3. Искусственное получение мутантов
4. Конструирование новых клеток
5. Совокупность  методов, позволяющих переносить генетическую информацию из одного организма в другой.

II. Выполнение тестовых заданий (закрепление первичных знаний) Вариант (1четный, 2 нечетный) (взаимоконтроль)

1. Животные, растения, микроорганизмы, вирусы, генетическая программа которых изменена с использованием методов генной инженерии – это: а) ДНК; б) живой ген; в) микробный белок; г) трансгенные организмы; д) ферменты.

2. Использование живых систем и биологических структур для получения ценных для человека продуктов называется:

a) диализом

б) аммонификацией;

в) стерилизацией;

г) биотехнологией;

д) деструкцией 

3. Генная инженерия:

а) диагностирует наследственные заболевания

б) целенаправленно изменяет геномы организмов

в) исследует механизмы передачи наследственной информации

г) сохраняет вегетативно размножаемые сорта

4. Лигирование – это:

а) отбор клонов трансформированных бактерий, содержащих плазмиды, несущий нужный ген человека; б) введение рекомбинантных плазмид в бактериальную клетку; в) разрезание ДНК человека и плазмиды ферментом рестрикционной эндонуклеазой; г) включение фрагментов ДНК человека в плазмиды и сшивание «липких» концов.

5. Совокупность методов, позволяющих путем операций in vitro переносить информацию из одного организма в другой – это:

а) хромосомная инженерия; б) генная инженерия; в) клеточная инженерия; г) гетерозис.

6. Генная инженерия зародилась в:

а) 1970 г; б) 1972 г; в) 1974 г; г) 1982 г.

7. Участок ДНК, в котором записана информация о первичной структуре белка: а.) ген; б) геном; в) локус; г) хромосома.

8. Отбор клонов трансформированных бактерий, содержащих плазмиды, несущие нужный ген человека: а) лигирование; б) скрининг; в) трансформация; г) рестрикция.

9. Цели генной инженерии: а) преодолевание межвидовых барьеров; б) передача отдельных наследственных признаков одних организмов другим; в) способность нарабатывать «человеческие» белки; г) а + б + в.

10.Создание рекомбинантного инсулина, производимого бактериями, стало возможно благодаря развитию: а) аналитический химии; б) ботаники; в) биотехнологии; г) генетики.

11. Основоположником генной инженерии по праву считают: а.) Вернера Арбера; б.) Девида Балтимора; в.) Пола Берга; г.) Говарда Темина.

12. Производство гормона инсулина с помощью бактерий стало возможно благодаря: а) генной инженерии; б) клеточной инженерии ; г) цитологии ; д) клонированию.

2. Подведение итогов урока. Выставление оценок.

VI. Домашнее задание.

1.Изучить § 21.

2. Ответить на вопросы на стр.100 в рубрике «Вопросы и упражнения».

3. В рубрике «Работаем с информацией» выполнить следующее: Найдите в интернете информацию и подготовьте компьютерную презентацию на тему «Болезни, которые лечат генно-инженерными лекарствами».

Заключение

Изучив тему урока можно сделать следующие выводы: предложенные виды учебной деятельности работа с учебником, с использованием компьютера, составление схем, формы, методы и средства обучения, технологии, учебные задания,  способствуют достижению образовательных результатов.

В ходе урока была организована фронтальная, групповая, коллективная работа учащихся.

Учащиеся являются соавторами урока и проявляют активность, умения делать выбор давать оценку фактам, оценивать свою работу. Урок достиг своей цели, обеспечил качество подготовки учащихся. 

Содержательная часть урока, его атмосфера не только вооружали учащихся знаниями и умениями, но и вызывали у детей искренний интерес, подлинную увлечённость, формировали их творческое сознание.

Результатом обучения школьников стало овладение ими навыками критического мышления, самостоятельного поиска и глубокого анализа информации.

Учащиеся настраиваются на достижение целей урока «вспоминают», что им известно по изучаемому вопросу (высказывают предположения), систематизируют информацию до её изучения, задают вопросы, на которые хотели бы получить ответ, формируют собственные цели. Учащиеся соотносят получаемую новую информацию с уже известной, используя знания, полученные на стадии осмысления. Производят отбор информации, наиболее значимой для понимания сути изучаемой темы, а также наиболее значимой для реализации сформулированной ранее индивидуальной цели учения. Выражают новые идеи и информацию собственными словами. Данный урок соответствует этапам человеческого восприятия: сначала дает настроиться, вспомнить, что известно по этой теме, затем знакомит с новой информацией, дает подумать, для чего понадобятся полученные знания и как их сможешь применить.

Список используемой литературы.

1. Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. Т.2 2013г. – 48с.
2. Беляев Д.К. Дымшиц Г.М. Биология.10 класс: учеб. для общеобразовательных организаций: базовый уровень – 3 – е изд.- М.: Просвещение, 2016. – 223с.
3. Генная инженерия: за и против - http://www.newreferat.com/ref-42854-2.html
4. Генная инженерия. Источник: http://www.facepla.net/the-news/1582-gmo27.html.
5. Дегтярев Н. Генная инженерия: спасение или гибель человечества? - СПб.: ИК "Невский проспект", 2002. - 128с.
6. Тейлор Д, Н.Грин, Стаут У. Биология: в 3 – х томах Т.3 под редакцией Сопера Р. Москва «Мир» 2004.