Изучение вопросов биотехнологии в курсе химии средней школы
Введение
Актуальность исследования: в настоящее время российское химическое образование претерпевает глубокие изменения. Возросла необходимость в новых методических разработках, отражающих современное состояние науки. Особого внимания заслуживает информация, касающаяся интеграционных тенденций между различными отраслями знания. Конкретизировать изложенные положения позволяет целый спектр тем, затрагивающих различные направления биологических наук. Одно из первых мест занимают новые направления биотехнологии, прежде всего генетическая инженерия, которая привела к «биотехнологическому буму», свидетелями которого мы являемся.
Таким образом, для ориентации человека в новой информационной и материально-технической среде обитания, формирования реалистического взгляда на окружающий мир необходима постановка новых задач обучения. Преодоление абстрактности и оторванности учебного материала от жизни, которые влекут к потере познавательного интереса, – приоритетная задача обучения. Наличие познавательного интереса является важным условием формирования высокого качества знаний.
Другой стороной абстрактности при изучении биологии является недооценка её роли в возникновении и решении глобальных продовольственных, сырьевых, экологических проблем настоящего и будущего. Кому как не биотехнологии, вышедшей из недр химии и биологии, заниматься этими проблемами. Сегодня нам ясно, что открытия биохимии глубоко скажутся на судьбе человечества.
Учитывая разопщённость и поверхностность вопросов биотехнологии почти во всех предложенных программах (см. главу 2) целью работы является разработка элективного курса по теме «основы биотехнологии» а также комплекса фрагментов включения данного материала в общепринятые биологические программы.
Объект исследования: место и процесс применения изучаемой темы в структуре биологического образования.
Предметом исследования является разработка методических рекомендаций к изучению темы «основы биотехнологии».
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать методическую литературу, обосновать актуальность темы.
2. Проанализировать литературу, дающую обзор основных вопросов биотехнологии.
3. Подобрать материал к проведению уроков по данной теме и разработать методические рекомендации по его использованию.
4. Подобрать лабораторные работы, которые следует включить в изучение данной темы.
5. Провести педагогический эксперимент.
Поставленные задачи решались с использованием методов, соответствующих объекту и предмету исследования
Теоретические
· Анализ литературы по теме, систематизация теоретического материала
· Теоретико-методический анализ проблемы
Эмпирические
· Общепедагогические: наблюдение и самонаблюдение, беседа
· Химические: лабораторный эксперимент
Также была выдвинута гипотеза: при включении материала биотехнологического уклона в учебный процесс предполагаем повышение познавательного интереса и мотивации к обучению у учащихся.
1. Основы биотехнологии (литературный обзор)
1.1 Основы генетической инженерии
История развития генетической инженерии
Генетическая инженерия – раздел молекулярной генетики, исследующий возможности и способы создания лабораторным путем (in vitro) генетических структур и наследственно измененных организмов, т.е. создания искусственных генетических программ, с помощью которых направленно конструируются молекулярные генетические системы вне организма с последующим их введением в живой организм (А.А. Баев). Обычно употребляются два названия данного научного направления – генетическая инженерия и генная инженерия, являющиеся как бы синонимами[7]. Однако их смысловое содержание неодинаково: генетическую инженерию связывают с генетикой, а генная имеет отношение только к генам. Кроме того, генетическая инженерия точнее раскрывает содержание дисциплины – создание генетических программ, основная задача которых – создание in vitro молекул ДНК посредством соединения фрагментов ДНК, которые в естественных условиях чаще не сочетаются благодаря межвидовым барьерам (рекомбинантные ДНК). Молекула рекомбинантной ДНК представляет собой соединенные в бесклеточной системе два компонента: вектор (смотри ниже), обеспечивающий механизм репликации и экспрессии, и фрагмент клонируемой («чужеродной») ДНК, содержащий интересующие исследователя генетические элементы. Согласно определению национальных институтов здоровья США, «рекомбинантными ДНК называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке». Первая рекомбинантная ДНК получена в 1972 г. (П. Бергом с сотр.) и была составлена из фрагмента ДНК обезьяньего вируса ОВ40 и бактериофага λ dvgal с галактозным опероном E. coli. Формально 1972 г. следует считать датой рождения генетической инженерии.
Генетическая инженерия имеет яркую историю благодаря тому общественному резонансу, который она вызвала с самых первых своих шагов. Начало этим событиям положило послание участников Гордоновской конференции (1973) президиуму АН США, в котором говорилось о возможной опасности технологий рекомбинантных ДНК для здоровья человека. Возможные блага генетической инженерии признавались с самого начала, но разногласия по данной проблеме не затихли и сейчас. В таблице 1 перечислены основные этапы становления и развития генетической инженерии.
Таблица 1. Основные этапы развития генетической инженерии
| Год | Автор | Содержание открытия |
| 1869 | Ф. Мишер | Выделена ДНК из ядер клеток гноя |
| 1880 | А. Коссель[5] | Выделение азотистых оснований |
| 1928 | Гриффитс[3] | Явление бактериальной трансформации |
| 1929 | П. Левин, Е. Лондон | Выделение 2-D-дезоксирибозы |
| 1930 | Эвери, Мак-Карти и Мак-Леод | Выделение вещества гена |
| 1938 | Беренс | Локализация н.к. |
| 1940 | Браун и Тодд | Принципы химического строения полинуклеотидной цепи. |
| 1950 | Э. Чаргафф | Закономерности нуклеотидных отношений |
| 1953 | Д. Уотсон, Ф. Крик | Сконструирована модель двойной спирали ДНК на основании результатов рентгеноструктурного анализа ДНК |
| 1956 | Волкин, Астрахан и Херши | Открытие и-РНК |
| 1957 | А. Корнберг | Синтез ДНК in vitro |
| 1961 | А. Мармур и П. Доти | Открыто явление ренатурации ДНК и установлены точность и специфичность реакции гибридизации нуклеиновых кислот |
| 1962 | В. Арбер | Впервые получены сведения о ферментах рестрикции ДНК |
| 1968 | М. Мезельсон и Е. Юань | Выделена первая рестриктаза |
| 1966 | М. Ниренберг, С. Очоа, Г. Корана | Расшифрован генетический код |
| 1967 | М. Геллерт | Открыта ДНК-лигаза |
| 1970 | Г. Тёмин, С. Мизутани | Открыта ревертаза |
| 1972–1973 | Г. Бойер, С. Коэн, П. Берг | Разработана технология клонирования ДНК |
| 1975–1977 | Ф. Сэнгер, Р. Баррел, А. Максам, В. Гилберт | Разработаны методы быстрого определения нуклеотидной последовательности |
| 1979 | Г. Корана | Синтезирован ген тирзиновой супрессорной РНК |
| 1981–1982 | Р. Пальмитер, Р. Бринстер, А. Спрэдлинг, Г. Рубин | Получена трансгенная мышь. Получены трансгенные экземпляры дрозофилы |
| 1993 | Л.К. Эрнст, Г. Брем, И.В. Прокофьев | Получены трансгенные овцы с геном химозина |
Биотехнология рекомбинантных ДНК
Технология рекомбинантных ДНК включает набор, как новых методов, так и заимствованных из других дисциплин, в частности из генетики микроорганизмов. Эти методы существенно расширяют возможности генетических исследований. К наиболее важным методам биотехнологии рекомбинантных ДНК следует отнести следующие:
1. Специфическое расщепление ДНК рестрикцирующими нуклеазами, что в значительной степени ускоряет выделение различных генов и манипуляции с ними.
2. Быстрое секвенирование всех нуклеотидов в очищенном фрагменте ДНК, позволяющее определить точные границы гена и кодируемую им аминокислотную последовательность полипептида.
3. Гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая с большой точностью выявить специфические нуклеотидные последовательности на основе их способности связывать комплементарные основания.
4. Клонирование ДНК, суть которого сводится к введению ДНК-фрагмента в самореплицирующийся генетический аппарат (плазмиду или вирус), который используют для трансформации бактерий. Бактериальная клетка после трансформации способна воспроизводить этот фрагмент во многих миллионах идентичных копий.
5. Генетическая инженерия, позволяющая получать модифицированные версии генов (сайт-спецефический мутагенез и т.д.) и затем внедрять их в клетки или организмы.
Расщепление ДНК в специфических участках нуклеотидных последовательностей осуществляется особыми ферментами – рестрикцирующими нуклеазами, способными разрушить чужеродную ДНК. Каждый фермент, способный разрушить чужеродную ДНК, опознает в ней специфическую последовательность из 4–6 нуклеотидов (сайт узнавания). Соответствующие последовательности в геноме бактерий замаскированы метилированием остатков с помощью метилаз.
Для успешного решения задач генетической инженерии очень важно быстро секвенировать (определять последовательность нуклеотидов) любых очищенных фрагментов ДНК[8]. В середине 70-х г. в этой области произошел решительный перелом, связанный с открытием рестриктаз и усовершенствованием метода гель-электрофореза, когда стало возможным разделять достаточно протяженные фрагменты ДНК, отличающиеся размером всего на один нуклеотид. С помощью рестриктаз ДНК стали разрезать на определенные блоки и определять в них позиции нуклеотидов химическими (А. Максам и У. Гилберт 1976) или энзиматическими (Сангер и Коулсон 1975) методами.