06.02.2015 Views

Biologia

WSiP / Szkoła ponadgimnazjalna / "Biologia. Po prostu"

WSiP / Szkoła ponadgimnazjalna / "Biologia. Po prostu"

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

SZKOŁY<br />

PONADGIMNAZJALNE<br />

zakres podstawowy<br />

Po prostu<br />

<strong>Biologia</strong><br />

Podręcznik<br />

wyróżniony przez<br />

POLSKĄ<br />

AKADEMIĘ<br />

UMIEJĘTNOŚCI<br />

Podręcznik


Karolina Archacka<br />

Rafał Archacki<br />

Krzysztof Spalik<br />

Joanna Stocka<br />

Po prostu<br />

<strong>Biologia</strong><br />

ZAKRES PODSTAWOWY<br />

Podręcznik d0 szkół ponadgimnazjalnych


Praca zbiorowa pod redakcją Krzysztofa Spalika<br />

Podręcznik dopuszczony do użytku szkolnego przez ministra właściwego do spraw oświaty<br />

i wychowania i wpisany do wykazu podręczników przeznaczonych do kształcenia ogólnego<br />

do nauczania biologii, na podstawie opinii rzeczoznawców:<br />

dr. hab. Andrzeja Rzepki, dr Anny Krystyny Sternickiej, dr hab. Agnieszki Mikołajczuk.<br />

Zakres kształcenia: podstawowy.<br />

Etap edukacyjny: IV.<br />

Typ szkoły: szkoły ponadgimnazjalne.<br />

Rok dopuszczenia: 2012.<br />

Numer ewidencyjny w wykazie:<br />

532/2012<br />

© Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne sp. z o.o.<br />

Warszawa 2012<br />

Wydanie III (2015)<br />

ISBN 978-83-02-12351-1<br />

Opracowanie merytoryczne i redakcyjne: Beata Bednarczuk (redaktor cyklu, redaktor<br />

merytoryczny), Zofia Szlaszyńska (redaktor merytoryczny)<br />

Konsultacje: Mirosława Kwiecińska<br />

Redakcja językowa: Agnieszka Czerepowicka, Mirella Hess-Remuszko, Anna Wlaźnik<br />

Redakcja techniczna: Agnieszka Ziemkiewicz<br />

Projekt okładki: Paweł Rafa<br />

Projekt stron działowych: Anna Lenartowicz, Joanna Plakiewicz<br />

Projekt graficzny: Katarzyna Trzeszczkowska<br />

Projekt infografik i wykonanie: Wojciech Chełchowski, Małgorzata Heine,<br />

Anna Lenartowicz<br />

Opracowanie graficzne: Anna Lenartowicz<br />

Opracowanie kartograficzne: Ewa Bilska, Anna Struk<br />

Fotoedycja: Natalia Marszałek, Pola Rożek<br />

Skład i łamanie: Stanisław Chodorowski, Zbigniew Larwa, Agnieszka Przystańska<br />

Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne spółka z ograniczoną odpowiedzialnością<br />

00-807 Warszawa, Aleje Jerozolimskie 96<br />

Tel.: 22 576 25 00<br />

Infolinia: 801 220 555<br />

www.wsip.pl<br />

Druk i oprawa: Orthdruk sp. z o.o., Białystok<br />

Publikacja, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie<br />

im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście<br />

znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści<br />

i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.<br />

Szanujmy cudzą własność i prawo.<br />

Więcej na www.legalnakultura.pl<br />

Polska Izba Książki


SPIS TREŚCI 3<br />

Jak korzystać z podręcznika............................................................................................... 4<br />

1. Biotechnologia<br />

i inżynieria genetyczna<br />

1 Sposób zapisywania i odczytywania informacji genetycznej. Przypomnienie .............. 10<br />

2 Biotechnologia tradycyjna i jej znaczenie .................................................................... 19<br />

3 Rola inżynierii genetycznej w rozwoju biotechnologii ..................................................... 28<br />

4 Mikroorganizmy zmodyfikowane genetycznie – uzyskiwanie i zastosowanie ............. 36<br />

5 Właściwości roślin transgenicznych ............................................................................ 44<br />

6 Zwierzęta transgeniczne.............................................................................................. 52<br />

7 GMO – korzyści i zagrożenia ............................................................................................. 59<br />

8 Klonowanie ssaków.............................................................................................................. 68<br />

9 Znaczenie badań DNA w nauce i medycynie.................................................................... 76<br />

10 Wykorzystywanie badań DNA w sądownictwie................................................................ 83<br />

11 Poradnictwo genetyczne...................................................................................................... 89<br />

12 Terapia genowa i komórkowa ............................................................................................. 97<br />

13 Biotechnologia i inżynieria genetyczna. Powtórzenie .................................................. 104<br />

Rozwiąż zadania po dziale 1. ....................................................................................... 112<br />

2. Różnorodność biologiczna<br />

i jej zagrożenia<br />

14 Źródła różnorodności biologicznej. Przypomnienie ......................................................... 118<br />

15 Różnorodność genetyczna.................................................................................................... 125<br />

16 Różnorodność gatunkowa ................................................................................................... 133<br />

17 Różnorodność ekosystemowa ............................................................................................. 143<br />

18 Przyczyny spadku różnorodności biologicznej na świecie................................................ 151<br />

19 Wpływ rolnictwa na różnorodność biologiczną................................................................. 158<br />

20 Przyczyny wymierania gatunków roślin............................................................................. 168<br />

21 Przyczyny wymierania gatunków zwierząt......................................................................... 176<br />

22 Metody ochrony zagrożonych gatunków i ekosystemów.................................................. 184<br />

23 Formy ochrony przyrody w Polsce....................................................................................... 192<br />

24 Znaczenie międzynarodowej współpracy na rzecz ochrony przyrody............................ 201<br />

25 Znaczenie różnorodności biologicznej dla człowieka....................................................... 210<br />

26 Różnorodność biologiczna i jej zagrożenia. Powtórzenie................................................. 218<br />

Rozwiąż zadania po dziale 2................................................................................................ 225<br />

Słowniczek .................................................................................................................................. 229<br />

Indeks polsko-angielski.............................................................................................................. 232<br />

Literatura dla ucznia................................................................................................................... 237<br />

Źródła ilustracji i fotografii................................................................................................ 238


4<br />

Jak korzystać z podręcznika<br />

Podręcznik zawiera dwa działy, obejmujące główne zagadnienia przewidziane do realizacji<br />

w pierwszej klasie szkoły ponadgimnazjalnej – biotechnologię z inżynierią genetyczną oraz<br />

różnorodność biologiczną. Wyróżnione w nich rozdziały odpowiadają jednostkom lekcyjnym.<br />

W każdym rozdziale, oprócz głównego tekstu omawiającego temat lekcji, pojawiają się teksty<br />

towarzyszące, służące przypomnieniu, pogłębieniu lub utrwaleniu wiadomości<br />

i umiejętności. Funkcje tych tekstów są przedstawione poniżej.<br />

Przypomnij sobie<br />

przed lekcją<br />

Tutaj znajdziesz<br />

spis najważniejszych<br />

pojęć<br />

z wcześniejszych<br />

etapów<br />

edukacyjnych.<br />

Pojęcia te są istotne<br />

dla zrozumienia<br />

zagadnień<br />

przedstawianych<br />

na danej lekcji.<br />

Definicja<br />

Zapozna cię<br />

z najważniejszymi<br />

pojęciami.<br />

Są one także<br />

omówione<br />

w tekście głównym.


5<br />

To ciekawe!<br />

Tutaj znajdziesz interesujące dodatkowe<br />

informacje, związane z tematem lekcji.<br />

Raport z badań<br />

Prezentuje informacje<br />

dotyczące wyników badań<br />

naukowych, które ilustrują<br />

omawiane na lekcji<br />

zagadnienie. Jest to materiał<br />

uzupełniający, który ułatwia<br />

zrozumienie<br />

tematu lekcji.<br />

Sprawdź<br />

w internecie<br />

Tutaj znajdziesz zestaw słów<br />

kluczowych, za pomocą<br />

którego możesz wyszukać<br />

w internecie informacje<br />

rozszerzające omawiane<br />

w tekście zagadnienia.<br />

Twoim zadaniem jest<br />

krytyczna analiza tych<br />

informacji, a nie automatyczne<br />

kopiowanie ze strony<br />

internetowej, która znajdzie<br />

się na pierwszym miejscu listy<br />

wyszukiwarki. Analizując<br />

tekst, sprawdź, czy jego autor<br />

powołuje się na rzetelne<br />

źródła, np. artykuły naukowe.


6<br />

Powtórzenie działu<br />

Podsumowuje najważniejsze informacje danego działu w ujęciu tabelaryczno-schematycznym<br />

oraz zawiera blok Rozwiąż zadania po dziale gromadzący zadania sprawdzające<br />

o przekrojowym charakterze. Wszystkie są zamknięte.<br />

W dziale 1. w rozdziale 2. znajdziesz instrukcję służącą do wykonania ćwiczenia polegającego<br />

na analizie produktów biotechnologicznych dostępnych w sklepach, w dziale 2. w rozdziale 23.<br />

– instrukcję do wykorzystania podczas wycieczki do parku narodowego, rezerwatu przyrody<br />

lub obszaru chronionego, natomiast w rozdziale 24. – instrukcję do wykorzystania podczas<br />

wycieczki do ogrodu botanicznego lub zoologicznego.<br />

Indeks polsko-angielski zawiera terminy i nazwy wymienione w podręczniku.<br />

Dodatkowo znajdziesz tu ich angielskie odpowiedniki, które przydadzą ci się podczas<br />

wyszukiwania informacji w źródłach anglojęzycznych.


7<br />

Podsumowanie i sprawdzenie<br />

Zostało opracowane do każdej lekcji.<br />

Jest podzielone na kilka części.<br />

Zapamiętaj<br />

Tu znajdziesz podsumowanie<br />

najważniejszych informacji w danym<br />

rozdziale.<br />

Po tej lekcji potrafisz<br />

Tu znajdziesz listę umiejętności,<br />

którymi należy się wykazać<br />

po opanowaniu materiału danej<br />

lekcji. Właśnie na nie trzeba<br />

położyć nacisk, ucząc się<br />

do sprawdzianu lub egzaminu.<br />

Pamiętaj, że przykłady (zjawisk,<br />

procesów, badań naukowych<br />

itd.) podane w podręczniku<br />

ułatwiają jedynie zrozumienie<br />

omawianych zagadnień.<br />

Nie trzeba uczyć się ich<br />

na pamięć, lecz opanować<br />

wyszczególnione<br />

w podstawie programowej<br />

umiejętności.<br />

Znajdź w prasie, książkach lub internecie<br />

Po każdej lekcji proponujemy ci ćwiczenie umiejętności wyszukiwania informacji. Podajemy zagadnienie<br />

związane z tematem lekcji i zapraszamy do znalezienia odpowiednich książek, artykułów w prasie<br />

lub tekstów w internecie. Tym razem samodzielnie musisz dobrać słowa kluczowe, które pozwolą ci<br />

odszukać jak najwięcej przydatnych informacji.<br />

Wyraź opinię<br />

Ważną umiejętnością, którą powinno się nabyć w szkole, jest formułowanie własnych opinii na różne<br />

tematy, nie tylko związane z biologią. Do dyskusji wybraliśmy zagadnienia, które są często omawiane<br />

w mediach, budzą wiele emocji i prowokują skrajne oceny. Pamiętaj, że twoje stanowisko może się różnić<br />

od zdania innych osób – ale powinno być racjonalnie uzasadnione i obronione<br />

za pomocą dobrze dobranych argumentów.<br />

Rozwiąż zadania<br />

Ten blok pozwala zastosować zdobytą wiedzę i umiejętności w praktyce przez wykonanie zadań.<br />

Mają one formę zarówno zadań otwartych, czyli wymagających sformułowania własnej kilkuzdaniowej<br />

wypowiedzi, jak i zadań zamkniętych, czyli wymagających wyboru spośród podanych odpowiedzi.


8<br />

1<br />

Informacja<br />

genetyczna jest<br />

zapisana w DNA.<br />

Cechy organizmów<br />

żyjących na Ziemi<br />

są zależne od<br />

genów obecnych<br />

w ich DNA.<br />

2<br />

Kapusta kiszona, ogórki kiszone,<br />

ciasto drożdżowe, sery pleśniowe<br />

powstają dzięki procesom<br />

biotechnologicznym.<br />

13<br />

Inżynieria genetyczna<br />

dostarcza narzędzi,<br />

które wykorzystuje się<br />

we współczesnej<br />

biotechnologii.<br />

Fotografia przedstawia<br />

jeden z etapów badań<br />

przeprowadzanych<br />

w pracowni<br />

molekularnej.<br />

4<br />

Genetycznie zmodyfikowane mikroorganizmy<br />

przynoszą wiele korzyści człowiekowi.<br />

Na fotografii przedstawiono robota pobierającego<br />

kolonie bakteryjne, które zawierają fragmenty<br />

ludzkiego DNA.<br />

5<br />

Organizmy<br />

transgeniczne są<br />

wytwarzane w celu<br />

uzyskania pożądanych<br />

właściwości, których<br />

wcześniej nie miały<br />

– na fotografii<br />

transgeniczna róża,<br />

o niespotykanej<br />

w naturze barwie.<br />

6<br />

Metody inżynierii genetycznej pozwalają także<br />

modyfikować geny u zwierząt. Zdjęcie<br />

przedstawia proces wprowadzania nowych<br />

genów do komórki zwierzęcej za pomocą<br />

urządzenia nazywanego mikromanipulatorem.<br />

7<br />

Dzięki współczesnej<br />

biotechnologii można<br />

uzyskać gigantyczne<br />

pomidory, jednak<br />

z jej rozwojem są<br />

związane nie tylko<br />

korzyści, ale również<br />

zagrożenia.<br />

8<br />

Owca Dolly, która<br />

urodziła się<br />

w 1996 roku, stała się<br />

najsłynniejszym<br />

sklonowanym ssakiem.<br />

Do dzisiaj<br />

na całym świecie<br />

powstały klony wielu<br />

innych gatunków<br />

zwierząt.<br />

9<br />

Badania DNA<br />

znajdują ogromne<br />

zastosowanie<br />

we współczesnej<br />

medycynie i nauce.<br />

Na fotografii widać<br />

chromosomy,<br />

w których – za pomocą<br />

specjalnej sondy<br />

molekularnej –<br />

wykryto mutacje.


10<br />

Badania DNA<br />

są coraz częściej<br />

wykorzystywane<br />

w kryminalistyce<br />

i sądownictwie.<br />

Na przykład profile<br />

genetyczne – zwane<br />

„genetycznymi odciskami<br />

palców” – umożliwiają<br />

jednoznaczną<br />

identyfikację danej<br />

osoby.<br />

11<br />

Pobranie płynu<br />

owodniowego, który<br />

otacza rozwijające się<br />

w łonie matki dziecko,<br />

umożliwia przeprowadzenie<br />

specjalistycznych badań<br />

diagnostycznych.<br />

Ich wyniki mogą<br />

być wykorzystane<br />

w poradnictwie<br />

genetycznym.<br />

9<br />

12<br />

Celem terapii genowej<br />

jest naprawianie<br />

nieprawidłowości<br />

w budowie DNA<br />

pacjenta.<br />

Biotechnologia<br />

i inżynieria<br />

genetyczna<br />

Cechy wszystkich organizmów zamieszkujących naszą planetę są zapisane w ich genach.<br />

Mimo ogromnego zróżnicowania świata żywego informacje dotyczące właściwości tak<br />

różnych organizmów, jak bakteria, roślina czy człowiek, są kodowane przez taką samą<br />

cząsteczkę – DNA. Poznanie jej budowy i właściwości umożliwiło człowiekowi sterowanie<br />

pracą genów różnych organizmów, dając początek intensywnemu rozwojowi dziedziny nauki<br />

znanej jako biotechnologia współczesna lub molekularna. Dzięki modyfikacjom genetycznym<br />

stało się możliwe uzyskiwanie organizmów o cechach wartościowych zarówno dla człowieka,<br />

jak i środowiska. Wiedza o sposobie działania genów i ich wpływie na życie organizmów<br />

znalazła zastosowanie w takich dziedzinach życia, jak medycyna, rolnictwo, przemysł czy<br />

sądownictwo. W tym dziale dowiesz się więcej o tradycyjnej i współczesnej biotechnologii,<br />

korzyściach i zagrożeniach związanych z biotechnologią molekularną, a także o znaczeniu<br />

biotechnologii w życiu współczesnego człowieka.


10<br />

1<br />

Sposób<br />

zapisywania<br />

i odczytywania<br />

informacji genetycznej<br />

Przypomnienie<br />

ZAGADNIENIA<br />

▪ Budowa DNA i jego rola w przechowywaniu i powielaniu informacji genetycznej<br />

▪ Zasada działania kodu genetycznego<br />

▪ Zależność między genem a cechą<br />

▪ Podstawowe mechanizmy dziedziczenia cech<br />

▪ Mutacje i choroby genetyczne<br />

PRZYPOMNIJ SOBIE PRZED LEKCJĄ<br />

• helisa DNA • nukleotydy • replikacja • gen • kod genetyczny • allel • homozygota • heterozygota<br />

• genotyp • fenotyp • cecha dominująca • cecha recesywna • mutacja<br />

INFORMACJA GENETYCZNA<br />

JEST ZAPISANA W CZĄSTECZCE DNA<br />

Jaką wspólną cechę mają człowiek, roślina<br />

i bakteria Są one, podobnie jak pozostałe<br />

organizmy zamieszkujące Ziemię,<br />

wyposażone w „instrukcję życia” zapisaną<br />

i przechowywaną w postaci DNA. Cząsteczka<br />

DNA jest nośnikiem informacji<br />

genetycznej dotyczącej budowy i funkcjonowania<br />

organizmu. W DNA mogą być zawarte<br />

informacje o tak różnych cechach, jak:<br />

kolor oczu, zapach kwiatu<br />

lub chorobotwórczość.<br />

Funkcja DNA jako nośnika<br />

informacji jest ściśle związana<br />

z jego budową.<br />

DNA, czyli kwas deoksyrybonukleinowy,<br />

to cząsteczka<br />

chemiczna o strukturze, którą<br />

określa się jako podwójna<br />

helisa (ryc. 1.1). Helisa DNA<br />

jest zbudowana z dwóch długich<br />

łańcuchów (nici), skręconych<br />

śrubowato wokół własnej<br />

osi. Każdy z łańcuchów<br />

GENOM<br />

jest to całość DNA<br />

zawartego w komórkach<br />

danego organizmu<br />

i charakteryzującego się<br />

określoną sekwencją<br />

nukleotydów.<br />

KOMPLEMENTAR-<br />

NOŚĆ NUKLEOTYDÓW<br />

jest to prawidłowość,<br />

zgodnie z którą połączenia<br />

między sąsiednimi<br />

nićmi DNA są tworzone<br />

zawsze przez pary<br />

nukleotydów A-T i C-G.<br />

DNA składa się z ciągu nukleotydów, stanowiących<br />

podstawowe jednostki budulcowe<br />

DNA. Istnieją cztery rodzaje nukleotydów<br />

wchodzących w skład DNA – są one określane<br />

skrótowo literami A, T, G oraz C. Nukleotydy<br />

należące do poszczególnych nici są<br />

ze sobą połączone wiązaniami chemicznymi.<br />

Wiązania łączą ze sobą zawsze te same<br />

nukleotydy, dlatego naprzeciwko nukleotydu<br />

A zawsze znajduje się nukleotyd T, a naprzeciwko<br />

nukleotydu C znajduje się nukleotyd<br />

G. Ta właściwość, nazywana<br />

komplementarnością<br />

nukleotydów, jest niezwykle<br />

ważna w procesie powielania,<br />

czyli replikacji DNA (ryc. 1.2).<br />

Każdy organizm jednokomórkowy,<br />

a także niemal każda<br />

komórka organizmów wielokomórkowych,<br />

zawiera pełny<br />

zapis genetyczny w postaci<br />

DNA. Ten zapis jest powielany<br />

w trakcie podziałów komórkowych<br />

i przekazywany komórkom<br />

potomnym.<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 1


11<br />

nici DNA<br />

pary nukleotydów<br />

A-T i C-G tworzą<br />

połączenia<br />

między nićmi<br />

a<br />

▲Ryc. 1.1. Model budowy DNA został zaprezentowany<br />

przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka w 1953 r. (a).<br />

DNA przyjmuje kształt podwójnej helisy przypominającej<br />

skręconą drabinę (b)<br />

b<br />

Każda cząsteczka<br />

potomna DNA składa<br />

się ze starej i nowej nici.<br />

stara nić<br />

nowa nić<br />

INFORMACJA ZAPISANA W GENACH<br />

DECYDUJE O CECHACH ORGANIZMU<br />

Całość DNA zawartego w komórce stanowi<br />

jej genom. DNA genomowy może mieć różną<br />

wielkość w zależności od organizmu.<br />

Genom bakterii tworzy zazwyczaj kilka milionów<br />

par nukleotydów, genom człowieka –<br />

ponad trzy miliardy par nukleotydów. To ich<br />

kolejność ułożenia, czyli sekwencja, stanowi<br />

informację o budowie i funkcjonowaniu organizmu.<br />

Nukleotydy ułożone w ustalonym<br />

porządku tworzą geny, czyli odcinki DNA,<br />

które pełnią określoną funkcję i są odpowiedzialne<br />

za konkretne cechy organizmu.<br />

Jakie informacje są zawarte w genach,<br />

w jaki sposób są one odczytywane i jak przekłada<br />

się to na cechy organizmu Pytania te<br />

◀Ryc. 1.2. W trakcie replikacji nici DNA zostają rozplecione,<br />

a do każdej z nich zostaje dobudowana druga nić zgodnie<br />

z zasadą komplementarności. Dzięki temu po procesie replikacji<br />

powstają dwie identyczne cząsteczki DNA, a informacja zawarta<br />

w sekwencji nukleotydów zostaje zachowana


12<br />

BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

TO CIEKAWE!<br />

Najmniejszy znany genom<br />

Bakteria z gatunku Mycoplasma genitalium<br />

(ryc.) ma najmniejszy genom spośród zbadanych<br />

do tej pory wolno żyjących organizmów.<br />

DNA tej bakterii składa się z ok. 580 tys.<br />

par nukleotydów i zawiera jedynie<br />

480 genów kodujących białka.<br />

Taka liczba genów wystarcza tej<br />

komórce bakteryjnej do podjęcia<br />

wszystkich niezbędnych funkcji<br />

życiowych. Bakteria Mycoplasma<br />

genitalium jest pasożytem żyjącym<br />

w drogach płciowych człowieka.<br />

były jednymi z najważniejszych problemów<br />

naukowych XX wieku. Kolejne odkrycia pokazały,<br />

że w większości genów jest zapisana<br />

informacja o budowie białek. Informacja zawarta<br />

w genach musi zostać odpowiednio odczytana<br />

i „przetłumaczona” na instrukcję budowy<br />

białek za pomocą kodu genetycznego.<br />

Ważną cechą tego kodu jest to, że nukleotydy<br />

w DNA są odczytywane trójkami, a nie pojedynczo<br />

jeden po drugim. Poszczególne trójki<br />

nukleotydów (np. ATG, AAA, GCT) w kodzie<br />

genetycznym oznaczają jeden z aminokwasów,<br />

stanowiących podstawowe jednostki budulcowe<br />

białek. Sekwencja nukleotydów w genach<br />

koduje więc sekwencję aminokwasów<br />

w białkach. Geny różnią się od siebie składem<br />

i kolejnością ułożenia poszczególnych trójek<br />

nukleotydów, dzięki czemu kodują białka<br />

o rozmaitej budowie i wielkości (ryc. 1.3).<br />

Drugą ważną cechą kodu genetycznego jest<br />

jego uniwersalność. Oznacza to, że u niemal<br />

wszystkich organizmów konkretnym trójkom<br />

nukleotydów w genach odpowiadają te same<br />

aminokwasy w białkach. Informacja genetyczna<br />

jest więc odczytywana w podobny sposób<br />

zarówno u bakterii, jak i u człowieka.<br />

Każdy organizm ma unikatowy zestaw genów,<br />

czyli genotyp, który decyduje o jego cechach,<br />

określanych jako fenotyp. Ścisły związek<br />

pomiędzy genotypem a fenotypem wynika<br />

z faktu, że od genotypu zależy zdolność danego<br />

organizmu lub typu komórki do produkcji<br />

charakterystycznego zestawu białek. Białka<br />

pełnią niezwykle ważne funkcje we wszyst-<br />

C T<br />

sekwencja<br />

A C A nukleotydów G G C T C C AG TC AG<br />

AG CCT TA TA GC GAG GA<br />

G CCT...<br />

C C<br />

DNA kodująca<br />

białko<br />

G C A<br />

A C T A T G G G A G C C ...<br />

la<br />

Thr<br />

sekwencja<br />

aminokwasów Gly Ser<br />

w cząsteczce<br />

białka<br />

Ala<br />

Met<br />

Thr<br />

Ala<br />

Met Gly<br />

Thr<br />

Ala<br />

Gly<br />

...<br />

Ser<br />

Ala<br />

Thr<br />

Met<br />

Gly<br />

Ala<br />

...<br />

Aminokwas<br />

Metionina (Met)<br />

Alanina (Ala)<br />

Treonina (Thr)<br />

Glicyna (Gly)<br />

Seryna (Ser)<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 1<br />

Trójki nukleotydów<br />

ATG<br />

GCT, GCC, GCA, GCG<br />

ACA, ACT, ACC, ACG<br />

GGC, GGT, GGA, GGG<br />

TCC, TCT, TCA, TCG,<br />

AGT, AGC<br />

Aminokwas<br />

Trójki nukleotydów<br />

Ryc. 1.3. Cząsteczka ludzkiego hormonu wzrostu jest<br />

Metionina niewielkim białkiem (Met) składającym ATGsię ze 191 aminokwasów,<br />

które są kodowane przez 573 nukleotydy.<br />

Alanina W tabeli (Ala) zamieszczono nazwy GCT, wybranych GCC, aminokwasów GCA, GCG<br />

i odpowiadające im trójki nukleotydów w kodzie<br />

Treonina genetycznym (Thr) ACA, ACT, ACC, ACG<br />

Glicyna (Gly) GGC, GGT, GGA, GGG<br />

Seryna (Ser) TCC, TCT, TCA, TCG,


▼Ryc. 1.4. Ubarwienie<br />

kwiatów u roślin zależy<br />

od tego, czy w danej<br />

roślinie funkcjonują<br />

enzymy odpowiedzialne<br />

za wytwarzanie<br />

odpowiednich związków<br />

barwnych. Każdy z tych<br />

enzymów jest kodowany<br />

przez określony gen<br />

kich organizmach. Niektóre z nich uczestniczą<br />

w budowie komórek i tkanek, inne pełnią<br />

funkcje enzymów i odpowiadają za przebieg<br />

różnych procesów chemicznych zachodzących<br />

w komórkach. Dlatego to zestaw białek, którym<br />

dysponuje dana komórka lub organizm,<br />

decyduje o ich cechach (ryc. 1.4).<br />

Sprawdź w internecie<br />

Poszukaj informacji na temat organizmów, których<br />

genomy zostały odczytane. Wskaż grupę systematyczną,<br />

z której pochodzi największa liczba gatunków o poznanym<br />

dotychczas genomie. Posłuż się następującym zestawem<br />

słów kluczowych: genomy, zsekwencjonowane.<br />

PRZEKAZYWANIE MATERIAŁU<br />

GENETYCZNEGO UMOŻLIWIA<br />

DZIEDZICZENIE CECH<br />

Obserwując podobieństwo<br />

dzieci do ich rodziców, zazwyczaj<br />

nie zastanawiamy się nad<br />

jego źródłem. Warto jednak pamiętać,<br />

że dziedziczenie cech<br />

rodziców przez potomstwo jest<br />

jednym z najważniejszych procesów<br />

biologicznych. Zagadkę<br />

dziedziczności próbowano<br />

▲Ryc. 1.5. Dzieci tej samej pary rodziców różnią się między sobą, ponieważ gamety biorące udział<br />

w zapłodnieniu mogą zawierać różne kombinacje rodzicielskich genów<br />

ENZYMY są to cząsteczki,<br />

które przyspieszają<br />

określone reakcje<br />

chemiczne zachodzące<br />

w komórkach, czyli<br />

działają jak katalizatory.<br />

Enzymy decydują<br />

o przebiegu wszystkich<br />

procesów zachodzących<br />

w organizmie.<br />

rozwiązać już w XIX w., jednak podłoże tego<br />

procesu zostało wyjaśnione dopiero dzięki poznaniu<br />

budowy i funkcji DNA. Dzisiaj wiemy,<br />

że cechy są dziedziczone, ponieważ rodzice<br />

przekazują potomstwu informację genetyczną<br />

zapisaną w DNA. W wypadku rozmnażania<br />

bezpłciowego DNA organizmu rodzicielskiego<br />

jest przekazywany w całości, dlatego też organizmy<br />

potomne mają ten sam genotyp i te<br />

same cechy (ten sam fenotyp) co osobnik rodzicielski.<br />

W trakcie rozmnażania płciowego,<br />

na skutek połączenia męskiej i żeńskiej gamety,<br />

dochodzi do wymieszania żeńskiego i męskiego<br />

materiału genetycznego, dzięki czemu<br />

osobniki potomne mają geny (i cechy) obojga<br />

rodziców (ryc. 1.5).<br />

GENY PRZEKAZYWANE<br />

POTOMSTWU ZNAJDUJĄ<br />

SIĘ W CHROMOSOMACH<br />

Szacuje się, że u człowieka<br />

łączna długość ułożonej liniowo<br />

cząsteczki DNA wynosiłaby<br />

około dwóch metrów!<br />

Aby tak duża ilość materiału<br />

genetycznego zmieściła się


14<br />

BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

RAPORT Z BADAŃ<br />

Ile genów<br />

ma człowiek<br />

P<br />

rzez wiele lat uczeni zastanawiali się, ile<br />

genów jest zawartych w DNA człowieka.<br />

Ze względu na złożoność ludzkiego organizmu<br />

(znajdują się w nim biliony komórek, a mózg<br />

człowieka jest uważany za jedną z najbardziej<br />

skomplikowanych struktur występujących<br />

w przyrodzie), spodziewano się, że liczba<br />

genów u ludzi jest znacznie większa niż<br />

u innych gatunków i wynosi 100–200 tysięcy.<br />

Aby sprawdzić, ile genów rzeczywiście mieści<br />

się w genomie człowieka, konieczne było jego<br />

zsekwencjonowanie, czyli określenie kolejności<br />

ułożenia w nim wszystkich nukleotydów.<br />

Zadanie, które wymagało długiej i wytężonej<br />

pracy wielu badaczy oraz dużych nakładów<br />

finansowych, zakończyło się sukcesem.<br />

W 2000 r. uzyskano wstępną „mapę” ludzkiego<br />

genomu. Ku zaskoczeniu uczonych okazało<br />

się, że liczba genów zawartych w DNA<br />

człowieka jest zbliżona do liczby genów w DNA<br />

wielu innych organizmów. Wynosi ona ok.<br />

25 tys., czyli mniej więcej tyle, ile u szympansa<br />

czy myszy, więcej niż w organizmach jednokomórkowych<br />

czy u muszki owocowej, ale mniej<br />

niż w ryżu, który ma ok. 40 tys. genów.<br />

Liczba genów (tys.)<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

0<br />

szacunkowa liczba genów<br />

w organizmach o poznanych genomach<br />

E. coli<br />

3<br />

drożdże<br />

6<br />

muszka owocowa<br />

13<br />

mysz<br />

25<br />

szympans<br />

25<br />

człowiek<br />

25<br />

ryż<br />

40<br />

Organizmy<br />

w jądrze komórkowym o rozmiarach zaledwie<br />

kilku mikrometrów (czyli milionowych<br />

części metra), DNA musi być odpowiednio<br />

spakowany.<br />

Umożliwiają to specjalne białka, wokół<br />

których nić DNA się owija. W jądrze komórkowym<br />

znajduje się więc nie tylko sama cząsteczka<br />

DNA, ale struktura złożona z DNA<br />

i towarzyszących mu białek – chromatyna.<br />

W trakcie podziałów komórkowych chromatyna<br />

stopniowo staje się coraz bardziej<br />

„zagęszczona” i przybiera postać wrzecionowatych<br />

struktur zwanych chromosomami,<br />

które można obserwować pod mikroskopem<br />

(ryc. 1.6).<br />

Geny są ułożone w chromosomach jeden<br />

za drugim i w takiej postaci są przenoszone<br />

przez gamety, a także przekazywane komórkom<br />

potomnym powstającym po podziałach<br />

komórkowych.<br />

CECHY ORGANIZMÓW ZALEŻĄ<br />

OD KOMBINACJI ALLELI<br />

Większość organizmów (w tym człowiek) ma<br />

w każdej komórce (oprócz gamet) po dwie kopie<br />

każdego genu określane jako allele. Znajdują<br />

się one w dwóch podobnych do siebie<br />

chromosomach, tzw. chromosomach homologicznych,<br />

które trafiają do zygoty z gamety<br />

męskiej i żeńskiej. W każdej parze chromosomów<br />

homologicznych jeden chromosom<br />

(a w nim jeden z alleli danego genu) pochodzi<br />

od matki, a drugi od ojca.<br />

Niezwykle istotne dla procesu dziedziczenia<br />

jest to, że allele tego samego genu pochodzące<br />

od obojga rodziców mogą się od siebie<br />

różnić. Osobnik, który ma dwa różne allele<br />

określonego genu, jest nazywany heterozygotą,<br />

w odróżnieniu od homozygoty, czyli<br />

osobnika, który od każdego z organizmów rodzicielskich<br />

otrzymał identyczny allel. Każdy<br />

osobnik danego gatunku ma charakterystyczną,<br />

niepowtarzalną kombinację alleli wszystkich<br />

swoich genów, odróżniającą go od pozostałych<br />

organizmów.<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 1


15<br />

a<br />

komórka<br />

białka, wokół których<br />

owija się DNA<br />

chromosom<br />

Ryc. 1.6. Silnie spakowany<br />

DNA tworzy struktury zwane<br />

chromosomami (a). Liczba<br />

chromosomów jest<br />

charakterystyczna dla danego<br />

gatunku. Na przykład<br />

w komórkach myszy znajduje<br />

się 40 chromosomów (b),<br />

a w komórkach człowieka – 46 (c).<br />

Wyjątek stanowią gamety, które<br />

w wyniku mejozy mają<br />

dwukrotnie mniejszą liczbę<br />

chromosomów<br />

helisa DNA<br />

C C A G T<br />

G G T C A<br />

1 2 3 4 5<br />

1 2 3 4 5<br />

6 7 8 9 10 11 12<br />

6 7 8 9 10 11 12<br />

13 14 15 16 17 18<br />

13 14 15 16 17 18<br />

b<br />

19 X Y<br />

c<br />

19 20 21 22 XX


16<br />

BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

BB<br />

gamety<br />

B<br />

Bb<br />

organizmy rodzicielskie<br />

B<br />

b<br />

bb<br />

w pierwszym pokoleniu wszystkie rośliny<br />

potomne mają kwiaty o barwie czerwonej<br />

b<br />

Bb<br />

Konkretne cechy ujawniają się w organizmie<br />

potomnym w zależności od tego, jakie allele<br />

otrzymał on od rodziców. Podstawowe prawa<br />

genetyki określające sposób, w jaki odbywa<br />

się dziedziczenie cech, sformułował w XIX w.<br />

Grzegorz Mendel. Śledząc dziedziczenie barwy<br />

kwiatów u roślin, zaobserwował on, że po zapyleniu<br />

rośliny o białych kwiatach pyłkiem pochodzącym<br />

z rośliny o czerwonych kwiatach<br />

można uzyskać jedynie rośliny o czerwonych<br />

kwiatach. Dopiero skrzyżowanie tych roślin<br />

ze sobą prowadzi do uzyskania osobników zarówno<br />

o czerwonych kwiatach, jak i białych,<br />

z przewagą tych pierwszych. W jaki sposób<br />

można wytłumaczyć ten efekt Przyczyna leży<br />

w odmiennym „charakterze” alleli decydujących<br />

o kolorze kwiatów. Otóż jeden z alleli,<br />

w naszym przykładzie (ryc. 1.7) allel warunkujący<br />

czerwone zabarwienie kwiatów (oznaczmy<br />

go literą B), jest allelem dominującym nad allelem<br />

warunkującym białe zabarwienie kwiatów<br />

(b), który określamy jako allel recesywny.<br />

B<br />

b<br />

gamety<br />

B<br />

B<br />

b<br />

w drugim pokoleniu można uzyskać rośliny<br />

o kwiatach barwy czerwonej i białej<br />

BB<br />

bB<br />

B<br />

b<br />

Bb<br />

Ryc. 1.7. Roślina wytwarza czerwone kwiaty, jeśli ma zarówno<br />

dwa allele B (jest homozygotą dominującą), jak i po jednym<br />

allelu B i b (jest heterozygotą). Białe kwiaty pojawiają się tylko<br />

u roślin, które odziedziczyły oba allele b, czyli u homozygot<br />

recesywnych<br />

b<br />

bb<br />

MUTACJE DNA MOGĄ POWODOWAĆ<br />

GROŹNE CHOROBY<br />

DNA jest trwałą i stabilną cząsteczką chemiczną.<br />

Ta cecha czyni z DNA idealny nośnik informacji<br />

genetycznej, zapewniający jej względną<br />

niezmienność. Jednak w pewnych warunkach<br />

w sekwencji nukleotydowej DNA mogą pojawić<br />

się zmiany określane jako mutacje. W komórkach<br />

znajdują się wyspecjalizowane białka, czuwające<br />

nad prawidłowym funkcjonowaniem<br />

DNA i odpowiedzialne za jego naprawę. Pomimo<br />

tego w DNA z niewielką częstością dochodzi<br />

do powstania samoistnych mutacji określanych<br />

jako mutacje spontaniczne. Istnieją<br />

również czynniki, nazywane czynnikami mutagennymi,<br />

które powodują uszkodzenia DNA<br />

i powstawanie mutacji. Do czynników mutagennych<br />

należą m.in. promieniowanie ultrafioletowe,<br />

a także niektóre substancje chemiczne,<br />

np. zawarte w dymie tytoniowym.<br />

Mutacje pojawiające się w DNA mogą mieć<br />

różny charakter. Jeżeli polegają one na usunięciu,<br />

wstawieniu lub zastąpieniu pojedynczych<br />

nukleotydów, są określane jako mutacje punktowe<br />

(ryc. 1.8). W razie rozległych uszkodzeń<br />

DNA polegających na usunięciu bądź wstawieniu<br />

dużych fragmentów lub całych chromosomów<br />

mówimy o mutacjach chromosomowych.<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 1


17<br />

Ryc. 1.8. Albinizm spotykany u różnych zwierząt, np. pawi, jest związany z niedoborem melaniny, barwnika występującego<br />

w komórkach skóry. Jest to najczęściej spowodowane mutacją punktową w genie kodującym tyrozynazę, enzym uczestniczący<br />

w powstawaniu melaniny<br />

Powstawanie mutacji odgrywa kluczową<br />

rolę w ewolucji, ponieważ jest pierwotnym<br />

źródłem zróżnicowania genetycznego.<br />

Korzystne mutacje są utrwalane, ponieważ<br />

poprawiają przystosowanie organizmów<br />

do warunków, w jakich żyją. Najczęściej jednak<br />

mutacje są szkodliwe dla funkcjonowania<br />

komórek i organizmów, szczególnie gdy<br />

są zmutowane oba allele. Mutacje chromosomowe<br />

zazwyczaj prowadzą do śmierci organizmu<br />

już w trakcie rozwoju zarodkowego.<br />

Niektóre takie mutacje nie<br />

są śmiertelne, jednak ich<br />

obecność powoduje rozwój<br />

CHOROBY GENETYCZNE<br />

są to choroby spowodowane<br />

mutacjami w sekwencji DNA.<br />

różnych chorób i wad rozwojowych. Najczęstsza<br />

z mutacji chromosomowych u człowieka<br />

polega na obecności dodatkowego chromosomu<br />

21. i powoduje wystąpienie objawów nazywanych<br />

zespołem Downa.<br />

Mutacje punktowe mogą również prowadzić<br />

do groźnych zaburzeń. U ludzi znanych<br />

jest kilka tysięcy chorób spowodowanych<br />

tego rodzaju zmianami w DNA. Określa się<br />

je terminem choroby genetyczne. Przykładem<br />

choroby genetycznej jest mukowiscydoza,<br />

która powstaje w wyniku<br />

mutacji w obrębie genu<br />

o nazwie CFTR.<br />

Tabela 1.1. Wybrane choroby genetyczne<br />

Choroba Przyczyna Skutki<br />

Mukowiscydoza<br />

mutacja genu CFTR, który<br />

koduje białko niezbędne do<br />

prawidłowego funkcjonowania<br />

tkanki nabłonkowej<br />

Komórki tkanki nabłonkowej wyściełającej m.in. układ<br />

oddechowy i układ pokarmowy wydzielają zbyt wiele śluzu.<br />

Zaburza to funkcjonowanie tych układów (najczęstsze objawy<br />

choroby to niewydolność układu oddechowego i wątroby).<br />

Anemia sierpowata<br />

Hemofilia<br />

(różne typy)<br />

Dystrofia mięśniowa<br />

Duchenne`a<br />

mutacja powodująca wadę<br />

budowy hemoglobiny<br />

mutacje genów kodujących<br />

białka niezbędne do prawidłowego<br />

krzepnięcia krwi<br />

mutacja genu kodującego<br />

białko – dystrofinę,<br />

wchodzące w skład tkanki<br />

mięśniowej<br />

Erytrocyty zawierające wadliwą hemoglobinę mają charakterystyczny<br />

sierpowaty kształt i łatwiej ulegają rozpadowi.<br />

Występuje zaburzony proces krzepnięcia krwi i częste krwotoki<br />

wewnętrzne. U osób cierpiących na ciężką postać hemofilii<br />

nawet małe skaleczenie może być bardzo niebezpieczne.<br />

Dystrofina jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania<br />

mięśni. Jej brak powoduje postępujący zanik mięśni szkieletowych<br />

i mięśnia serca.


18<br />

BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

Podsumowanie i sprawdzenie<br />

ZAPAMIĘTAJ<br />

■■<br />

Informacja genetyczna dotycząca budowy i funkcjonowania organizmów jest zapisana i przechowywana<br />

w DNA, wielkocząsteczkowym związku chemicznym o strukturze podwójnej helisy.<br />

■■<br />

W procesie replikacji cząsteczka DNA zostaje powielona dzięki zasadzie komplementarności.<br />

■■<br />

Odcinki DNA, w których jest zawarta informacja o budowie białek, nazywa się genami.<br />

■■<br />

Informacja zawarta w genach jest zapisana za pomocą kodu genetycznego, w którym<br />

poszczególne trójki nukleotydów oznaczają określone aminokwasy.<br />

■■<br />

Określone cechy ujawniają się w organizmie potomnym w zależności od tego, jakie allele<br />

odziedziczył po rodzicach.<br />

■■<br />

Mutacje punktowe oraz chromosomowe pojawiają się w DNA samoistnie lub pod wpływem<br />

czynników mutagennych i mogą prowadzić do rozwoju groźnych chorób.<br />

PO TEJ LEKCJI POTRAFISZ przedstawić rolę, jaką odgrywa DNA w przechowywaniu, powielaniu<br />

i przekazywaniu informacji genetycznej, sposób jej zapisywania za pomocą kodu genetycznego,<br />

zależność między genem a cechą, sposób, w jaki cechy są dziedziczone, oraz rodzaje<br />

i skutki wystąpienia mutacji.<br />

ZNAJDŹ W PRASIE, KSIĄŻKACH LUB INTERNECIE<br />

Dobierając odpowiednie słowa kluczowe, poszukaj informacji o czynnikach mutagennych<br />

oraz ich klasyfikacji. Zastanów się, z którymi z tych czynników możesz mieć styczność<br />

w życiu codziennym.<br />

WYRAŹ OPINIĘ<br />

Oceń słuszność stwierdzenia: Odkrycie DNA to najważniejsze odkrycie naukowe w biologii<br />

XX wieku. Uzasadnij odpowiedź. Jeśli za istotniejsze uznajesz inne odkrycie naukowe<br />

w zakresie biologii, wymień je i krótko omów na forum klasy.<br />

ROZWIĄŻ ZADANIA<br />

1. Wśród podanych zdań wskaż te, które zawierają prawdziwe informacje na temat<br />

budowy i funkcji DNA.<br />

a. Podstawowymi jednostkami budulcowymi DNA są aminokwasy.<br />

b. Każdy nukleotyd w DNA koduje jeden aminokwas.<br />

c. Kod genetyczny to inaczej kolejność ułożenia nukleotydów w DNA.<br />

d. Heterozygota zawiera dwa różniące się od siebie allele.<br />

e. Zestaw wszystkich genów danego organizmu nazywamy fenotypem.<br />

2. Posługując się tabelą z ryc. 1.3, podaj właściwą sekwencję aminokwasów odpowiadającą<br />

fragmentowi sekwencji DNA. ATG GCC TCT ACG GGC AGT AGC<br />

3. Ojciec ma oczy niebieskie (cecha recesywna), a matka brązowe (cecha dominująca)<br />

i oboje są homozygotami. Jakiego koloru oczy będzie mieć potomstwo<br />

Odpowiedz na pytanie i przedstaw swój tok rozumowania.<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 1


19<br />

2<br />

Biotechnologia<br />

tradycyjna<br />

i jej znaczenie<br />

ZAGADNIENIA<br />

▪ Pojęcie biotechnologii<br />

▪ Biotechnologia tradycyjna<br />

▪ Produkty otrzymywane metodami biotechnologii tradycyjnej<br />

PRZYPOMNIJ SOBIE PRZED LEKCJĄ<br />

• znaczenie bakterii • cechy grzybów • fermentacja mlekowa i alkoholowa • funkcje białek<br />

BIOTECHNOLOGIA<br />

jest to dziedzina<br />

zajmująca się wykorzystaniem<br />

organizmów,<br />

ich składników lub<br />

procesów biologicznych<br />

w technologii wytwarzania<br />

różnych produktów<br />

na skalę przemysłową.<br />

Ryc. 2.1. Proces produkcji piwa znano już w starożytnym<br />

Babilonie. Dzięki zachowanym na steli Hammurabiego<br />

fragmentom pisma klinowego wiadomo, że mieszkańcy<br />

Babilonu potrafili produkować wiele gatunków tego napoju<br />

BIOTECHNOLOGIA OBEJMUJE RÓŻNE<br />

SFERY DZIAŁALNOŚCI CZŁOWIEKA<br />

Biotechnologia jest terminem o bardzo szerokim<br />

znaczeniu. Jak podpowiada sama nazwa,<br />

jest to dziedzina, która opiera się na<br />

technologiach wykorzystujących właściwości<br />

organizmów. Innymi słowy, biotechnologia<br />

zajmuje się wytwarzaniem lub zastosowaniem<br />

produktów biologicznych uzyskanych<br />

z różnych organizmów i mających właściwości<br />

cenne dla człowieka. Zarówno całe organizmy,<br />

jak i wyizolowane z nich komórki czy<br />

produkowane przez nie substancje, np. enzymy,<br />

znajdują zastosowanie w różnych sferach<br />

życia.<br />

Biotechnologia łączy wiele dziedzin biologii<br />

(m.in. genetykę, embriologię, biochemię)<br />

oraz inne nauki przyrodnicze (np. chemię<br />

czy fizykę), a także nauki techniczne. Obecnie<br />

biotechnologia jest jedną<br />

z najszybciej rozwijających się<br />

dziedzin nauki, co zaowocowało<br />

pojawieniem się nowego sektora<br />

gospodarki – przemysłu biotechnologicznego.<br />

Dzięki biotechnologii<br />

powstały liczne<br />

produkty przemysłowe i spożywcze,<br />

a także nowe rodzaje farmaceutyków,<br />

skuteczne w leczeniu chorób niegdyś nieuleczalnych<br />

lub śmiertelnych. W ostatnich trzydziestu<br />

latach rozwinęła się<br />

współczesna biotechnologia<br />

molekularna, czyli biotechnologia<br />

oparta na metodach<br />

pozwalających na zmiany<br />

sposobu działania genów różnych<br />

organizmów. Zdolność<br />

niektórych organizmów do


20 BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

zawarte w nim substancje<br />

i wydzielają własne, co decyduje<br />

o charakterystycznym<br />

zapachu i smaku sera.<br />

Dzięki rozwojowi bakterii,<br />

wytwarzających w procesie<br />

fermentacji kwas mlekowy,<br />

są otrzymywane nie tylko niektóre<br />

produkty mleczne, ale<br />

także kiszone warzywa i owoce<br />

(np. popularne kiszone<br />

ogórki lub kiszona kapusta).<br />

Kwas mlekowy powstający<br />

w dużych ilościach w trakcie<br />

kiszenia powoduje, że kiszoprzeprowadzania<br />

procesów pożytecznych<br />

z punktu widzenia człowieka była wykorzystywana<br />

od wieków. Ten rodzaj biotechnologii,<br />

w której nie stosuje się modyfikacji<br />

genetycznych, jest określany jako biotechnologia<br />

tradycyjna.<br />

Choć może to się wydawać<br />

zaskakujące, biotechnologia<br />

tradycyjna jest obecna w życiu<br />

człowieka od tysięcy lat.<br />

Już mieszkańcy starożytnego<br />

Egiptu, Babilonu<br />

i Chin wytwarzali za<br />

pomocą metod biotechnologicznych<br />

takie<br />

produkty, jak chleb, biotechnologii<br />

produkty<br />

sery i napoje alkoholowe tradycyjnej<br />

(ryc. 2.1). Niektóre metody biotechnologiczne<br />

są współcześnie stosowane<br />

przez człowieka w postaci niemal<br />

niezmienionej od czasów starożytnych<br />

(patrz infografika: Produkcja piwa, s. 22).<br />

DZIĘKI MIKROORGANIZMOM POWSTAJĄ<br />

LICZNE PRODUKTY SPOŻYWCZE<br />

Produkcja takich artykułów spożywczych, jak<br />

chleb, jogurt, wino i piwo, stanowi przykład<br />

procesów biotechnologicznych, ponieważ<br />

przebiegają one dzięki aktywności różnych<br />

mikroorganizmów, a dokładniej dzięki reakcjom<br />

chemicznym zachodzącym<br />

w ich komórkach. Niektóre<br />

mikroorganizmy żyjące<br />

w warunkach beztlenowych<br />

są zdolne do fermentacji. Jest<br />

to typ oddychania beztlenowego,<br />

którego wynikiem (tak jak<br />

w wypadku oddychania tlenowego)<br />

jest uzyskanie energii.<br />

W trakcie procesu fermentacji<br />

dodatkowo powstają różne<br />

związki organiczne, które często<br />

stanowią cenne produkty<br />

dla człowieka. Przykładem<br />

produktu uzyskiwanego dzięki<br />

MIKROORGANIZMY,<br />

inaczej drobnoustroje,<br />

to organizmy niewielkich<br />

rozmiarów (zwykle jednokomórkowe),<br />

widoczne<br />

pod mikroskopem. Są to<br />

m.in. bakterie, pierwotniaki<br />

i niższe grzyby, takie jak<br />

jednokomórkowe drożdże.<br />

ANTYBIOTYKI są to<br />

substancje chemiczne,<br />

najczęściej wytwarzane<br />

przez mikroorganizmy,<br />

które przeciwdziałają<br />

wzrostowi drobnoustrojów<br />

chorobotwórczych.<br />

fermentacji prowadzonej przez<br />

drożdże jest alkohol etylowy –<br />

etanol. W zależności od użytego<br />

substratu wyjściowego, np. odpowiednio<br />

przygotowanych ziaren<br />

jęczmienia lub owoców winogron,<br />

w wyniku fermentacji alkoholowej<br />

otrzymuje się różne napoje<br />

alkoholowe, np. piwo lub wino.<br />

Fermentacja alkoholowa odgrywa<br />

także znaczącą rolę podczas wytwarzania<br />

pieczywa. Procesy chemiczne<br />

przebiegające w trakcie fermentacji<br />

nadają pieczywu charakterystyczny<br />

aromat, a dwutlenek<br />

węgla wydzielany przez<br />

dodane do ciasta drożdże powoduje<br />

jego spulchnianie.<br />

Przykładem wykorzystania fermentacji<br />

przez człowieka jest także<br />

produkcja serów oraz innych wyrobów mlecznych,<br />

takich jak jogurty i kefiry. Podstawowym<br />

procesem, który umożliwia ich powstawanie<br />

jest fermentacja mlekowa, przeprowadzana<br />

przez bakterie wytwarzające kwas mlekowy<br />

(np. bakterie z rodzaju Lactococcus). Wytwarzanie<br />

niektórych rodzajów sera (tzw. serów<br />

pleśniowych) wymaga też zastosowania pewnych<br />

gatunków grzybów pleśniowych. Rozwijające<br />

się w serze pleśnie przekształcają<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 2


Biotechnologia tradycyjna i jej znaczenie<br />

21<br />

a<br />

b<br />

Ryc. 2.2. Penicylina jest produkowana przez grzyb z rodzaju<br />

Penicillium (pędzlak) (a). Jej odkrycie rozpoczęło<br />

poszukiwania kolejnych substancji o działaniu<br />

przeciwbakteryjnym. Wykryto je w innych gatunkach grzybów,<br />

a także w niektórych bakteriach. Na przykład erytromycyna<br />

jest wytwarzana przez bakterie – promieniowce (b)<br />

ne produkty są bardzo trwałe i mogą być przechowywane<br />

przez wiele miesięcy. Większość<br />

bakterii, które mogłyby powodować psucie się<br />

żywności w czasie jej przechowywania, nie jest<br />

w stanie rozwijać się w takim środowisku.<br />

Przykładem biotechnologicznego wykorzystania<br />

mikroorganizmów jest także wytwarzanie<br />

octu – produktu reakcji chemicznej prowadzonej<br />

przez bakterie z rodzaju Acetobacter.<br />

Co ciekawe, również niektóre wędliny, tzw.<br />

wędliny długo dojrzewające, są produkowane<br />

z udziałem mikroorganizmów. Na przykład<br />

salami czy kindziuk powstają dzięki fermentacji,<br />

która przebiega z udziałem niektórych gatunków<br />

bakterii żyjących na surowym mięsie.<br />

Sprawdź w internecie<br />

Procesy biotechnologiczne stosowane w celu<br />

wytwarzania napojów alkoholowych lub serów mogą znacząco<br />

różnić się od siebie. Wyjaśnij, jakie znaczenie ma wykorzystanie<br />

określonych gatunków i szczepów mikroorganizmów<br />

w trakcie wytwarzania tych produktów. W trakcie wyszukiwania<br />

posłuż się jednym z podanych zestawów słów kluczowych:<br />

produkcja sera, bakterie, rodzaje lub produkcja piwa,<br />

drożdże, szczepy.<br />

BIOTECHNOLOGIA MA LICZNE<br />

ZASTOSOWANIA W PRZEMYŚLE<br />

ORAZ OCHRONIE ŚRODOWISKA<br />

Substancje wytwarzane przez niektóre organizmy<br />

okazały się bardzo użyteczne dla człowieka.<br />

Znalazły one zastosowanie w różnych<br />

gałęziach gospodarki. Wśród nich największą<br />

grupę stanowią substancje stosowane jako leki.<br />

Prawdziwym przełomem w nauce i medycynie<br />

było odkrycie w 1928 r. przez Alexandra Fleminga<br />

pierwszego antybiotyku, penicyliny (ryc. 2.2).<br />

Obecnie antybiotyki są powszechnie stosowane<br />

w leczeniu zakażeń bakteryjnych, a ich<br />

światowa produkcja wynosi aż kilkadziesiąt<br />

tysięcy ton rocznie. Podstawową rolę w produkcji<br />

przemysłowej wielu z nich odgrywają<br />

procesy biotechnologiczne z użyciem mikroorganizmów.


PRODUKCJA PIWA<br />

– przykład metody biotechnologii tradycyjnej<br />

PIWO JEST NAPOJEM PRODUKOWANYM W WIELU<br />

KRAJACH NA ŚWIECIE. ROCZNA ŚWIATOWA PRODUKCJA<br />

TEGO NAPOJU WYNOSI 1800 MILIONÓW HEKTOLITRÓW.<br />

W POLSCE ISTNIEJE DŁUGA TRADYCJA PIWOWARSTWA.<br />

PIERWSZY ZAPIS DOTYCZĄCY PRODUKCJI I SPRZEDAŻY<br />

PIWA POCHODZI Z 1272 ROKU.<br />

jęczmień<br />

woda<br />

słód jasny<br />

1.<br />

OTRZYMYWANIE<br />

SŁODU<br />

Podstawowymi<br />

składnikami<br />

do produkcji piwa<br />

są jęczmień, drożdże,<br />

owoce („szyszki”)<br />

chmielu i woda.<br />

W pierwszym etapie<br />

procesu jęczmień<br />

doprowadza się<br />

do kiełkowania.<br />

Ziarna moczy się<br />

w wodzie przez kilka dni,<br />

dzięki czemu na skutek<br />

działania enzymów<br />

skrobia zmagazynowana<br />

w nasionach zostaje<br />

rozłożona do cukrów<br />

prostych. Następnie<br />

ziarna się suszy.<br />

Otrzymany produkt<br />

nazywamy słodem<br />

(od słodkiego smaku).<br />

2.<br />

WARZENIE<br />

I FERMENTACJA<br />

Zmielony słód zalewa<br />

się ciepłą wodą,<br />

a następnie oddziela<br />

część płynną<br />

zawierającą cukry<br />

od pozostałości nasion.<br />

Do uzyskanego płynu<br />

dodaje się chmiel oraz<br />

najważniejszy składnik<br />

– drożdże. Podczas<br />

prowadzonej przez<br />

drożdże fermentacji<br />

dochodzi do rozkładu<br />

cukrów prostych<br />

na alkohol etylowy<br />

i dwutlenek węgla.<br />

O ostatecznym smaku<br />

piwa nie decyduje<br />

jednak sama<br />

fermentacja.<br />

ekstrakt słodowy<br />

szyszki chmielowe<br />

drożdże piwne<br />

kotły,<br />

w których odbywa<br />

się proces warzenia


Do leżakowania<br />

piwa od wieków<br />

służyły tylko<br />

dębowe beczki.<br />

3.<br />

LEŻAKOWANIE<br />

Podczas leżakowania<br />

stopniowo podnosi<br />

się temperaturę<br />

przechowywanego<br />

piwa. W tym czasie<br />

dochodzi m.in. do<br />

rozłożenia diacetylu<br />

– substancji<br />

niepożądanej,<br />

która powstaje jako<br />

produkt uboczny<br />

fermentacji<br />

i wpływa<br />

niekorzystnie na<br />

zapach i smak piwa.<br />

4.<br />

FILTRACJA<br />

I PASTERYZACJA<br />

W ostatnim etapie<br />

produkcji piwo jest<br />

filtrowane, co powoduje,<br />

że uzyskuje ono<br />

klarowny wygląd.<br />

Piwo przeznaczone<br />

do długotrwałego<br />

przechowywania jest<br />

ponadto poddawane<br />

procesowi pasteryzacji.<br />

Polega ona na<br />

niszczeniu za pomocą<br />

wysokiej temperatury<br />

mikroorganizmów, które<br />

mogłyby spowodować<br />

psucie się produktu.<br />

Obecnie stosuje się duże zbiorniki,<br />

tzw. tankofermentory, w których odbywa się<br />

zarówno fermentacja, jak i leżakowanie.<br />

Na świecie<br />

obowiązuje<br />

prawny zakaz<br />

sprzedaży<br />

alkoholu osobom<br />

przed<br />

ukończeniem 18.,<br />

a w niektórych<br />

krajach 21. roku<br />

życia.


24 BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

Ryc. 2.3. Dzięki<br />

obecności enzymów<br />

trawiących białka<br />

(proteaz), skrobię<br />

(amylaz) oraz<br />

tłuszcze (lipaz)<br />

proszki do prania<br />

mogą łatwiej<br />

usuwać plamy<br />

pochodzące<br />

z pożywienia,<br />

zawierającego<br />

zazwyczaj białko,<br />

skrobię i tłuszcz<br />

Ryc. 2.4. W niektórych oczyszczalniach ścieków<br />

w specjalnych zbiornikach hoduje się mikroorganizmy. Potrafią<br />

one wykorzystać jako pokarm niemal wszystkie substancje,<br />

także te, które są toksyczne dla innych organizmów. W trakcie<br />

procesu biologicznego oczyszczania ścieków, zachodzącego<br />

z udziałem mikroorganizmów, zanieczyszczenia zostają<br />

przetworzone w związki nieszkodliwe<br />

Warto pamiętać, że choroby leczone za pomocą<br />

antybiotyków, uważane dziś za niegroźne<br />

(np. zapalenie oskrzeli, zakażenia bakteryjne<br />

ran), przed odkryciem tych leków często<br />

prowadziły do śmierci.<br />

Poza antybiotykami mikroorganizmy dostarczają<br />

wielu innych substancji,<br />

takich jak witaminy<br />

i aminokwasy. Dobry przykład<br />

to witamina B 2<br />

, którą można<br />

zsyntetyzować chemicznie,<br />

jednak proces jej produkcji jest<br />

BIOPALIWA<br />

są to paliwa powstałe<br />

z produktów wytwarzanych<br />

przez różne<br />

organizmy.<br />

skomplikowany i wymaga zastosowania wielu<br />

toksycznych substancji chemicznych. W procesie<br />

biotechnologicznym z wykorzystaniem<br />

bakterii synteza tej witaminy jest jednoetapowa<br />

i nie wymaga stosowania<br />

szkodliwych odczynników.<br />

Bakterie są też wykorzystywane w przemyśle<br />

w procesie tzw. ługowania metali, czyli ich<br />

wymywania z rudy, dzięki czemu można<br />

uniknąć stosowania trujących substancji<br />

chemicznych.<br />

Wiele procesów biotechnologicznych można<br />

udoskonalić, stosując zamiast organizmów<br />

wyizolowane z nich enzymy, bezpośrednio odpowiedzialne<br />

za przeprowadzenie danej reakcji.<br />

Na przykład białka izolowane z mikroorganizmów<br />

są stosowane w niektórych fabrykach<br />

zamiast trujących środków chemicznych do<br />

wybielania papieru podczas jego produkcji.<br />

Substancje pochodzące z bakterii można<br />

spotkać także w każdym domu, np. znajdują<br />

się one w proszkach do prania (ryc. 2.3).<br />

Biotechnologia ma ogromne znaczenie dla<br />

ochrony środowiska. Mikroorganizmy zdolne<br />

do przetwarzania substancji organicznych są<br />

powszechnie wykorzystywane do biologicznego<br />

oczyszczania ścieków, a także do usuwania<br />

substancji trujących ze środowiska, np. ropy<br />

naftowej i jej pochodnych (ryc. 2.4). W podobnym<br />

celu wykorzystuje się pewne gatunki<br />

roślin, które rosnąc np. na terenach skażonych,<br />

pobierają z podłoża i magazynują<br />

w swoich tkankach metale ciężkie.<br />

Innym przykładem zastosowania biotechnologii<br />

w ochronie środowiska naturalnego są<br />

próby otrzymywania paliw z produktów pochodzących<br />

z organizmów. Biopaliwa, do których<br />

zalicza się m.in. biogaz wytwarzany przez<br />

mikroorganizmy, a także bioetanol i biodiesel<br />

produkowane z substancji pochodzących<br />

z roślin, mogą zastąpić<br />

gaz ziemny oraz ropę<br />

naftową i jej pochodne, należące<br />

do zasobów nieodnawialnych<br />

(ryc. 2.5).<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 2


25<br />

Ryc. 2.5. Biodiesel jest<br />

przetworzonym olejem<br />

roślinnym, pozyskiwanym<br />

np. z rzepaku<br />

OTRZYMYWANIE NOWYCH ODMIAN<br />

ROŚLIN I RAS ZWIERZĄT<br />

MOŻNA UZNAĆ ZA METODY<br />

BIOTECHNOLOGICZNE<br />

W wielu publikacjach poświęconych biotechnologii<br />

można znaleźć informację, że zajmuje<br />

się ona uzyskiwaniem przez człowieka nowych<br />

odmian roślin i ras zwierząt. Zgodnie<br />

z tym poglądem za początek biotechnologii<br />

trzeba uznać uzyskanie pierwszych ras hodowlanych,<br />

a także pierwszych odmian roślin<br />

uprawnych, co nastąpiło ok. 8 tys. lat temu.<br />

Rośliny lub zwierzęta o pożądanych cechach<br />

otrzymuje się w wyniku krzyżowania różnych<br />

organizmów i wyszukiwania wśród ich<br />

potomstwa osobników o pożądanych właściwościach<br />

(ryc. 2.6). Na przykład „idealną” kukurydzę<br />

– niską o dużych kolbach – można<br />

uzyskać w wyniku krzyżowania osobników<br />

wysokich o dużych kolbach z osobnikami<br />

niskimi o małej liczbie ziaren w kolbach.<br />

Uzyskanie osobnika o określonych właściwościach<br />

jest najczęściej pracochłonne,<br />

wymaga wielokrotnego krzyżowania oraz<br />

TO CIEKAWE!<br />

Zielona rewolucja<br />

W niektórych regionach świata, ze względu na<br />

niesprzyjające warunki klimatyczne czy terenowe,<br />

uprawy roślin są mało wydajne, co powoduje niedożywienie<br />

ludzi zamieszkujących te tereny.<br />

W odpowiedzi na zagrożenie głodem Organizacja<br />

Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia<br />

i Rolnictwa(FAO) wprowadziła w latach 60. XX w.<br />

program nazwany później zieloną rewolucją.<br />

Celem tego programu było uzyskanie i wprowadzenie<br />

do upraw, zwłaszcza w najbardziej zaludnionych<br />

krajach, odmian roślin dających większe plony.<br />

Dzięki zastosowaniu nowoczesnych metod hodowli<br />

udało się wprowadzić do upraw kilka nowych odmian,<br />

głównie pszenicy i ryżu (ryc. poniżej).<br />

W porównaniu do poprzednio stosowanych odmian<br />

wydają one większą liczbę ziaren oraz charakteryzują<br />

się karłowatym wzrostem, dzięki czemu są bardziej<br />

odporne na niekorzystne warunki środowiska,<br />

np. porywiste wiatry. Program zielonej rewolucji,<br />

krytykowany niekiedy za propagowanie sztucznego<br />

nawożenia i oprysków chemicznymi środkami<br />

ochrony roślin, przyczynił się do powstrzymania<br />

wielkich fal głodu pojawiających się w niektórych<br />

krajach Trzeciego Świata. Główny pomysłodawca<br />

zielonej rewolucji, Norman Borlaug, w 1970 r.<br />

otrzymał Pokojową Nagrodę Nobla.


26 BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

selekcji potomstwa. W ten sposób otrzymano<br />

odmiany roślin i rasy zwierząt, które są<br />

obecnie podstawą rolnictwa – odmiany roślin<br />

uprawnych (np. pszenicy, ryżu) o wysokiej<br />

plenności oraz rasy zwierząt hodowlanych<br />

(np. bydła) przeznaczone do produkcji<br />

mięsa lub mleka. Stale są podejmowane<br />

próby uzyskania organizmów o coraz lepszych<br />

cechach, np. odpornych na choroby<br />

i niesprzyjające warunki środowiska, rosnących<br />

szybciej i dostarczających większych<br />

ilości produktów.<br />

Ryc. 2.6. Kapusta głowiasta biała i czerwona, kapusta<br />

włoska, kalarepa i kapusta brukselska należą do jednego<br />

gatunku Brassica oleracea. Różnice w wyglądzie tych<br />

warzyw są efektem długotrwałej hodowli i selekcji<br />

osobników o określonych cechach<br />

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA<br />

Charakterystyka produktów biotechnologicznych<br />

obecnych w życiu codziennym<br />

WPROWADZENIE<br />

Produkty uzyskiwane dzięki procesom biotechnologicznym są obecne w życiu codziennym niemal<br />

na każdym kroku. Najłatwiej jest to sprawdzić, wybierając się do pobliskiego sklepu. Przed<br />

wizytą w nim zastanów się, na jakie produkty należy zwrócić szczególną uwagę. Przygotuj<br />

w tym celu tabelę według wzoru.<br />

Produkt<br />

spożywczy<br />

Powstał w wyniku działania<br />

organizmów lub ich składników<br />

Zawiera substancje uzyskiwane<br />

metodami biotechnologicznymi<br />

przemysłowy<br />

REALIZACJA<br />

1. W sklepie odszukaj produkty wytwarzane dzięki procesom biotechnologicznym, które zostały<br />

opisane w podręczniku. Wpisz je w odpowiednie miejsca w tabeli.<br />

2. Wybierz 10 dowolnych produktów przetworzonych (produkty nieprzetworzone to np. surowe<br />

warzywa i owoce) i przeczytaj opis ich składu lub sposobu wytwarzania. Jeśli natrafisz na<br />

produkt biotechnologiczny, wpisz go również do tabeli.<br />

ODPOWIEDZ NA PYTANIA<br />

1. Czy trudno było znaleźć produkty biotechnologiczne<br />

2. Czy wiele rodzajów takich produktów jest w sprzedaży<br />

3. Których produktów biotechnologicznych było więcej – spożywczych czy przemysłowych<br />

4. Czy wśród produktów, które można zaklasyfikować jako biotechnologiczne, więcej było takich,<br />

które zawierają całe organizmy lub są przez nie wytwarzane, czy też takich, które mają<br />

w składzie substancje wytwarzane dzięki procesom biotechnologicznym<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 2


Biotechnologia tradycyjna i jej znaczenie<br />

27<br />

Podsumowanie i sprawdzenie<br />

ZAPAMIĘTAJ<br />

■■<br />

Od tysięcy lat ludzie wykorzystywali procesy zachodzące w organizmach do wytwarzania<br />

użytecznych dla siebie produktów: pieczywa, serów, alkoholu, jogurtów i kefirów.<br />

■■<br />

Dzięki biotechnologii produkuje się ważne użytkowo substancje, takie jak antybiotyki,<br />

witaminy, a także enzymy o znaczeniu przemysłowym.<br />

■■<br />

Mikroorganizmy są wykorzystywane do biologicznego oczyszczania ścieków.<br />

■■<br />

Produkty pochodzące z organizmów służą do wytwarzania biopaliw, częściowo zastępując<br />

tradycyjnie stosowane paliwa kopalne.<br />

■■<br />

Do szeroko pojmowanych metod biotechnologicznych włącza się również metody<br />

hodowlane, dzięki którym jest możliwe ulepszanie cech organizmów.<br />

PO TEJ LEKCJI POTRAFISZ przedstawić znaczenie biotechnologii tradycyjnej w życiu człowieka<br />

oraz podać przykłady produktów uzyskiwanych jej metodami.<br />

ZNAJDŹ W PRASIE, KSIĄŻKACH LUB INTERNECIE<br />

Organizmy zasiedlają bardzo różne środowiska. Znane są bakterie żyjące w ekstremalnych<br />

warunkach, np. w głębinach oceanicznych, czy też żywiące się substancjami toksycznymi<br />

dla ludzi. Znajdź informacje na temat takich bakterii i zastanów się, w jaki<br />

sposób można je zastosować w biotechnologii. Czy któreś z nich są już wykorzystywane<br />

w procesach biotechnologicznych Jeśli tak, wymień przykłady takich bakterii i podaj ich<br />

zastosowanie.<br />

WYRAŹ OPINIĘ<br />

Ze względu na szybki wzrost liczebności populacji ludzkiej i związane z nim zagrożenie<br />

głodem głównym celem programu „zielona rewolucja” było uzyskanie roślin dających<br />

większe plony. Wprowadzenie nowych odmian wiązało się jednak ze stosowaniem<br />

znacznych ilości nawozów sztucznych i chemicznych środków ochrony roślin. Jednocześnie<br />

zaczęto propagować tzw. gospodarstwa ekologiczne – przyjazne środowisku, ale<br />

znacznie mniej wydajne. Uzasadnij, który z przedstawionych sposobów produkcji żywności<br />

jest – twoim zdaniem – bardziej wartościowy i czy mogą one współistnieć.<br />

ROZWIĄŻ ZADANIA<br />

1. Wymień cztery przykłady produktów uzyskiwanych dzięki biotechnologii tradycyjnej.<br />

Podaj, jaki organizm lub jego składnik bądź jaki proces biologiczny został wykorzystany<br />

do uzyskania tego produktu.<br />

2. Wymień produkty uzyskiwane z wykorzystaniem wymienionych poniżej organizmów.<br />

a) drożdże c) bakterie mlekowe e) bakterie octowe<br />

b) rośliny oleiste d) grzyby z rodzaju Penicillium


28<br />

3<br />

Rola<br />

inżynierii<br />

genetycznej w rozwoju<br />

biotechnologii<br />

ZAGADNIENIA<br />

▪ Istota inżynierii genetycznej<br />

▪ Inżynieria genetyczna jako dział współczesnej biotechnologii<br />

▪ Podstawowe narzędzia inżynierii genetycznej<br />

PRZYPOMNIJ SOBIE PRZED LEKCJĄ<br />

• informacja genetyczna • gen • kod genetyczny • genotyp • fenotyp<br />

ODCINKI DNA MOŻNA PRZENOSIĆ<br />

MIĘDZY RÓŻNYMI ORGANIZMAMI<br />

DNA wszystkich organizmów – bakterii,<br />

rośliny czy zwierzęcia – jest zbudowany<br />

w ten sam sposób, a informacja w nim zawarta<br />

jest odczytywana według niemal takich<br />

samych reguł. Teoretycznie więc gen<br />

wyizolowany z jednego organizmu i przeniesiony<br />

do innego (np. gen ludzki przeniesiony<br />

do komórki bakteryjnej) powinien<br />

spełniać swoją funkcję<br />

także w nowym otoczeniu.<br />

Badania zapoczątkowane<br />

w latach 70. XX w. potwierdziły,<br />

że jest to możliwe.<br />

W pionierskim doświadczeniu<br />

amerykańscy biolodzy<br />

– Stanley Cohen i Herbert Boyer – udowodnili,<br />

że geny pochodzące z komórek<br />

żaby pełnią swoją funkcję także po ich przeniesieniu<br />

do komórki bakteryjnej. Potwierdzenie,<br />

że podstawowa instrukcja życia jest<br />

zapisana w ten sam sposób u różnych organizmów<br />

stało się początkiem rozwoju nowej<br />

dziedziny biotechnologii określanej jako<br />

inżynieria genetyczna.<br />

INŻYNIERIA<br />

GENETYCZNA<br />

jest działem biotechnologii<br />

zajmującym się modyfikacją<br />

DNA organizmów w celu<br />

zmiany ich właściwości.<br />

INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

DAJE OGROMNE MOŻLIWOŚCI<br />

STEROWANIA GENAMI<br />

Intensywny rozwój inżynierii genetycznej trwa<br />

już od kilkudziesięciu lat. W tym czasie opracowano<br />

i udoskonalono wiele metod pozwalających<br />

na izolowanie i przenoszenie fragmentów<br />

DNA między różnymi organizmami.<br />

Dzięki temu stało się możliwe wprowadzanie<br />

do organizmów nowych, niewystępujących<br />

w nich przedtem genów.<br />

Wprowadzenie do organizmu<br />

nowego genu zmienia<br />

jego genotyp, co zwykle prowadzi<br />

do zmian fenotypu.<br />

Przykładem takiego organizmu<br />

jest uzyskana kilka lat<br />

temu świecąca ryba akwariowa, danio pręgowane,<br />

dostępna w sprzedaży w Stanach Zjednoczonych.<br />

Otrzymano ją po wprowadzeniu do jej<br />

komórek genów kodujących różne formy białek<br />

odpowiedzialnych za naturalną fluorescencję.<br />

Wzbogacenie genomu ryby, zawierającego<br />

kilkanaście tysięcy genów, o jeden tylko dodatkowy<br />

gen spowodowało w jej organizmie zmiany<br />

fenotypu widoczne gołym okiem (ryc. 3.1).<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 3


29<br />

1 petunia<br />

ogrodowa<br />

o fioletowych<br />

kwiatach<br />

IZOLACJA GENU<br />

WARUNKUJĄCEGO<br />

OKREŚLONĄ CECHĘ<br />

meduza Aequorea<br />

1 victoria<br />

zdolna do naturalnej<br />

fluorescencji<br />

WPROWADZENIE<br />

OBCEGO GENU<br />

DO ORGANIZMU<br />

róża ogrodowa<br />

2 o kremowych kwiatach<br />

danio pręgowane,<br />

2 Brachydanio rerio<br />

ZMIANA<br />

WŁAŚCIWOŚCI<br />

ORGANIZMU<br />

3 zmodyfikowana<br />

genetycznie róża<br />

o fioletowych<br />

kwiatach<br />

3 zmodyfikowana<br />

genetycznie ryba<br />

świecąca w świetle<br />

ultrafioletowym<br />

Ryc. 3.1. Metody inżynierii genetycznej pozwalają na tworzenie organizmów o niespotykanych w przyrodzie cechach


30<br />

BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

Ryc. 3.2. Zmiany zaobserwowane w organizmie, w którym wyłączono wybrany gen lub zwiększono jego aktywność, wskazują na<br />

pełnione przez niego funkcje. Na przykład wyłączenie genu steel powoduje zmianę koloru sierści u myszy z czarnego na biały<br />

Tak spektakularny efekt pokazuje, jak ogromne<br />

możliwości drzemią w inżynierii genetycznej.<br />

Przykładem organizmu zmodyfikowanego<br />

za pomocą metod inżynierii genetycznej<br />

jest także róża o fioletowych kwiatach zawierająca<br />

gen pochodzący z innej rośliny i kodujący<br />

enzym, który odpowiada za produkcję niebieskiego<br />

barwnika (ryc. 3.1).<br />

Organizmy, których genotyp został zmodyfikowany<br />

w wyniku zastosowania metod<br />

inżynierii genetycznej, są nazywane organizmami<br />

zmodyfikowanymi genetycznie<br />

(w skrócie GMO, od angielskich słów Genetically<br />

Modified Organisms). Modyfikacja genetyczna<br />

nie musi polegać wyłącznie na wprowadzaniu<br />

genów pochodzących z innych<br />

organizmów, ale także na wzmocnieniu działania<br />

genów obecnych w danym organizmie<br />

lub przeciwnie – wyłączeniu<br />

aktywności niektórych z nich<br />

Sprawdź<br />

w internecie<br />

Wykorzystując podany zestaw<br />

słów kluczowych: GMO, bakterie,<br />

rośliny, zwierzęta, znajdź informacje<br />

na temat innych niż przedstawione<br />

w rozdziale organizmów zmodyfikowanych<br />

genetycznie. Podaj po dwa<br />

przykłady dla każdej z wymienionych<br />

grup organizmów. Wyjaśnij, na czym<br />

polegała ich modyfikacja.<br />

ORGANIZM<br />

ZMODYFIKOWANY<br />

GENETYCZNIE (GMO)<br />

jest to organizm, którego<br />

materiał genetyczny został<br />

celowo zmieniony za pomocą<br />

metod inżynierii genetycznej.<br />

Modyfikacje te mogą polegać<br />

na wprowadzeniu genu<br />

z innego organizmu albo<br />

na zmianie aktywności genu<br />

przez wzmocnienie jego<br />

działania lub jego wyłączenie.<br />

(ryc. 3.2). Za pomocą metod inżynierii genetycznej<br />

modyfikuje się nie tylko organizmy komórkowe,<br />

ale też wirusy, które wówczas są również<br />

określane jako GMO.<br />

INŻYNIERIA GENETYCZNA JEST<br />

WAŻNYM DZIAŁEM WSPÓŁCZESNEJ<br />

BIOTECHNOLOGII<br />

Przykłady róży o fioletowej barwie kwiatów oraz<br />

świecących ryb akwariowych pokazują, dlaczego<br />

inżynieria genetyczna stała się filarem nowoczesnej<br />

biotechnologii. Przede wszystkim zastosowanie<br />

inżynierii genetycznej umożliwia uzysknie organizmów<br />

o nowych cechach – niewystępujących<br />

u nich w naturze lub trudnych do uzyskania tradycyjnymi<br />

metodami hodowlanymi. Zamiast łączyć<br />

różne odmiany organizmów w procesie<br />

krzyżowania, a następnie wyszukiwać wśród potomstwa<br />

osobniki o pożądanych<br />

cechach, można wybrać gen (lub<br />

zestaw genów) odpowiedzialny<br />

za występowanie określonej cechy<br />

u jednego organizmu i przenieść<br />

go do innego organizmu.<br />

Przyjmijmy na przykład,<br />

że pewien gatunek rośliny<br />

ma gen X odpowiedzialny<br />

za syntezę cennej substancji<br />

chemicznej o działaniu leczniczym.<br />

Ta substancja jest<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 3


Rola inżynierii genetycznej w rozwoju biotechnologii<br />

31<br />

DNA<br />

Ryc. 3.4. W większości wypadków DNA zawarty<br />

w komórkach można wyizolować, stosująć dość proste<br />

procedury – niektóre z nich są możliwe do wykonania<br />

nawet w pracowni szkolnej<br />

jednak produkowana w znikomej ilości, co<br />

utrudnia jej pozyskiwanie do celów przemysłowych.<br />

Być może za pomocą krzyżowania<br />

i selekcji po wielu latach udałoby się wyhodować<br />

odmianę, która wytwarzałaby cenną<br />

substancję w większej ilości. Dzięki wykorzystaniu<br />

technik inżynierii genetycznej można<br />

osiągnąć ten cel znacznie szybciej. Wystarczy<br />

wyizolować z rośliny gen X i przenieść go np.<br />

do łatwych w hodowli bakterii. Jeśli przeniesiony<br />

gen będzie prawidłowo funkcjonował<br />

w bakteriach, rozpoczną one masową produkcję<br />

cennej substancji (ryc. 3.3).<br />

Ryc. 3.3. Roślina Artemisia annua zawiera artemizynę,<br />

związek chemiczny, który okazał się jednym z najsilniejszych<br />

leków przeciw malarii. Niestety, rośliny te zawierają bardzo<br />

małe ilości artemizyny, a jej pozyskiwanie jest dosyć<br />

kosztowne. Uczeni zidentyfikowali geny odpowiedzialne<br />

za syntezę artemizyny. Obecnie są podejmowane próby<br />

przeniesienia tych genów do bakterii i drożdży w celu<br />

uzyskania większej ilości tego cennego związku<br />

PODSTAWOWE NARZĘDZIA<br />

INŻYNIERII GENETYCZNEJ<br />

Wbrew powszechnym opiniom podstawowe<br />

narzędzia inżynierii genetycznej są łatwe<br />

w użyciu, a niezbędny do ich stosowania sprzęt<br />

w laboratoriach biologicznych jest dziś niemal<br />

tak dostępny jak mikroskop świetlny.<br />

Najważniejsze metody inżynierii genetycznej<br />

opisano poniżej.<br />

▪ Izolacja DNA z materiału biologicznego<br />

Biotechnolodzy opracowali liczne metody<br />

pozwalające na izolację DNA z komórek różnych<br />

organizmów (ryc. 3.4).


32<br />

BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

RAPORT Z BADAŃ<br />

Pająk i kamizelka<br />

kuloodporna<br />

B<br />

iotechnologia współczesna często<br />

wykorzystuje rozwiązania funkcjonujące<br />

w przyrodzie od milionów lat. Dobrym<br />

przykładem takiego naturalnego „wynalazku”<br />

jest nić pajęcza, której właściwościom nie<br />

dorównują materiały stworzone do tej pory<br />

przez człowieka. Nić pajęcza jest kilkakrotnie<br />

twardsza niż stal i bardziej elastyczna niż<br />

nylon. Niezwykłe właściwości nici pajęczej<br />

wynikają z jej budowy. Głównymi składnikami<br />

nici pajęczej są dwa białka, spidroina I i II. Po<br />

wydostaniu się z gruczołów przędnych pająka<br />

białka te tworzą długie włókna. Zebranie<br />

odpowiedniej ilości naturalnej nici pajęczej do<br />

celów przemysłowych jest niemożliwe, dlatego<br />

laboratoria naukowe oraz firmy biotechnologiczne<br />

próbują wyprodukować nici pajęcze<br />

w innych organizmach. Pierwszym krokiem ku<br />

temu było sklonowanie genów, które kodują<br />

spidroiny. Wprowadziwszy do komórek<br />

bakteryjnych oraz zwierzęcych te geny, badacze<br />

uzyskali odpowiednie białka. Następnie<br />

otrzymano z nich sztuczne nici o nazwie<br />

BioSteel, dostępne od kilku lat w sprzedaży.<br />

Badacze próbują też zmodyfikować geny<br />

pająka w taki sposób, aby otrzymać nić<br />

o zaplanowanych parametrach mechanicznych.<br />

Jeśli opisane badania zakończą się powodzeniem,<br />

w przyszłości będzie możliwe wytworzenie<br />

materiałów o niezwykle wysokiej odporności<br />

mechanicznej,<br />

a przy tym lekkich<br />

i elastycznych.<br />

Będą one mogły<br />

znaleźć zastosowanie<br />

m.in.<br />

w produkcji nici<br />

chirurgicznych<br />

czy kamizelek<br />

kuloodpornych.<br />

a<br />

b<br />

T<br />

A<br />

T<br />

A<br />

T<br />

A<br />

T<br />

A<br />

C<br />

G<br />

przecięcie nici DNA w określonym miejscu<br />

C<br />

G<br />

C<br />

G<br />

C<br />

G<br />

G<br />

C<br />

G<br />

C<br />

G<br />

C<br />

G<br />

C<br />

T<br />

G<br />

A<br />

T<br />

C<br />

G<br />

T<br />

G<br />

A<br />

T<br />

A A T T C G A<br />

A<br />

A<br />

Ryc. 3.5. Stosowane w inżynierii genetycznej enzymy<br />

przecinają nić DNA w obrębie dokładnie określonych<br />

sekwencji nukleotydów. Dzięki temu w warunkach<br />

laboratoryjnych jest możliwe precyzyjne dzielenie DNA na<br />

mniejsze fragmenty o określonej długości (a). Za pomocą<br />

innego rodzaju enzymów można połączyć ze sobą<br />

fragmenty DNA (w tym geny) pochodzące z różnych tkanek,<br />

osobników i gatunków (b)<br />

T<br />

A<br />

A<br />

A<br />

T<br />

A<br />

C C T T C G A<br />

C<br />

G<br />

C<br />

G<br />

C<br />

G<br />

G<br />

G<br />

G<br />

C<br />

połączenie dwóch<br />

fragmentów DNA<br />

T<br />

A<br />

T<br />

A<br />

G<br />

C<br />

C<br />

C<br />

A<br />

T<br />

A<br />

T<br />

T<br />

T<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 3


Rola inżynierii genetycznej w rozwoju biotechnologii<br />

33<br />

komórka<br />

wirus<br />

a<br />

b<br />

Ryc. 3.6. Wirusy są bardzo dobrymi wektorami ze względu na naturalną zdolność do wnikania do komórek (a). Geny,<br />

które się przenosi do komórek, zazwyczaj łączy się z barwnikiem fluorescencyjnym. Dzięki temu można zidentyfikować<br />

te komórki, do których gen został skutecznie wprowadzony (b)<br />

▪ Fragmentacja oraz łączenie odcinków DNA<br />

Przełomowymi wydarzeniami w rozwoju inżynierii<br />

genetycznej były odkrycia dwóch rodzajów<br />

enzymów: zdolnych do przecinania<br />

oraz łączenia nici DNA. Dzięki temu można<br />

zestawić ze sobą odcinki DNA pochodzące<br />

z różnych źródeł, co daje ogromne możliwości<br />

manipulacji genami (ryc. 3.5).<br />

▪ Wprowadzanie DNA do komórek<br />

Opracowanie skutecznej metody wprowadzania<br />

DNA do komórek było kolejnym ważnym<br />

krokiem w rozwoju inżynierii genetycznej.<br />

Wybrany fragment DNA<br />

(np. określony gen) można<br />

wprowadzić do komórki po<br />

jego połączeniu z cząsteczkami<br />

DNA pochodzącymi z bakterii<br />

lub wirusów, i określanymi<br />

jako wektory (łac. vector<br />

– przewoźnik).<br />

Odkrycie wielu różnych<br />

wektorów sprawiło, że wprowadzanie<br />

fragmentów DNA<br />

do komórek stało się niemal<br />

ruty nową techniką używaną<br />

w biotechnologii bakterii, grzybów,<br />

roślin i zwierząt (ryc. 3.6).<br />

▪ Powielanie odcinków DNA<br />

Wybrany odcinek DNA można<br />

powielić w probówce dzięki<br />

WEKTORY są to<br />

nośniki, za pomocą<br />

których można<br />

wprowadzić do komórek<br />

wybrane fragmenty DNA.<br />

REAKCJA<br />

ŁAŃCUCHOWA<br />

POLIMERAZY (PCR)<br />

jest to szybka i wydajna<br />

metoda powielania<br />

fragmentów DNA<br />

w warunkach laboratoryjnych<br />

za pomocą enzymu<br />

polimerazy.<br />

KLONOWANIE GENU<br />

jest to procedura<br />

polegająca na izolacji<br />

i powieleniu określonego<br />

odcinka DNA.<br />

zastosowaniu techniki o nazwie łańcuchowa<br />

reakcja polimerazy, określanej skrótem<br />

PCR (ang. Polymerase Chain Reaction). Ta<br />

metoda zrewolucjonizowała współczesną<br />

naukę i znalazła zastosowanie w wielu jej<br />

dziedzinach. Za opracowanie techniki PCR<br />

Amerykanin Kary Banks Mullis w 1993 r.<br />

otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii<br />

(ryc. 3.7).<br />

Wymienione powyżej metody inżynierii<br />

genetycznej są stosowane m.in. w procedurze<br />

określanej jako klonowanie genów. Jest<br />

to termin często pojawiający<br />

się w mediach i literaturze<br />

popularnonaukowej (a także<br />

sensacyjnej). Bywa on mylnie<br />

rozumiany i interpretowany,<br />

dlatego warto poznać jego<br />

właściwe znaczenie. W pracy<br />

biotechnologa klonowanie genów<br />

oznacza procedurę polegającą<br />

na izolacji i powielaniu<br />

określonego odcinka DNA,<br />

np. jednego genu. Sklonowanie<br />

genu umożliwia jego właściwą<br />

analizę.<br />

Dzięki tej procedurze poznano<br />

funkcje wielu ważnych<br />

genów człowieka i innych organizmów.


34<br />

BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

powielany<br />

fragment DNA<br />

a<br />

1. cykl (2 kopie) 2. cykl (4 kopie) 3. cykl (8 kopii) 4. cykl (16 kopii)<br />

b<br />

Ryc. 3.7. PCR polega na wielokrotnym powtarzaniu reakcji syntezy określonego odcinka DNA, co pozwala na otrzymanie<br />

w ciągu kilku godzin milionów jego kopii (a). Urządzenie, które służy do przeprowadzania PCR w laboratorium, jest nazywane<br />

termocyklerem (b). W termocyklerze DNA jest umieszczany w specjalnych probówkach (c)<br />

TO CIEKAWE!<br />

Enzym z gorących źródeł<br />

W trakcie łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR)<br />

temperatura w probówce osiąga niemal 100°C.<br />

W takiej temperaturze większość białek ulega<br />

rozkładowi. Jednak stosowany w technice PCR<br />

enzym katalizujący reakcję syntezy DNA –<br />

polimeraza DNA – jest odporny na tak wysoką<br />

temperaturę, ponieważ pochodzi z bakterii<br />

Thermus aquaticus, których naturalnym<br />

środowiskiem są gorące źródła (ryc. obok).<br />

c<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 3


Rola inżynierii genetycznej w rozwoju biotechnologii<br />

35<br />

Podsumowanie i sprawdzenie<br />

ZAPAMIĘTAJ<br />

■■<br />

Narzędzia inżynierii genetycznej umożliwiają zmianę właściwości organizmów przez wprowadzanie<br />

do nich genów pochodzących z innych organizmów lub modyfikację ich własnych genów. Takie<br />

organizmy są określane jako organizmy zmodyfikowane genetycznie (GMO). Przykładem GMO<br />

są m.in. róże o niespotykanej w przyrodzie barwie kwiatów oraz „świecące” ryby akwariowe.<br />

■■<br />

Do powszechnie stosowanych metod inżynierii genetycznej należą m.in.: przecinanie oraz<br />

łączenie nici DNA, powielanie odcinków DNA, a także wprowadzanie DNA do komórek.<br />

■■<br />

Przewagą inżynierii genetycznej nad tradycyjną biotechnologią jest możliwość szybkiego<br />

uzyskiwania organizmów o cechach niewystępujących naturalnie w przyrodzie.<br />

PO TEJ LEKCJI POTRAFISZ przedstawić, czym zajmuje się inżynieria genetyczna, podać<br />

przykłady jej zastosowania oraz wyjaśnić pojęcie organizm zmodyfikowany genetycznie (GMO).<br />

ZNAJDŹ W PRASIE, KSIĄŻKACH LUB INTERNECIE<br />

W mediach stale pojawiają się informacje o kolejnych osiągnięciach biotechnologii. Poszukaj<br />

i podaj kilka przykładów produktów uzyskanych za pomocą metod inżynierii genetycznej.<br />

Zwróć uwagę na te, z którymi możesz się zetknąć w codziennym życiu.<br />

WYRAŹ OPINIĘ<br />

Wykorzystanie metod inżynierii genetycznej umożliwia otrzymywanie organizmów użytecznych<br />

dla człowieka. Niektóre organizmy zmodyfikowane genetycznie nie mają praktycznego<br />

zastosowania – w ich przypadku można mówić, co najwyżej, o walorach estetycznych.<br />

Oprócz świecących ryb akwariowych przykładem takich organizmów są np.<br />

fioletowe róże czy fluoryzujące króliki. Przedstaw swoje zdanie na temat wykorzystywania<br />

metod inżynierii genetycznej w taki sposób oraz je uzasadnij.<br />

ROZWIĄŻ ZADANIA<br />

1. Wśród podanych niżej przykładów wskaż te, które dotyczą organizmów zmodyfikowanych<br />

za pomocą metod inżynierii genetycznej.<br />

a. Krzyżowanie psów w celu otrzymania osobników o dłuższej sierści.<br />

b. Uzyskiwanie bakterii pozbawionych genów niezbędnych do wywołania choroby.<br />

c. Synteza ludzkiej insuliny w bakteriach.<br />

d. Izolacja insuliny z trzustki krowy.<br />

2. Oceń prawdziwość poniższych zdań. W razie wskazania stwierdzenia nieprawdziwego<br />

krótko uzasadnij swoją odpowiedź.<br />

Lp.<br />

Stwierdzenie<br />

1. Technika PCR jest używana do izolacji dużych ilości DNA.<br />

2. DNA rośliny można wzbogacić o gen pochodzący z bakterii.<br />

3. DNA można przenieść z komórki bakteryjnej do ludzkiej, ale w odwrotnym kierunku jest to niemożliwe.<br />

4. Wektory umożliwiają przenoszenie genów między różnymi organizmami.


104<br />

13<br />

Biotechnologia<br />

i inżynieria genetyczna<br />

Powtórzenie<br />

Tabela 13.1. Znaczenie biotechnologii tradycyjnej w życiu człowieka<br />

Zastosowanie<br />

Przykłady zastosowania<br />

Przetwarzanie żywności<br />

z wykorzystaniem<br />

procesu fermentacji<br />

• produkcja: serów, jogurtów, kefiru, pieczywa, piwa,<br />

wina, octu, produktów kiszonych, wędlin długo<br />

dojrzewających (np. salami)<br />

Otrzymywanie leków<br />

• produkcja antybiotyków (np. penicyliny) przez<br />

mikroorganizmy<br />

•produkcja witamin (np. witaminy B 2<br />

) przez<br />

mikroorganizmy<br />

Wykorzystanie<br />

organizmów<br />

w innych procesach<br />

technologicznych<br />

• zastosowanie enzymów (np. proteaz, lipaz, amylaz)<br />

w proszkach do prania<br />

• wytwarzanie paliw (np. bioetanolu, biogazu)<br />

• wypłukiwanie (ługowanie) rud metali<br />

• wybielanie papieru<br />

Ochrona środowiska<br />

• biologiczne oczyszczanie ścieków<br />

• wykorzystanie bakterii do usuwania skażenia gleb i wód<br />

ropą naftową lub metalami ciężkimi<br />

• usuwanie metali ciężkich ze środowiska<br />

z wykorzystaniem wychwytujących je roślin<br />

Selekcja odmian roślin<br />

uprawnych i ras<br />

zwierząt udomowionych<br />

• otrzymywanie odmian roślin uprawnych (np. pszenicy,<br />

ryżu) o wysokiej plenności<br />

• otrzymywanie ras zwierząt hodowlanych (np. bydła)<br />

przeznaczonych do produkcji mięsa lub mleka<br />

DZIAŁ 1 | LEKCJA 13


POWTÓRZENIE DZIAŁU 1 105<br />

Tabela 13.2. Charakterystyka organizmu zmodyfikowanego genetycznie (GMO) i produktu GMO<br />

GMO<br />

Definicja<br />

Przykłady<br />

Organizm zmodyfikowany<br />

genetycznie (GMO)<br />

Produkt GMO<br />

jest to organizm (mikroorganizm,<br />

roślina, zwierzę), którego materiał<br />

genetyczny został celowo zmieniony za<br />

pomocą metod inżynierii genetycznej<br />

jest to produkt zawierający<br />

GMO lub substancje otrzymane<br />

z GMO<br />

• drożdże wytwarzające ludzką insulinę<br />

• soja odporna na herbicydy<br />

• krowa produkująca mleko o zwiększonej<br />

zawartości kazeiny<br />

• leki rekombinowane, np. ludzka insulina<br />

uzyskiwana z drożdży<br />

• pasza dla zwierząt hodowlanych zawierająca<br />

soję zmodyfikowaną genetycznie<br />

• mleko o zwiększonej zawartości kazeiny<br />

pochodzące od transgenicznej krowy<br />

Tabela 13.3. Zastosowanie metod inżynierii genetycznej<br />

Rodzaj modyfikacji<br />

genetycznej<br />

Wprowadzenie<br />

do modyfikowanego<br />

organizmu genu<br />

pochodzącego<br />

z innego gatunku<br />

Skutek<br />

pojawienie się nowej<br />

cechy organizmu,<br />

niespotykanej<br />

w warunkach<br />

naturalnych<br />

Przykłady<br />

<br />

• drożdże zawierające gen<br />

ludzkiej insuliny i wytwarzające<br />

ten hormon<br />

• danio pręgowane wykazujące<br />

fluorescencję pod wpływem UV<br />

• kukurydza Bt odporna<br />

na omacnicę prosowiankę<br />

Wyłączenie genu<br />

obecnego<br />

w modyfikowanym<br />

organizmie<br />

utrata białka<br />

kodowanego przez<br />

wyłączony gen<br />

prowadząca do<br />

zmiany jednej lub<br />

kilku cech organizmu<br />

• bakterie pozbawione genu niezbędnego do wywołania choroby,<br />

stosowane w badaniach nad szczepionkami i w ich produkcji<br />

• pomidory FlavrSavr pozbawione genu odpowiedzialnego<br />

za mięknięcie owoców<br />

• zwierzęta laboratoryjne wykazujące objawy ludzkich chorób, używane<br />

do badań nad nimi<br />

Wprowadzenie do<br />

modyfikowanego<br />

organizmu<br />

dodatkowych<br />

kopii genu<br />

zwiększenie produkcji<br />

białka kodowanego<br />

przez wprowadzone<br />

kopie genu, co<br />

skutkuje nasileniem<br />

się danej cechy<br />

• łosoś produkujący więcej hormonu wzrostu i szybciej przybierający<br />

na wadze


112 BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA<br />

Rozwiąż zadania<br />

po dziale 1.<br />

ZADANIE 1<br />

Poniżej wymieniono kilka sposobów genetycznych modyfikacji organizmów. Wskaż te modyfikacje,<br />

które mogą doprowadzić do uzyskania wymienionych w tabeli celów. W niektórych<br />

przypadkach możesz wybrać więcej niż jedną możliwość.<br />

A. wprowadzenie obcego genu<br />

B. wprowadzenie dodatkowej kopii genu<br />

C. usunięcie genu<br />

Lp.<br />

Cel modyfikacji genetycznej<br />

Sposób uzyskania<br />

modyfikacji genetycznej<br />

1. Uzyskanie krów wytwarzających ludzki hormon wzrostu A / B / C<br />

2. Uzyskanie orzechów arachidowych pozbawionych właściwości alergizujących A / B / C<br />

3. Otrzymanie łososi o zwiększonej masie ciała A / B / C<br />

4. Uzyskanie drożdży produkujących pajęcze nici A / B / C<br />

5. Otrzymanie róży o intensywniejszej barwie kwiatów A / B / C<br />

ZADANIE 2<br />

a. Oceń prawdziwość poniższych zdań dotyczących organizmów zmodyfikowanych genetycznie<br />

i uzyskiwanych z nich produktów.<br />

Lp.<br />

Stwierdzenie<br />

1. Żywność uzyskiwana z GMO jest niebezpieczna dla człowieka, ponieważ zawiera DNA.<br />

2. Organizmy transgeniczne są przykładem GMO.<br />

3. Do produktów GMO należy wiele stosowanych w medycynie leków, takich jak insulina.<br />

4. Wszystkie stosowane obecnie antybiotyki są uzyskiwane z modyfikowanych genetycznie<br />

5.<br />

Odmiany roślin wytwarzające substancje lecznicze wykorzystywane w medycynie można uzyskać tylko<br />

za pomocą metod nowoczesnej biotechnologii.<br />

b. Wybierz odpowiednie uzasadnienie 5. stwierdzenia.<br />

A. Prawda, ponieważ konieczne jest wprowadzenie do nich obcego DNA.<br />

B. Nieprawda, ponieważ niektóre rośliny naturalnie wytwarzają substancje lecznicze stosowane<br />

przez człowieka.<br />

DZIAŁ 1 | ZADANIA PO DZIALE 1.


POWTÓRZENIE DZIAŁU 1 113<br />

ZADANIE 3<br />

Oceń, które z wymienionych procesów mogą mieć pozytywny, a które negatywny wpływ na<br />

środowisko przyrodnicze.<br />

Lp. Procesy<br />

1. Biologiczne oczyszczanie ścieków wykorzystujące mikroorganizmy zmodyfikowane genetycznie<br />

2. Rozprzestrzenianie się w środowisku organizmów zmodyfikowanych genetycznie<br />

3. Magazynowanie metali ciężkich przez transgeniczne rośliny<br />

4. Krzyżowanie się odmian GMO z naturalnie występującymi odmianami roślin<br />

5. Przekształcanie przez bakterie zmodyfikowane genetycznie ścieków w olej napędowy<br />

6. Rozkładanie związków fosforu przez transgeniczne świnie<br />

ZADANIE 4<br />

Naukowiec zajmujący się klonowaniem ssaków planuje przeprowadzić eksperyment. W laboratorium<br />

ma do dyspozycji myszy o sierści koloru białego, czarnego i brązowego. Biała mysz<br />

została wybrana na dawczynię oocytów. Komórki somatyczne pobrano od myszy czarnej. Mysz<br />

brązowa została wybrana na matkę zastępczą.<br />

Odpowiedz na poniższe pytanie, wskazując literę spośród A–D, a następnie dobierz odpowiednie<br />

uzasadnienie spośród cyfr 1–4.<br />

Jakiego koloru sierści spodziewasz się u potomstwa urodzonego w wyniku eksperymentu<br />

A. Czarnego, ponieważ... C. Brązowego, ponieważ...<br />

B. Białego, ponieważ... D. Szarego, ponieważ...<br />

1. Kolor sierści młodych jest taki sam jak sierści matki zastępczej.<br />

2. Podczas klonowania dochodzi do wymieszania genomu jądrowego dawczyni oocytów<br />

i dawczyni (dawcy) komórek somatycznych.<br />

3. Dawcą materiału genetycznego jest mysz o czarnej sierści.<br />

4. Młode będą klonami dawczyni oocytów.<br />

ZADANIE 5<br />

Wyobraź sobie, że jesteś redaktorem pracującym w gazecie. W kolejnym jej wydaniu mają się<br />

pojawić różne doniesienia. Oceń, czy przytoczone poniżej fragmenty doniesień są poprawne,<br />

a jeśli nie – wskaż w tekście błędy i wyjaśnij, na czym one polegają.<br />

Fragment doniesienia A. Grupie naukowców pod kierunkiem profesora Adama Pytalskiego udało się otrzymać bakterie<br />

pałeczki okrężnicy produkujące cenną substancję leczniczą. Do mikroorganizmów wprowadzono gen kodujący ludzkie białko, w<br />

wyniku czego doszło do zmiany kodu genetycznego. Zmodyfikowana w ten sposób bakteria rozpoczęła produkcję ludzkiego białka.<br />

Fragment doniesienia B. Dzięki badaniom genetycznym rozwikłano kolejną zagadkę XX wieku. Analiza próbki DNA<br />

pochodzącej od kobiety, która podawała się za najmłodszą córkę cara Mikołaja II, Anastazję, nie potwierdziła jej pokrewieństwa<br />

z carską rodziną. Analiza rodowodu nie wykazała podobieństwa profilu genetycznego kobiety do profili genetycznych uzyskanych<br />

podczas badania szczątków należących do członków rodziny carskiej.<br />

Fragment doniesienia C. Amerykańscy lekarze przeprowadzili udaną próbę wykorzystania terapii genowej do leczenia<br />

dziedzicznej choroby skóry. Terapia genowa polega na usunięciu z komórek pacjenta jego własnego materiału genetycznego<br />

i wprowadzeniu materiału genetycznego uzyskanego z jąder komórkowych dawcy. Troje pacjentów, u których zastosowano ten<br />

sposób leczenia, czuje się dobrze, jednak najbliższe tygodnie spędzi w szpitalu pod obserwacją lekarzy.


238 ŹRÓDŁA ILUSTRACJI I FOTOGRAFII<br />

ŹRÓDŁA ILUSTRACJI I FOTOGRAFII<br />

Okładka: s. 1 (lemur sifaka) Nils Mark Moffett/Minden Pictures/Getty Images/Flash Press Media<br />

Strona działowa 1: (helisa DNA) PantherMedia Basic Archive/Medium, (helisa DNA – fragment) JEAN-FRANCOIS PODEVIN/SCIENCE PHOTO<br />

LIBRARY/East News, (kiszone ogórki) Studiotouch /Shutterstock.com, (laboratorium genetyczne) Rainer Dittrich/Westend61 RF/Medium, (robot<br />

i kolonie bakterii) PATRICK LANDMANN/SCIENCE PHOTO LIBRARY/East News, (niebieska róża) blickwinkel/Alamy/BE&W, (mikromanipulator)<br />

W.A. RITCHIE/ROSLIN INSTITUTE/EURELIOS/ SCIENCE PHOTO LIBRARY/East News, (transgeniczny pomidor) The Image Works/TopFoto,<br />

(owca Dolly) ASSOCIATED PRESS/BE&W, (ustalanie profilu genetycznego) LAURENT/MAYA/BE&W, (chromosomy z zaznaczoną mutacją) HEALTH<br />

PROTECTION AGENCY/SCIENCE PHOTO LIBRARY/East News, (pobieranie płynu owodniowego) PASCAL GOETGHELUCK/SCIENCE PHOTO<br />

LIBRARY/East News, (symboliczne zdjęcie przedstawiające naprawianie DNA) Sanford Ivan/PHOTOTAKE/BE&W, (helisa DNA) valdis torms/<br />

Shutterstock.com<br />

Tekst główny: s. 3 (in vitro) W.A. RITCHIE/ROSLIN INSTITUTE/EURELIOS/Science Photo Library/East News, (liście kasztanowca) Tomo Jesenicnik/Shutterstock.com;<br />

s. 10 (model budowy białka) ynse/Shutterstock.com; s. 11 (J. Watson i F. Crick przy modelu cząsteczki DNA) A. BARRINGTON<br />

BROWN/Science Photo Library/East News, (model budowy DNA, replikacja DNA) Maria Drabecka; s. 12 (Mycoplasma genitalium) Diomedia,<br />

(sekwencje nukleotydów i aminokwasów w cząsteczce hormonu wzrostu) Maria Drabecka; s. 13 (maki i chabry na łące) Lobke Peers/Shutterstock.<br />

com, (rodzina) Dean Mitchell/Shutterstock.com; s. 15 (budowa chromosomu) Maria Drabecka, (chromosomy myszy) Diomedia, (chromosomy<br />

człowieka) Diomedia; s. 16 (krzyżowanie czerwonych i białych kwiatów) Maria Drabecka; s. 17 (albinotyczny paw) Paula Cobleigh/Shutterstock.com;<br />

s. 17, 18, 27, 34, 35, 112, (DNA rozdzielone na żelu) kentoh/Shutterstock. com; s. 19 (chmiel) Volosina/Shutterstock.com; (pismo klinowe – produkcja<br />

piwa) John Said/Shutterstock.com; s. 20 (jogurt) mexrix/Shutterstock.com, (ser pleśniowy) Aleksandr Bryliaev/Shutterstock.com, (chleb) Onur<br />

ERSIN/Shutterstock.com, (salami) Peter Zijlstra/Shutterstock.com; s. 21 (Penicillium sp.) MATT MEADOWS/Science Photo Library/East News,<br />

(Penicillium sp. w powiększeniu), CNRI/Science Photo Library/East News, (bakterie – promieniowce) Dennis Kunkel/PHOTOTAKE/BE&W; s.<br />

22 (kłosy) Bomshtein/Shutterstock.com, (chmiel) LianeM/Shutterstock.com, (system nawadniający) Fokin Oleg/Shutterstock.com, (słód jasny)<br />

PSD photography/Shutterstock.com, (ekstrakt słodowy) Rocketroom/FoodPix/Getty Images/Flash Press Media, (drożdże piwne) Jovan Nikolic/<br />

Shutterstock.com, (stalowe kontenery) Denis Babenko/Shutterstock.com; s. 23 (stary browar) The Bridgeman Art Library/BE&W, (beczki) Richard<br />

Ross/The Image Bank/Getty Images/Flash Press Media, (tankofermentory) Limpopo/Shutterstock.com, (puste butelki na taśmie produkcyjnej)<br />

HamsterMan/Shutterstock.com; s. 24 (proszek do prania) karam Miri/Shutterstock.com, (biologiczna oczyszczalnia ścieków) Marek Lasyk/RE-<br />

PORTER/East News; s. 25 (rzepak) bofotolux/Shutterstock.com, (biodiesel) RIA NOVOSTI/Science Photo Library/East News; (złoty ryż – kłosy)<br />

Sergio Tafner Jorge/TIPS IMAGES/BE&W; s. 26 (różne odmiany kapusty) Valentyn Volkov/Shutterstock.com; s. 28 (abstrakcyjny model cząsteczki)<br />

Kim Reinick/Shutterstock.com; s. 29 (kwiat petunii) Arina V./Shutterstock.com, (kwiat róży) claires/Shutterstock.com, (kwiat róży zmodyfikowanej<br />

genetycznie) Victoria Kulish/Shutterstock.com, (meduza Aequorea victoria) David Wrobel/Visuals Unlimited, Inc./Medium; (danio pręgowane)<br />

Mark Smith/Photo Researchers, Inc./BE&W, (świecące danio pręgowane) Edward Kinsman/Photo Researchers, Inc./BE&W; s. 30 (myszy zmodyfikowane<br />

genetycznie) OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY/US DEPARTMENT OF ENERGY/Science Photo Library/East News; s. 31 (bylica<br />

roczna) ANDY CRUMP, TDR, WHO/Science Photo Library/East News, (zlewka z DNA wytrąconym z roztworu) AJ PHOTO/Science Photo Library/<br />

East News; s. 32 (pająk na sieci pajęczyny) Awei/Shutterstock.com, (dzielenie DNA na fragmenty – schemat) Maria Drabecka; s. 33 (wnikanie wirusa<br />

do komórki) GAILLARDE RAPHAEL/Gamma/BE&W, (świecące komórki z wprowadzonym genem) Collpicto/Alamy/BE&W; s. 34 (powielanie DNA)<br />

Maria Drabecka, (termocykler) PASCAL GOETGHELUCK/Science Photo Library/East News, (probówki z DNA) luchschen/Shutterstock.com, (gorące<br />

źródło) EastVillage Images/Shutterstock.com; s. 104 (ogórki kiszone) Studiotouch/Shutterstock.com, (Penicillium sp.) Christopher Meade/<br />

Shutterstock.com, (proszek do prania) Grażyna Bryk/WSiP, (rośliny rosnące na hałdzie przy kopalni) Maciej Jarzebinski/Forum, (kłosy pszenicy)<br />

tarczas/Shutterstock.com ; s. 105 (fluorescencyjne danio) Edward Kinsman/East News, (otyła mysz GMO i mysz niezmodyfikowana) OAK RIDGE<br />

NATIONAL LABORATORY/US DEPARTMENT OF ENERGY/SCIENCE PHOTO LIBRARY/East News, (duży łosoś GMO i łosoś niezmodyfikowany)<br />

Barrett & MacKay Photo/© 2010 Aqua Bounty Technologies, Inc.<br />

Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne oświadczają, że podjęły starania mające na celu dotarcie do właścicieli i dysponentów praw autorskich wszystkich<br />

zamieszczonych utworów. Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, przytaczając w celach dydaktycznych utwory lub fragmenty, postępują zgodnie z art. 29<br />

ustawy o prawie autorskim. Jednocześnie Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne oświadczają, że są jedynym podmiotem właściwym do kontaktu autorów<br />

tych utworów lub innych podmiotów uprawnionych w wypadkach, w których twórcy przysługuje prawo do wynagrodzenia.

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!