Biologia
WSiP / Szkoła ponadgimnazjalna / "Biologia. Po prostu"
WSiP / Szkoła ponadgimnazjalna / "Biologia. Po prostu"
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
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.