Биология · 10 класс4 четвертьТема 10ГОСО РК 2026Базовый

Генная и клеточная инженерия: рекомбинантные плазмиды, ПЦР-диагностика и клонирование

Инструменты генной инженерии (рестриктазы, лигазы, плазмидные векторы), синтез человеческого инсулина бактериями, полимеразная цепная реакция (ПЦР К. Муллиса), клонирование животных (овечка Долли).

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ4 четвертьдескрипторы ГОСО

Генная инженерия — совокупность методов конструирования in vitro искусственных рекомбинантных молекул ДНК и введения их в живые клетки для придания организмам новых генетических свойств:

• Рестриктазы (эндонуклеазы рестрикции, открыты В. Арбером, Х. Смитом, Д. Натансом, Нобелевская премия 1978 г.) — «молекулярные ножницы», бактериальные ферменты, узнающие короткие палиндромные последовательности ДНК (сайты рестрикции) и расщепляющие двойную спираль с образованием «липких» или «тупых» концов;

• ДНК-лигазы — «молекулярный клей», ферменты, сшивающие фрагменты ДНК ковалентными фосфодиэфирными связями;

• Векторы — молекулы-переносчики генов. Чаще всего используют бактериальные плазмиды (малые кольцевые внехромосомные самореплицирующиеся ДНК бактерий) и вирусные фаги.

Инструмент ДНК

Рестриктаза

Бактериальный фермент, разрезающий цепь ДНК в строго определенных сайтах узнавания.
Вектор переноса

Плазмида

Кольцевая автономная молекула ДНК бактерий, служащая вектором для клонирования целевых генов.

Классический триумф биотехнологии — промышленное производство медицинского инсулина человека бактериями кишечной палочки (Escherichia coli):

1. Выделение зрелой мРНК инсулина из клеток поджелудочной железы человека;

2. Синтез кДНК (комплементарной ДНК без интронов) с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы);

3. Разрезание бактериальной плазмиды и гена инсулина одной и той же рестриктазой для формирования комплементарных «липких концов»;

4. Сшивание гена инсулина с плазмидой с помощью ДНК-лигазы с образованием рекомбинантной плазмиды;

5. Трансформация — введение рекомбинантной плазмиды в культуру бактерий E. coli;

6. Выращивание трансгенных бактерий в биореакторах-ферментерах: бактерии транслируют ген человека, синтезируя чистый человеческий инсулин без аллергенных примесей.

Биотехнология

Трансгенный организм

Организм, в геном которого искусственно встроен чужеродный ген другого биологического вида.
Обратная транскрипция

кДНК

Копия ДНК, полученная синтезом на матрице зрелой иРНК без некодирующих интронов.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — метод экспоненциального многомиллионного амплифицирования (размножения) специфического участка ДНК in vitro. Разработан Кэри Муллисом в 1983 г. (Нобелевская премия 1993 г.).

Компоненты ПЦР-смеси:

• Исследуемая матричная ДНК (даже одна молекула из капли крови);

• Пара синтетических праймеров (короткие олигонуклеотиды, комплементарные границам участка);

• Смесь четырех дезоксинуклеозидтрифосфатов (дАТФ, дТТФ, дГТФ, дЦТФ);

• Термостабильная Taq-полимераза (выделена из экстремофильной бактерии горячих гейзеров Thermus aquaticus, выдерживает температуру кипения 95 °C).

Один термоцикл ПЦР (повторяется 30-40 раз в амплификаторе):

1. Денатурация (94-95 °C, 30 с) — расхождение цепей ДНК на две одиночные нити;

2. Отжиг праймеров (55-60 °C, 30 с) — комплементарная посадка праймеров на матрицу;

3. Элонгация (72 °C, 1 мин) — Taq-полимераза синтезирует новые комплементарные цепи.

За 30 циклов количество копий фрагмента возрастает в 2³⁰ раз (более миллиарда копий!).

Амплификация ПЦР
N=N0⋅2nN = N_0 \cdot 2^n
За n = 30 циклов из N₀ = 1 молекулы ДНК образуется более 1 073 741 824 копий.

Клеточная инженерия — конструирование новых клеток путем гибридизации, слияния и трансплантации ядер:

• Соматическая гибридизация — слияние протопластов растительных клеток разных видов без полового процесса;

• Клонирование млекопитающих методом SCNT (перенос ядра соматической клетки):

В 1996 г. в институте Рослина (Шотландия) Ян Вилмут впервые успешно клонировал взрослое млекопитающее — овечку Долли:

1. Из яйцеклетки овцы-донора удалили собственное гаплоидное ядро (энуклеация);

2. Из молочной железы взрослой овцы-донора взяли соматическую диплоидную клетку (2n);

3. С помощью микроэлектрического импульса соматическую клетку слили с безъядерной яйцеклеткой;

4. Эмбрион вырастили in vitro до стадии бластоцисты и пересадили в матку суррогатной матери;

5. Родившийся ягненок Долли был точной генетической копией овцы-донора соматического ядра.

Клонирование

Метод SCNT

Перенос диплоидного ядра соматической клетки в энуклеированную яйцеклетку млекопитающего.
Эмбриология

Энуклеация

Микрохирургическое удаление собственного ядерного генетического аппарата из зрелой яйцеклетки.

Четкая граница методов на ЕНТ:

• ГЕННАЯ инженерия — манипуляции на уровне МОЛЕКУЛ ДНК (рестрикция, лигирование, рекомбинантные плазмиды, ПЦР, введение генов, секвенирование);

• КЛЕТОЧНАЯ инженерия — манипуляции на уровне ЦЕЛЫХ КЛЕТОК, ЯДЕР И ТКАНЕЙ (культура тканей in vitro, каллус, микроклонирование растений, слияние протопластов, клонирование животных методом пересадки ядер, гибридомы);

• Taq-полимераза термостабильна, потому что выделена из экстремофильных термофильных бактерий горячих источников.

Запомните для ЕНТ

Рекомбинантная плазмида и ПЦР = ГЕННАЯ инженерия; Культура каллуса и клонирование овечки Долли = КЛЕТОЧНАЯ инженерия!

Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул10 класс
Число кодонов и нуклеотидов в иРНК:
Nнуклеотидов=3⋅NаминокислотN_{нуклеотидов} = 3 \cdot N_{аминокислот}[нуклеотидов]
Хромосомный набор и количество ДНК в митозе:
Профаза(2n4c)→Метафаза(2n4c)→Анафаза(4n4c)→Телофаза(2n2c)Профаза (2n4c) \rightarrow Метафаза (2n4c) \rightarrow Анафаза (4n4c) \rightarrow Телофаза (2n2c)[n / c]
Хромосомный набор в мейозе:
МейозI:2n4c→1n2c;МейозII:1n2c→1n1cМейоз I: 2n4c \rightarrow 1n2c;\quad \quad Мейоз II: 1n2c \rightarrow 1n1c[n / c]
Частота кроссинговера (расстояние между генами):
r=NкроссоверныхNвсех⋅100%r = \frac{N_{кроссоверных}}{N_{всех}} \cdot 100\%[% (морганиды, сМ)]
Следующая тема

Развитие эволюционных идей: теории Ж.Б. Ламарка и Ч. Дарвина. Движущие силы эволюции

Перейти к теме →