Γενετική Μηχανική-Βιοτεχνολογία BIOΛΟΓΙΑ Γ΄ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ Στέργος Σαλαμαστράκης Σχ. Σύμβουλος ΠΕ04

Προαπαιτούμενες γνώσεις: Γονίδιο, μεταγραφή, μετάφραση, διασταυρώσεις, μεταλλάξεις Λέξεις κλειδιά: Επιλεγμένες διασταυρώσεις, βιοτεχνολογία, γενετική μηχανική, γενετικά τροποποιημένοι οργανισμοί, ανασυνδυασμένο DNA, τεχνολογία ανασυνδυασμένου DNA, γονιδίωμα, χαρτογράφηση ανθρώπινου γονιδιώματος, γονιδιακή θεραπεία, κλωνοποίηση οργανισμών, βιοηθική Διδακτικές ώρες: 4

Διδακτικοί στόχοι Ο μαθητής να είναι σε θέση: Να περιγράφει τα βασικά στάδια της διαδικασίας εισαγωγής ξένου γενετικού υλικού στο γενετικό υλικό βακτηρίων και να εξηγεί τα αποτελέσματα αυτής της μεταφοράς για τον οργανισμό-δέκτη. Να αναφέρει και να περιγράφει σε γενικές γραμμές , τον τρόπο αξιοποίησης της δράσης των μικροοργανισμών στην παραγωγή τροφίμων (ψωμί, τυρί, μπύρα, ξίδι) και να εκτιμά τις χρήσεις αυτές ως απαρχή των εφαρμογών της Βιοτεχνολογίας Να αναφέρει και να περιγράφει, σε γενικές γραμμές, σύγχρονες εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας που συμβάλλουν στη βελτίωση της ποιότητας ζωής του ανθρώπου. Να αιτιολογεί τους κινδύνους που δημιουργούνται από την αλόγιστη εφαρμογή των μεθόδων της τεχνολογίας του ανασυνδυασμένου DNA, για το περιβάλλον, της υπάρχουσα γενετική ποικιλότητα, την κοινωνία. Να αντιμετωπίζει κριτικά τα αποτελέσματα από τις εφαρμογές της Βιολογίας στους διάφορους τομείς της καθημερινής ζωής και να διατυπώνει, με επιχειρήματα, την άποψή του (θετική ή αρνητική)

Μερικοί ορισμοί Βιοτεχνολογία: η τεχνολογία κατά την οποία αξιοποιούνται οργανισμοί, βιολογικά συστήματα ή βιολογικές διαδικασίες για την παραγωγή ενός προϊόντος ή την πραγματοποίηση μιας διεργασίας Ανασυνδυασμένο DNA: το DNA που προκύπτει όταν γενετικό υλικό από έναν οργανισμό μεταφερθεί τεχνητά στο γενετικό υλικό ενός άλλου οργανισμού. Γενετική μηχανική (τεχνολογία ανασυνδυασμένου DNA): Το σύνολο των τεχνικών με τις οποίες μεταφέρεται γενετικό υλικό από έναν οργανισμό σε κάποιον άλλο οργανισμό

Η βιοτεχνολογία μερικές χιλιάδες πριν Σύμφωνα με ενδείξεις οι Αιγύπτιοι παρήγαγαν μπύρα την 7η χιλιετία π.Χ., ενώ την 4η χιλιετία π.Χ. σε περιοχές της Μεσοποταμίας γινότανε καλλιέργεια αμπέλου για τη παραγωγή κρασιού. Παραγωγή προϊόντων βιοτεχνολογίας Γίνεται από: - μικροοργανισμούς που δεν είναι γενετικά τροποποιημένοι - γενετικά τροποποιημένους μικροοργανισμούς π.χ. βακτήρια - εκχύλιση ιστών - γενετικά τροποποιημένα ζώα (π.χ. πρόβατα, αγελάδες) Προϊόντα κλασικής βιοτεχνολογίας Ψωμί, κρασί, ξίδι, μπίρα, τυρί, γιαούρτι, Προϊόντα σύγχρονης βιοτεχνολογίας Φαρμακευτικές πρωτεΐνες, εμβόλια, αντιβιοτικά κ.ά.

Τροποποίηση της γενετικής σύσταση των οργανισμών Μέθοδος των επιλεγμένων διασταυρώσεων Ιστορικές πληροφορίες σχετικά με την ελεγχόμενη εκτροφή ζώων από τον άνθρωπο, υπάρχουν σε τοιχογραφίες αιγυπτιακών τάφων που χρονολογούνται στο 4000 π.Χ. και παρουσιάζουν ελεγχόμενες διασταυρώσεις σκύλων Δημιουργία διαγονιδιακών οργανισμών

Σακχαρώδης διαβήτης Πρόβλημα: δεν μπορεί το άτομο να συνθέσει την ινσουλίνη ή τη συνθέτει σε ελάχιστες ποσότητες Αντιμετώπιση του προβλήματος: ενέσεις ινσουλίνης

Ινσουλίνη: ορμόνη πρωτεϊνικής φύσης που παράγεται από ειδικά κύτταρα του παγκρέατος Ρόλος: ρυθμίζει την ποσότητα της γλυκόζης στο αίμα

Μέθοδοι παραγωγής της ινσουλίνης Α. Από πάγκρεας βοοειδών ή χοίρων Μειονεκτήματα - μεγάλο κόστος - μικρές ποσότητες - αλλεργίες Β. Από γενετικά τροποποιημένα βακτήρια - απομόνωση του αντίστοιχου γονιδίου - εισαγωγή του γονιδίου σε βακτήρια - παραγωγή ινσουλίνης Πλεονεκτήματα - χαμηλό κόστος - μεγάλες ποσότητες Γ. Από γενετικά τροποποιημένα ζώα

Παραγωγή ανθρώπινων πρωτεϊνών σε γενετικά τροποποιημένα βακτήρια

Μία μέθοδος κλωνοποίησης γονιδίων

Φαρμακευτικές πρωτεΐνες από γενετικά τροποποιημένα βακτήρια

Παραγωγή της ινσουλίνης από γενετικά τροποποιημένα ζώα Απομόνωση του ανθρώπινου γονιδίου που κωδικοποιεί τη φαρμακευτική πρωτεΐνη που μας ενδιαφέρει Μικροέγχυση του γονιδίου στον πυρήνα ενός γονιμοποιημένου ωαρίου του ζώου Τοποθέτηση του γενετικά τροποποιημένου ζυγωτού στη μήτρα ενήλικου ζώου για κυοφορία Γέννηση του διαγονιδιακού ζώου Διασταυρώσεις με σκοπό να περάσει η τροποποιημένη γενετική πληροφορία στους απογόνους Παραγωγή, απομόνωση και καθαρισμός της φαρμακευτικής πρωτεΐνης

Χαρτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώματος (Γονιδίωμα: Το γενετικό υλικό ενός κυττάρου) Περιλαμβάνει: - εντοπισμό της θέσης των γονιδίων στα χρωμοσώματα - προσδιορισμό της αλληλουχίας των βάσεων του ανθρώπινου γονιδιώματος Θα συμβάλλει: - στον εντοπισμό των «παθολογικών» γονιδίων που ευθύνονται για συγκεκριμένες κληρονομικές ασθένειες και για τη διάγνωσή τους - στην εφαρμογή της γονιδιακής θεραπείας

Γονιδιακή θεραπεία Είναι η εισαγωγή του φυσιολογικού γονιδίου στον ασθενή ώστε να εξασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία του οργανισμού του Προϋποθέσεις: - χαρτογράφηση και κλωνοποίηση του υπεύθυνου γονιδίου - προσδιορισμός των κυττάρων που εμφανίζουν τη βλάβη Χαρακτηριστικά της εφαρμογής της - οι εφαρμογές της είναι πολύ περιορισμένες - η επιτυχίας της δεν είναι εξασφαλισμένη - ενδέχεται μελλοντικά να εφαρμοστεί σε έμβρυα, εφόσον διαπιστωθεί ότι φέρουν «παθολογικά» γονίδια

Γενετικά τροποποιημένα φυτά (διαγονιδιακά φυτά) Τα φυτά που έχουν υποστεί γενετική αλλαγή (προσθήκη γονιδίων) με τη χρήση των τεχνικών της γενετικής μηχανικής

Φυτικοί οργανισμοί που έχουν τροποποιηθεί γενετικά για κάποιες ιδιότητες

Εφαρμογές γενετικά τροποποιημένων φυτών Τροποποίηση φαινοτύπου Τροποποίηση χαρακτήρων παραγωγής Τροποποίηση βασικών μεταβολικών μονοπατιών των φυτών Αντιμετώπιση βιοτικών και αβιοτικών καταπονήσεων Αύξηση ενδογενούς συγκέντρωσης βιομορίων, π.χ. χρωστικών, αντιοξειδωτικών Παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων διαφόρων βιομορίων, όπως υδατανθράκων, λιπιδίων, βιομηχανικών ενζύμων Παραγωγή ειδικών βιομορίων, όπως εδώδιμων εμβολίων Παραγωγή φυτών με μεγάλη ικανότητα βιοαποικοδόμησης συστατικών διαφόρων κατηγοριών αποβλήτων

Ερωτηματικά σχετικά με την υγεία Αλλεργιογόνος δράση των νέων πρωτεϊνών: Ατομα που είναι αλλεργικά στο Βραζιλιάνικό καρύδι είναι αλλεργικά και στη σόγια που φέρει ένα γονίδιο παρμένο από το Βραζιλιάνικο καρύδι και βελτιώνει τη θρεπτική της αξία. Αντοχή στα αντιβιοτικά Μεταβολή στην έκφραση άλλων γονιδίων του γονιδιώματος του οργανισμού δέκτη. Τυχόν πλειοτροπικές αλλαγές που μπορεί να επιφέρει η ενσωμάτωση νέων γονιδίων στο γονιδίωμα του οργανισμού δέκτη.

Περιβαλλοντικά ερωτήματα Ανάπτυξη αντοχής των εντόμων στην Bt τοξίνη και απώλεια του αποτελεσματικού βιολογικού εντομοκτόνου. Επίδραση της Bt τοξίνης στα έντομα μη-στόχος. Μεταφορά του γονιδίου που καθιστά τα ΓΤΦ ανθεκτικά στα ζιζανιοκτόνα, σε συγγενικά φυτικά είδη με τα οποία διασταυρώνονται στα φυσικό περιβάλλον. Μετατροπή των ΓΤΦ σε ανεπιθύμητα ζιζάνια τα οποία δύσκολα θα μπορούν να καταπολεμηθούν. Δυνατότητα ανάπτυξης αντοχής των ζιζανίων στο ζιζανιοκτόνο glyphosate. Εγκατάλειψη και τελικά, εξαφάνιση των παραδοσιακών ή τοπικών ποικιλιών με αρνητικές συνέπειες στη βιοποικιλότητα.

Kλωνοποίηση οργανισμών Ο πυρήνας ενός κυττάρου του μαστικού αδένα ενός εξάχρονου προβάτου τοποθετήθηκε στο ωάριο ενός άλλου προβάτου. Από το ωάριο είχε προηγουμένως αφαιρεθεί ο πυρήνας. Το έμβρυο το οποίο δημιουργήθηκε ύστερα από 3-4 διαιρέσεις εμφυτεύτηκε στη μήτρα θετής μητέρας, η οποία γέννησε τη Dolly.

Οι προβληματισμοί που προκύπτουν από τις εφαρμογές της σύγχρονης Βιολογίας και Γενετικής εξετάζονται από τη Βιοηθική Η δυνατότητα να προβλέπουμε την πιθανή μελλοντική εκδήλωση κάποιας γενετικής ασθένειας σε ένα άτομο έχει πάντα θετικές συνέπειες για το άτομο και την οικογένεια του; Πώς θα αντιμετωπίσει ένα μελλοντικό ασθενή μια ασφαλιστική εταιρία; Είναι ηθικό να έχουμε τη δυνατότητα να τροποποιούμε «κατά παραγγελία» τα κληρονομικά χαρακτηριστικά ενός ατόμου; Ποιο θα είναι το αποτέλεσμα στην περίπτωση που κάποιος θελήσει να εισαγάγει σε ένα έμβρυο γονίδια για συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που φυσιολογικά το άτομο δεν διαθέτει;

Κριτήριο αξιολόγησης 1. Να βάλετε σε κύκλο το γράμμα που συμπληρώνει σωστά την πρόταση Α. Ποιο από τα παρακάτω δεν είναι προϊόν βιοτεχνολογίας; α το γιαούρτι β. η μπίρα γ. το κρασί δ. ο χυμός φρούτων Β. Ένας γενετικά τροποποιημένος οργανισμός προκύπτει από: α. μεταλλάξεις β. μεταφορά γενετικού υλικού από έναν άλλο οργανισμό γ. επιλεγμένες διασταυρώσεις δ. μονογονία Γ. Η ινσουλίνη: α. είναι σάκχαρο β. παράγεται από το ήπαρ γ. παράγεται σε μεγάλες ποσότητες στο διαβητικό άτομο δ. παράγεται από το πάγκρεας Δ. Με τη γονιδιακή θεραπεία στοχεύουμε: α. στην αντικατάσταση του μη φυσιολογικού γονιδίου από το φυσιολογικό β. στη διάγνωση της ασθένειας γ. στη δημιουργία φυσιολογικών απογόνων του ατόμου που πάσχει δ. στην εισαγωγή του φυσιολογικού γονιδίου στον ασθενή

Κριτήριο αξιολόγησης α. Βιοτεχνολογία β. Γενετική μηχανική 2. Να δώσετε τους ορισμούς των παρακάτω εννοιών α. Βιοτεχνολογία β. Γενετική μηχανική 3. α. Να περιγράψετε την παραγωγή της ινσουλίνης από βακτήρια β. Να αναφέρετε τα πλεονεκτήματα της μεθόδου 4. α. Τι περιλαμβάνει η χαρτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώματος; β. Σε τι θα συμβάλλει αυτή;

Δραστηριότητες Χωρισμός των μαθητών σε ομάδες και παιχνίδι ρόλων Επίσκεψη σε εργοστάσιο γαλακτοκομικών προϊόντων ή τυροκομείο καθώς και σε εργοστάσιο οινοποιίας Επίσκεψη στο τμήμα μοριακής Βιολογίας του Παν/μίου της περιοχής Παραγωγή κρασιού (αλκοολική ζύμωση) Χωρισμός των μαθητών σε ομάδες και παιχνίδι ρόλων Επιχειρηματολογία υπέρ και κατά των μεταλλαγμένων, με υλικό που συγκεντρώνουν οι μαθητές από το διαδίκτυο, τον τύπο ή με υλικό που έχει ετοιμάσει ο εκπαιδευτικός και μοιράζει στους μαθητές

Ευχαριστώ πολύ