ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 7 1. Τίτλος Γενετική µηχανική. Εφαρµογές της Βιοτεχνολογίας στη Γεωργία - Κτηνοτροφία

Γυµνάσιο Κερατέας Μάθηµα: Βιολογία Γ Γυµνασίου Ηµεροµηνία: Ονοµατεπώνυµο: Τµήµα: ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 7 1. Τίτλος Γενετική µηχανική. Εφαρµογές της Βιοτεχνολογίας στη Γεωργία - Κτηνοτροφία 2. Εµπλεκόµενες γνωστικές περιοχές Βιολογία, Χηµεία, Περιβαλλοντική εκπαίδευση, Βιοτεχνολογία, Κληρονοµικότητα, Ασθένειες. Λέξεις κλειδιά Καλλιεργούµενα φυτά, εκτροφή ζώων, επιλεγµένες διασταυρώσεις, παρασκευή τροφίµων, ποτών µε τη βοήθεια µικροοργανισµών, γενετική µηχανική, ανασυνδυασµένο DNA, ινσουλίνη, γενετικά τροποποιηµένα φυτά και ζώα. 3. Προαπαιτούµενες γνώσεις Χηµική δοµή του DNA, γονίδιο, βιοµόρια, µικροοργανισµοί, προκαρυωτικό κύτταρο, βακτήρια, µύκητες, παραγωγή κρασιού, ζύµωση ψωµιού, παραγωγή τυριού, γιαουρτιού. 1

4. Στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της θεµατικής ενότητας ο µαθητής θα πρέπει: Να αντιλαµβάνεται ότι οι µικροοργανισµοί, βακτήρια και µύκητες, χρησιµοποιούνται από την αρχαιότητα µέχρι σήµερα για την παραγωγή τροφίµων και ποτών. Να εντάσσει γνωστά προϊόντα της καθηµερινής ζωής στο σύνολο των προϊόντων των βιοτεχνολογικών εφαρµογών. Να εντοπίζει οµοιότητες και διαφορές ανάµεσα στις παραδοσιακές και τις σύγχρονες µεθόδους και εφαρµογές της βιοτεχνολογίας. Να περιγράφει τα στάδια της διαδικασίας εισαγωγής ξένου γενετικού υλικού στο βακτηριακό πλασµίδιο και τη δηµουργία ανασυνδυασµένου DNA. Να περιγράφει σε γενικές γραµµές τη διαδικασία δηµιουργίας διαγονιδιακών φυτών και ζώων. Να αντιλαµβάνεται τις διαφορές µεταξύ γενετικά τροποποιηµένων οργανισµών και «φυσικών» οργανισµών. Να αντιλαµβάνεται τους κινδύνους για το περιβάλλον και την υγεία από τη κατανάλωση τροφίµων από γενετικά τροποποιηµένα φυτά και ζώα (µήλα, τοµάτες, σόγια, καλαµπόκι, γάλα, κρέας βοδινό, χοιρινό, κλπ). 5. ιδακτική προετοιµασία µαθητών α) Από το σχολικό βιβλίο προετοιµάστε την ενότητα 6.1, σελίδα 120 και την ενότητα 6.2 σελίδες 121-122. β) Αναζητήστε πληροφορίες από το διαδίκτυο για την βιοτεχνολογία και τις εφαρµογές της, για το ανασυνδυασµένο DNA, τη γενετική µηχανκή, τους γενετικά τροποποιηµένους οργανισµούς, διαγονιδιακά φυτά και ζώα. Στο ιστολόγιο School Biology (http://blogs.sch.gr/kekbio/) αναζητήστε πληροφορίες και υλικό. γ) Στο You Tube αναζητήστε: recombinant DNA, biotechnology, genetic engineering, genetic modification, transgenic plant and animal και επιλέγετε τα βίντεο που σχετίζονται µε την βιοτεχνολογία και τις εφαρµογές της. δ) Περιηγηθείτε στο λογισµικό της Βιολογίας Α και Γ Γυµνασίου....ότι πρέπει να γνωρίζει ο µαθητής Ο όρος Βιοτεχνολογία χρησιµοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Ούγγρο Kark Ereky το 1919, για να περιγράψει τη «διαδικασία παραγωγής προϊόντων από ακατέργαστα υλικά µε την βοήθεια ζωντανών οργανισµών». Είναι µια σύµπτυξη του όρου «Βιολογική Τεχνολογία» και αποτελεί συνδυασµό επιστήµης και τεχνολογίας µε στόχο την εφαρµογή των γνώσεων που έχουν αποκτηθεί από τη µελέτη των ζωντανών οργανισµών για την παραγωγή σε ευρεία κλίµακα προϊόντων που χρησιµοποιούνται ευρύτατα στη γεωργία, στην κτηνοτροφία, στην ιατρική, στη βιοµηχανία τροφίµων και φαρµάκων, στη µεταλλουργία, αλλά και στην προστασία του περιβάλλοντος. Βιοτεχνολογία µε την ευρεία έννοια είναι η χρήση ζωντανών οργανισµών προς όφελος του ανθρώπου και στηρίζεται κυρίως σε τεχνικές καλλιέργειας και ανάπτυξης των µικροοργανισµών και στην τεχνολογία του ανασυνδυασµένου DNA. Μερικές από τις εφαρµογές της Βιοτεχνολογίας, είναι η παραγωγή αντιβιοτικών, βιταµινών και ενζύµων, η παραγωγή µικροβιακής πρωτεΐνης και ζωοτροφών, η αλκοολική και γαλακτική ζύµωση, η µικροβιολογική µετατροπή του πετρελαίου, η βιολογική επεξεργασία αποβλήτων και η χρησιµοποίηση βακτηρίων για τον εµπλουτισµό µετάλλων. Η τεχνολογία του ανασυνδυασµένου γενετικού υλικού περιλαµβάνει όλες τις τεχνικές που οδηγούν σε µεταφορά του γενετικού υλικού από τον ένα οργανισµό στον άλλο και αποτελεί τεχνολογία αιχµής που εντάσσεται στον κλάδο των βιολογικών επιστηµών, την Γενετική Μηχανική. Ο γενετικός ανασυνδυασµός είναι 2

µια φυσική διαδικασία που παρατηρείται στους προκαρυωτικούς, αλλά και στους ευκαρυωτικούς οργανισµούς. Η Γενετική Μηχανική στηρίζει τις αρχές της σε αυτά τα φυσικά φαινόµενα, τα οποία και χρησιµοποιεί για την ανταλλαγή ή µεταφορά γενετικού υλικού µε στόχο την δηµιουργία κυττάρων ή οργανισµών µε επιθυµητά χαρακτηριστικά. Οι εφαρµογές της τεχνολογίας αυτής στην Ιατρική (παραγωγή ιντερφερόνης, ινσουλίνης, εµβολίων, κ.λ.π), αλλά και στην βελτίωση ορισµένων φυτικών και ζωικών οργανισµών είναι πολύ σηµαντικές και διαδεδοµένες, ενώ η γονιδιακή θεραπεία άρχισε ήδη να εφαρµόζεται. ΤΟ ΑΝΑΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟ DNA Η τεχνολογία του ανασυνδυασµένου DNA έδωσε την δυνατότητα της αποµόνωσης συγκεκριµένων γονιδίων από το γονιδίωµα οποιουδήποτε οργανισµού, τη µεταφορά τους από ένα οργανισµό σε κάποιο άλλο και την έκφραση αυτών των γονιδίων στα νέα κύτταρα µέσα σε µικρά χρονικά διαστήµατα. Σε αυτό το πλαίσιο η µεταφορά και έκφραση γονιδίων ευκαρυωτικών οργανισµών σε βακτήρια ήταν το εντυπωσιακότερο επίτευγµα της τελευταίας εικοσαετίας, που άνοιξε το δρόµο για τη µεταφορά γονιδίων µεταξύ των ευκαρυωτικών οργανισµών και τη δηµιουργία διαγονιδιακών ή γενετικά τροποποιηµένων φυτών και ζώων. Μια ιδιοµορφία που παρουσιάζουν πολλά βακτήρια (σε σχέση µε τα ευκαρυωτικά κύτταρα) είναι ότι περιέχουν δύο είδη DNA. To ένα είδος, που αποτελεί και τη µεγαλύτερη µάζα, είναι το χρωµοσωµικό DNA, που περιέχει τις απαραίτητες πληροφορίες για τη ζωή του κυττάρου. Το άλλο είδος είναι το πλασµιδιακό DNA (πλασµίδια), που περιέχει πληροφορίες όχι απαραίτητες αλλά χρήσιµες για την επιβίωση του βακτηρίου. Έτσι, για παράδειγµα, µερικά πλασµίδια έχουν πληροφορίες που επιτρέπουν στα βακτήρια να αναπτύσσονται παρουσία αντιβιοτικών. Τα πλασµίδια είναι κυκλικά µόρια DNA, µεγέθους που κυµαίνεται από 2.000 έως 2.000.000 αζωτούχες βάσεις και µεταφέρονται από βακτήριο σε βακτήριο µε µια διαδικασία που ονοµάζεται βακτηριακή σύζευξη, µεταβιβάζοντας ταυτόχρονα τις ιδιότητες που περιέχουν. Έτσι, τα πλασµίδια µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως φορείς της γενετικής πληροφορίας που θέλουµε να εκφραστεί στα βακτηριακά κύτταρα. Άλλα τέτοια οχήµατα µεταφοράς γενετικού υλικού είναι τα κοσµίδια (συνθετικά µόρια που αποτελούνται από πλασµιδιακό DNA και κοµµάτι DNA από τον λ βακτηριοφάγο), αλλά και το DNA διαφόρων ιών, όπως SV40, ρετροϊών, παπιλοµαϊών. Η κατασκευή του ανασυνδυασµένου πλασµιδίου γίνεται µε την ακόλουθη διαδικασία: α) Με ειδικές τεχνικές αποµονώνονται τα πλασµίδια από τα βακτήρια. β) Με τη χρήση της ίδιας περιοριστικής ενδονουκλεάσης (ένζυµο που κόβει την διπλόκλωνη αλυσίδα αφήνοντας µονόκλωνα συµπληρωµατικά άκρα), κόβεται το πλασµιδιακό DNA και η αλληλουχία του ξένου DNA που επιθυµούµε να ενσωµατώσουµε στο πλασµίδιο. γ) Το πλασµιδιακό DNA αναµιγνύεται µε το ξένο DNA, η προσέγγιση των κοµµατιών γίνεται τυχαία και η συνένωσή τους γίνεται µε τη µεσολάβηση ειδικών ενζύµων. 3

δ) Τα πλασµίδια που ενσωµάτωσαν το ξένο DNA, είναι µεγαλύτερα και βαρύτερα και µπορούν εύκολα να αποµονωθούν. ε) Με µια διαδικασία που ονοµάζεται µετασχηµατισµός τα ανασυνδυασµένα πλασµίδια εισάγονται στα βακτηριακά κύτταρα, όπου αρχίζουν να πολλαπλασιάζονται. Όταν το κύτταρο ξενιστής διπλασιάζεται, περνούν στην επόµενη γενιά αντίγραφα του ανασυνδυασµένου µορίου DNA και η διαδικασία αυτή συνεχίζεται όσο διαρκεί και η ανάπτυξη των βακτηρίων. στ) Μετά από πολλές διαδοχικές κυτταρικές διαιρέσεις, αναπτύσσεται µια αποικία βακτηρίων, ένας κλώνος, το κάθε κύτταρο του οποίου περιέχει ένα τουλάχιστον µόριο του ανασυνδυασµένου DNA, οπότε και λέµε ότι το γονίδιο που µας ενδιέφερε κλωνοποιήθηκε. Με το τρόπο αυτό κλωνοποιήθηκαν και παράγονται µαζικά η ανθρώπινη αυξητική ορµόνη, η ερυθροποιητίνη, η ορµόνη ινσουλίνη, η ιντερφερόνη και το εµβόλιο για τον ιό της ηπατίτιδας Β, φαρµακευτικά σκευάσµατα µε τεράστια σηµασία στην θεραπεία συγκεκριµένων ασθενειών. Επίσης, µε τεχνητό ανασυνδυασµό του DNA έγινε κατορθωτή η δηµιουργία διαγονιδιακών ή γενετικά τροποποιηµένων φυτών και ζώων, που έχουν αποκτήσει ειδικές ιδιότητες, όπως η ανθεκτικότητα στα έντοµα, στα ζιζανιοκτόνα και τα αντιβιοτικά, η αντοχή στον παγετό, η ταχύτερη ανάπτυξη, η παραγωγή φαρµακευτικών πρωτεϊνών, κ.λ.π. Τι είναι Βιοαντιδραστήρες Βιοαντιδραστήρες είναι κατασκευές στις οποίες επιτελούνται βιοµηχανικές διεργασίες υλικών µε τη δράση ζωντανών κυττάρων (π.χ. µικροοργανισµών) ή ενζύµων. Οι βιοαντιδραστήρες διακρίνονται σε: 4

σε εκείνους όπου γίνονται ζυµώσεις µε ζωντανά κύτταρα και σε αυτούς που επιτελούνται διεργασίες µε χρήση βιολογικών συστηµάτων, π.χ. ένζυµα. Χρήση µικροοργανισµών στη Βιοτεχνολογία Βιοαντιδραστήρες για παραγωγή προϊόντων. Παρασκευή εµβολίων και αντιβιοτικών. Παραγωγή γενετικά τροποποιηµένων φυτών και ζώων. Βιο-αποικοδόµηση και αποκατάσταση περιβάλλοντος. Γενετική Μηχανική: ηµιουργία διαγονιδιακών ή γενετικά τροποποιηµένων οργανισµών, φυτών και ζώων. 5

- Καταπολέµηση παρασίτων και εντόµων Αποτελεσµατική προστασία καλλιεργειών από έντοµα και ζιζάνια. Προϊόντα µε µεγαλύτερη διάρκεια ζωής από το χωράφι έως τον καταναλωτή Εισαγωγή του γονιδίου που εκφράζει την τοξίνη σε φυτά (καλαµπόκι) Bacillus thuringiensis Ζει στο έδαφος Παράγει µια τοξίνη 80.000 φορές ισχυρότερη από πολλά εντοµοκτόνα, που σκοτώνει έντοµα και σκουλήκια Ψεκασµός φυτών µε το βακτήριο ιαγονιδιακά ζώα 6. Παρουσίαση στην τάξη Πλεονεκτήµατα έναντι κλασικής µεθόδου διασταυρώσεων: Α) Επιλογή και προσθήκη µόνο επιθυµητών ιδιοτήτων µε ταυτόχρονη διατήρηση των παλαιών επιθυµητών χαρακτηριστικών. Β) Ταχύτατη παραγωγή βελτιωµένων φυτών και ζώων σε σχέση µε παραδοσιακές µεθόδους. Αξιοποιείστε το διαδικτυακό υλικό και προετοιµάστε την παρουσίασή σας προφορικά χρησιµοποιώντας εποπτικό υλικό. Η παρουσίαση συµπληρώνεται και γίνεται πληρέστερη µε την παρέµβαση των υπολοίπων µαθητών της οµάδας και του καθηγητή. Το τελευταίο 20λεπτο της 2ης διδακτικής ώρας οι µαθητές απαντούν σε ερωτήσεις του φύλλου αξιολόγησης. 7. ραστηριότητες στη τάξη α) Γίνεται συζήτηση για την βιοτεχνολογία και τις εφαρµογές της. Οι µαθητές παραθέτουν σχετικές πληροφορίες και εκφράζουν τα επιχειρήµατά τους για την ορθή χρήση της νέας τεχνολογίας. 6

β) Να βάλετε σε κύκλο το γράµµα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση ή στη φράση που συµπληρώνει σωστά την πρόταση : 1. Η Βιοτεχνολογία χρησιµοποιεί διαδικασίες µε τις οποίες εισάγονται νέες ιδιότητες στους οργανισµούς. Για τις διαδικασίες αυτές χρησιµοποιούνται: α. ένζυµα ελικάσες β. πλασµίδια γ. DNA πολυµεράσες δ. ολόκληρο το γονιδίωµα των βακτηρίων. 2. Ως βιοτεχνολογική διαδικασία θεωρείται η: α. εισαγωγή νέων γονιδίων στα φυτά β. διαδικασία σύνθεσης χηµικών εντοµοκτόνων γ. διαδικασία παραγωγής πετρελαίου δ. διαδικασία παρασκευής πλαστικών. 3. Με τη Βιοτεχνολογία µπορεί να παραχθούν προϊόντα όπως: α. µπίρα, κρασί, τυρί, µαγιά β. χηµικά εντοµοκτόνα γ. ασπιρίνη δ. καύσιµα ενεργειακά υλικά. 4. Οι µικροοργανισµοί είναι: α. πάντα βλαβεροί για τον άνθρωπο β. πάντα ωφέλιµοι για τον άνθρωπο γ. ορισµένοι είναι βλαβεροί και ορισµένοι είναι ωφέλιµοι δ. πάντοτε παθογόνοι. 5. Τα γενετικά τροποποιηµένα βακτήρια: α. υπάρχουν φυσιολογικά ελεύθερα στη φύση β. είναι αυτά στα οποία ο άνθρωπος έχει εισαγάγει νέες γενετικές πληροφορίες γ. παράγουν τις ίδιες πρωτεΐνες µε τον άνθρωπο δ. δεν απαιτούν αποστείρωση για την καλλιέργειά τους. 6. Η ανθρώπινη ινσουλίνη που χρησιµοποιούν σήµερα οι διαβητικοί προέρχεται από: α. ανθρώπινα κύτταρα β. κύτταρα θηλαστικών γ. την εργαστηριακή σύνθεση των αµινοξέων που την αποτελούν δ. γενετικά τροποποιηµένα βακτήρια. 7. Μεταξύ των προϊόντων της Βιοτεχνολογίας περιλαµβάνονται: α. οι βενζίνες β. τα χηµικά εντοµοκτόνα γ. το κρασί δ. το φυσικό καουτσούκ 8. Τροποποιηµένος γενετικά οργανισµός σηµαίνει ότι έχει: α. διασταυρωθεί µε ένα άλλο οργανισµό µε βελτιωµένες ιδιότητες β. εισαχθεί στο DNA του όλο το DNA από ένα άλλο οργανισµό, που ανήκει αποκλειστικά στο ίδιο είδος µε αυτόν. γ. εισαχθεί στο DNA του κάποιο γονίδιο, που του προσφέρει νέες ιδιότητες. δ. εισαχθεί στο DNA του κάποιο γονίδιο συνδεδεµένο πάνω σε ένα ειδικό φορέα. γ) Λογισµικό Βιολογίας Βιοτεχνολογία: παιχνίδι 2 7

Γυµνάσιο Κερατέας Μάθηµα: Βιολογία Γ Γυµνασίου Ηµεροµηνία: Ονοµατεπώνυµο: Τµήµα: ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ 7 Γενετική µηχανική. Εφαρµογές της Βιοτεχνολογίας στη Γεωργία - Κτηνοτροφία Θέµα 1 ο α) Να τοποθετήσετε στη σωστή σειρά τις φράσεις έτσι ώστε να προκύπτει η διαδικασία δηµιουργίας διαγονιδιακού ζώου: Α. έλεγχος των απογόνων για την ύπαρξη του γονιδίου, Β. αποµόνωση γονιµοποιηµένων ωαρίων, Γ. η πρωτεΐνη αποµονώνεται από το γάλα των θηλυκών ζώων,. γονίδιο που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη, Ε. διασταύρωση των απογόνων που φέρουν το γονίδιο, Στ. εισαγωγή γονιδίου στο γονιµοποιηµένο ωάριο, Ζ. µεταφορά γονιµοποιηµένων ωαρίων που περιέχουν το γονίδιο σε θετή µητέρα. Μονάδες 3 β) Να γράψετε τέσσερα τρόφιµα και ποτά και τέσσερα φάρµακα και εµβόλια που έχουν παραχθεί µε τη βοήθεια της γενετικής µηχανικής. Μονάδες 4 Θέµα 2 ο Να επιλέξετε από τις προτεινόµενες φράσεις αυτή που συµπληρώνει σωστά τις παρακάτω προτάσεις: 1) Η βιοτεχνολογία άρχισε να εφαρµόζεται: α. µετά τη βιοµηχανική επανάσταση (18 ος αιώνας) β. µετά την ανακάλυψη της δοµής του µορίου του DNA από τους Watson και Crick. γ. µετά την ανακάλυψη της τεχνικής του ανασυνδυασµένου DNA δ. από χιλιάδες χρόνια προ Χριστού 2) Η Βιοτεχνολογία ορίζεται σαν, α. η τεχνική καλλιέργειας και ανάπτυξης µικροοργανισµών β. ο συνδυασµός της Επιστήµης µε την Τεχνολογία γ. η χρήση ζωντανών οργανισµών προς όφελος του ανθρώπου δ. η παραγωγή προϊόντων από ζωντανούς οργανισµούς Μονάδες 4 8

3) Θα µπορούσε να αναπτυχθεί η τεχνολογία του ανασυνδυασµένου DΝΑ, αν ο γενετικός κώδικας δεν ήταν ίδιος σε όλους τους οργανισµούς; Αιτιολογήστε την απάντηση σας. Μονάδες 3 Θέµα 3 ο α) Να συµπληρώσετε τα κενά στο κείµενο που ακολουθεί: Η είναι µια ορµόνη που παράγεται από το πάγκρεας. Μέχρι πρόσφατα την παίρναµε από το πάγκρεας και µετά τη σφαγή. Τα µειονεκτήµατα της µεθόδου αυτής είναι: το παραγωγής, η µικρή και η εµφάνιση. Σήµερα η ορµόνη παράγεται µε την τεχνολογία του DNA. Με παρόµοιο τρόπο παράγονται και πολλές άλλες που χρησιµοποιούνται σε ιατρικούς ή εµπορικούς σκοπούς. Μονάδες 4 β) Αντιστοιχείστε τις έννοιες της πρώτης στήλης µε τις προτάσεις της δεύτερης στήλης: α. Εισαγωγή ανασυνδυασµένου DNA σε κύτταρο 1. Γενετική µηχανική ξενιστή β. Τεχνικές παρέµβασης του ανθρώπου στο 2. Μετασχηµατισµός γενετικό υλικό γ. Επιλογή βακτηριακού κλώνου που περιέχει το 3. Κλωνοποίηση επιθυµητό τµήµα DNA δ. Κατασκευή µεγάλου αριθµού βακτηρίων µε όµοιες ιδιότητες Μονάδες 2 Καλή επιτυχία 9

Γυµνάσιο Κερατέας Μάθηµα: Βιολογία Γ Γυµνασίου Ηµεροµηνία: Ονοµατεπώνυµο: Τµήµα: ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 8 1. Τίτλος Κλωνοποίηση - Γονιδιακή θεραπεία Εφαρµογές στην Ιατρική. Βιοηθική. 2. Εµπλεκόµενες γνωστικές περιοχές Βιολογία, Χηµεία, Περιβαλλοντική εκπαίδευση, Βιοτεχνολογία, Κληρονοµικότητα, Ασθένειες. Λέξεις κλειδιά Ανασυνδυασµένο DNA, γενετική µηχανική, γενετικά τροποποιηµένοι οργανισµοί, κλωνοποίηση, γονιδιακή θεραπεία, in vivo, ex vivo, χαρτογράφηση ανθρώπινου γονιδιώµατος, βλαστοκύτταρα, βιοηθική. 3. Προαπαιτούµενες γνώσεις Χηµική δοµή του DNA, γονίδιο, βιοµόρια, µικροοργανισµοί, προκαρυωτικό κύτταρο, βακτήρια, πλασµίδια, ανασυνδυασµένο DNA, µικροέγχυση, διαγονιδιακά ζώα. 4. 10

Στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της θεµατικής ενότητας ο µαθητής θα πρέπει: Να περιγράφει τη διαδικασία δηµιουργίας κλωνοποιηµένων οργανισµών και την αναγκαιότητα που ώθησε τους επιστήµονες στη δηµιουργία κλώνων. Να αντιλαµβάνεται την συµβολή των βιοτεχνολογικών µεθόδων στην ιατρική για την έγκαιρη διάγνωση, την πρόληψη και την αποτελεσµατική θεραπεία ασθενειών. Να συσχετίζει τις γονιδιακές µεταλλάξεις µε τις ασθένειες και τη δυνατότητα θεραπείας των ασθενειών αυτών µε τη µεταφορά φυσιολογικών γονιδίων στον ασθενή. Να αντιλαµβάνεται ότι η γονιδιακές θεραπείες είναι το σύνολο των τεχνικών που έχουν σκοπό τη επιδιόρθωση ελαττωµατικών γονιδίων που είναι υπεύθυνα για την εµφάνιση νοσηµάτων Να περιγράφει σε γενικές γραµµές τη διαδικασία της in vivo και ex vivo γονιδιακής θεραπείας Να αντιλαµβάνεται την σηµασία της αποκρυπτογράφησης του ανθρώπινου γονιδιώµατος. Να αντιµετωπίζει µε κριτική σκέψη τα αποτελέσµατα από τις εφαρµογές της βιοτεχνολογίας στους διάφορους τοµείς της καθηµερινής ζωής και να διατυπώνει επιχειρήµατα, την άποψή του, θετική ή αρνητική, γι αυτά. 5. ιδακτική προετοιµασία µαθητών α) Από το σχολικό βιβλίο προετοιµάστε την ενότητα 6.2, σελίδα 123-124 και την ενότητα 6.3 σελίδα 126. β) Αναζητήστε πληροφορίες από το διαδίκτυο για την κλωνοποίηση, την παραγωγή φαρµακευτικών πρωτεϊνών και εµβολίων, την γονιδιακή θεραπεία ασθενειών, την βιοηθική. Στο ιστολόγιο School Biology (http://blogs.sch.gr/kekbio/) αναζητήστε πληροφορίες και υλικό. γ) Στο You Tube αναζητήστε: clone, cloning of Dolly, recombinant DNA technology in the synthesis of Human insulin, pharmaceutical proteins from transgenic animals, genes therapy, bioethics και επιλέγετε τα βίντεο που σχετίζονται µε τις εφαρµογές της βιοτεχνολογίας στην Ιατρική. δ) Περιηγηθείτε στο λογισµικό της Βιολογίας Α και Γ Γυµνασίου....ότι πρέπει να γνωρίζει ο µαθητής 11

Ιντερφερόνες: Αντιικές πρωτεΐνες, που παράγονται από κύτταρα που έχουν µολυνθεί από ιούς. ρουν και ως αντικαρκινικοί παράγοντες. Η παραγωγή τους µε κλωνοποίηση γίνεται µε παρόµοιο τρόπο µε αυτό της ινσουλίνης. Μονοκλωνικά αντισώµατα: Η φύση έχει φτιάξει ένα τέλειο φάρµακο, το αντίσωµα. Ο οργανισµός µας είναι ικανός να παράγει αντισώµατα εναντίον κάθε ξένου αντιγόνου. Στην πραγµατικότητα το κάθε αντίσωµα αναγνωρίζει µόνο µία περιοχή του αντιγόνου που ονοµάζεται αντιγονικός καθοριστής και παράγεται από µία οµάδα όµοιων Β-λεµφοκυττάρων που αποτελούν έναν κλώνο. Τα αντισώµατα που παράγονται από έναν κλώνο Β-λεµφοκυττάρων ονοµάζονται µονοκλωνικά. Χρησιµοποιούνται: Ανοσοδιαγνωστικά σε ποικίλες ασθένειες, αύξηση ευαισθησία κλινικών δοκιµασιών, τυποποίηση οµάδων αίµατος, εξακρίβωση κύησης, αντιγόνα ιστοσυµβατότητας. Θεραπευτικά στην θεραπεία του καρκίνου. Μεταφορείς ισχυρών αντικαρκινικών φαρµάκων. Μεταµοσχεύσεις: στην τυποποίηση των αντιγόνων ιστοσυµβατότητος. 12

Γονιδιακή θεραπεία: Περισσότερες από 4000 ασθένειες οφείλονται σε γονιδιακές µεταλλάξεις. Οφείλονται σε ένα (µονογονιδιακές) ή σε περισσότερα γονίδια σε συνδυασµό πολλές φορές µε τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Όλες σχεδόν οι γενετικές ασθένειες προκαλούν δυσµορφίες και το 80% όλων διανοητική καθυστέρηση, το 1/5 από αυτές θάνατο στην παιδική ηλικία. Η τεχνολογία του ανασυνδυασµένου DNA, οι κλασσικές µέθοδοι των γενεαλογικών δένδρων, οδήγησε στην χαρτογράφηση πολλών µεταλλαγµένων γονιδίων. Ορισµένα από αυτά κλωνοποιήθηκαν και ταυτοποιήθηκαν η ακριβείς µεταλλάξεις. Σήµερα έχουν χαρτογραφηθεί και κλωνοποιηθεί τα γονίδια των οποίων οι µεταλλάξεις είναι υπεύθυνες για ασθένειες όπως η κυστική ίνωση, η ασθένεια του Huntington και η µυϊκή δυστροφία Duchenne. Προϋπόθεση για την εφαρµογή της γονιδιακής θεραπείας είναι εκτός από την κλωνοποίηση του γονιδίου και ο προσδιορισµός των κυττάρων που εµφανίζουν την ασθένεια. Ex vivo γονιδιακή θεραπεία: 1990 σε ένα τετράχρονο κορίτσι που παρουσίαζε έλλειψη του ενζύµου απαµινάση της αδενοσίνης (ADA).Η ασθένεια κληρονοµείται µε αυτοσωµικό υπολειπόµενο τρόπο. In vivo γονιδιακή θεραπεία: Anderson και συνεργάτες ανέπτυξαν έξυπνους φορείς, που προσβάλλουν τα κύτταρα του ιστού που πάσχει. Θεραπεία της κυστικής ίνωσης 1993. Η ασθένεια παρουσιάζει υπολειπόµενη αυτοσωµική κληρονοµικότητα και επηρεάζει την λειτουργία των πνευµόνων. Το υγιές γονίδιο ενσωµατώθηκε σε αδενοϊό που µόλυνε στη συνέχεια τα κύτταρα του αναπνευστικού συστήµατος. Το 13

γονίδιο ενσωµατώθηκε στο γονιδίωµα των κυττάρων του πνεύµονα και παρήγαγε φυσιολογικό προϊόν. Θεραπεία κυστικής ίνωσης 1993. Σύστηµα που εφαρµόστηκε από τον Anderson και συν µε την ανάπτυξη «έξυπνων» φορέων. Η γονιδιακή θεραπεία περιορισµένη εφαρµογή στο άµεσο µέλλον, αφού οι φορείς µπορεί να προκαλέσουν παρενέργειες και σε ορισµένες περιπτώσεις καρκίνο. Πρόγραµµα ανθρώπινου γονιδιώµατος. Ξεκίνησε το 1990 η διεθνής συνεργασία για την αποκρυπτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώµατος και ολοκληρώθηκε το 2001. Η ανάλυση του ανθρώπινου γονιδιώµατος θα συµβάλλει: στη µελέτη της οργάνωσης και λειτουργίας του ανθρώπινου γονιδιώµατος, στην ανάπτυξη µεθοδολογίας για τη διάγνωση και τη θεραπεία των ασθενειών, στη µελέτη της εξέλιξης του ανθρώπινου γονιδιώµατος, στην µαζική παραγωγή προϊόντων, µε τις βιοτεχνολογικές µεθόδους. Η έννοια της κλωνοποίησης σχετίζεται µε τη δηµιουργία πανοµοιότυπων γονιδίων, κυττάρων ή οργανισµών. Την κλωνοποίηση γονιδίων, την αναλύσαµε στην παράγραφο για το ανασυνδυασµένο γενετικό υλικό. Η κλωνοποίηση κυττάρων είναι µια διαδικασία όπου ένα B-λεµφοκύτταρο, που είναι υπεύθυνο για την παραγωγή ενός συγκεκριµένου αντισώµατος, συντήκεται µε ένα καρκινικό κύτταρο δηµιουργώντας ένα υβριδικό «αθάνατο» κύτταρο που µπορεί να παράγει το συγκεκριµένο αντίσωµα σε µεγάλες ποσότητες. Με τον τρόπο αυτό γίνεται η παραγωγή µονοκλωνικών αντισωµάτων. Η κλωνοποίηση οργανισµού, είχε επιτευχθεί από τη δεκαετία του 1960, όπου είχαν παραχθεί αµφίβια µε την ίδια διαδικασία. Η ιδέα είναι πολύ απλή αφού αν από το ωάριο αφαιρεθεί ο πυρήνας και αντικατασταθεί µε τον πυρήνα ενός σωµατικού κυττάρου, τότε ο οργανισµός που θα γεννηθεί θα περιέχει το γενετικό υλικό του δότη του σωµατικού 14

κυττάρου, θα είναι δηλαδή πανοµοιότυπο αντίγραφο. Οι δυσκολίες που υπήρχαν για τα θηλαστικά ήταν ότι τα σωµατικά κύτταρα είναι έντονα διαφοροποιηµένα, µικρό µέρος του γονιδιακού δυναµικού τους εκφράζεται, η χρωµατίνη είναι υπερσυµπυκνωµένη και ο πυρήνας δεν µπορεί να ενεργοποιηθεί για να δώσει το νέο οργανισµό. Το 1997 η ερευνητική οµάδα από το Ινστιτούτο Roselin του Εδιµβούργου της Σκωτίας ανακοίνωσε τη δηµιουργία του πρώτου κλωνοποιηµένου θηλαστικού, ενός προβάτου που το ονόµασαν Dolly. Oι ερευνητές δοκίµασαν πάνω από 700 κύτταρα µαστού µιας προβατίνας 6 ετών έως ότου ένα κύτταρο από αυτά, που δεν ήταν πλήρως διαφοροποιηµένο, κατορθώσει να δώσει έµβρυο. Από το σωµατικό κύτταρο µαστού µετά από µερικές διαιρέσεις αφαιρούσαν τους πυρήνες και τους τοποθετούσαν µε κυτταρική σύντηξη σε αντίστοιχα ωάρια που προέρχονταν από άλλη προβατίνα, από τα οποία είχαν αφαιρέσει µε µικροπιπέτα τον πυρήνας τους. Το ωοκύτταρο µε τον πυρήνα από το σωµατικό κύτταρο διαιρείται µετά από ηλεκτρική διέγερση δίνοντας έµβρυο 3 ή 4 διαιρέσεων. Τα έµβρυα εµφυτεύονται στη µήτρα τρίτου προβάτου («θετή µητέρα»), όπως ακριβώς συµβαίνει µε την εξωσωµατική γονιµοποίηση. Με αυτή τη διαδικασία ένα έµβρυο κατόρθωσε να αναπτυχθεί και να δώσει τελικά τη διάσηµη Dolly. Σχεδόν ταυτόχρονα άλλες ερευνητικές οµάδες ανακοίνωσαν τη δηµιουργία κλωνοποιηµένων µοσχαριών, χοίρων, προβάτων. Μετά από 3 σχεδόν χρόνια ο αρχικός ενθουσιασµός 15

έδωσε τη θέση του στον έντονο προβληµατισµό. Η Dolly φαίνεται γερασµένη, το γενετικό της υλικό µε συσσωρευµένες βλάβες από την προηγούµενη ζωή του, δεν είναι ικανό να προωθήσει τις ανάγκες της νέας ζωής. Τα ηθικά, κοινωνικά και νοµικά προβλήµατα που προκύπτουν από την εφαρµογή της κλωνοποίησης στον άνθρωπο, που είναι πιθανό να επιχειρηθεί στο µέλλον είναι πραγµατικά τεράστια. Όλα όσα ξέραµε για τη δηµιουργία της καινούργιας ζωής ανατρέπονται αφού η σύµπραξη του θηλυκού µε το αρσενικό δεν είναι πλέον απαραίτητη. Οποιοσδήποτε µπορεί να δηµιουργήσει αντίγραφα του εαυτού του, για να ικανοποιήσει την µαταιοδοξία του, µε ότι αυτό συνεπάγεται. Είναι ανάγκη λοιπόν να θωρακιστεί η κοινωνία µας από τέτοιου είδους επιλογές και να χρησιµοποιηθεί η νέα τεχνολογία προς όφελος του ανθρώπου. Για παράδειγµα η κλωνοποίηση διαγονιδιακών ζώων που παράγουν τον ανθρώπινο παράγοντα πήξης του αίµατος ή την α 1 -αντιθρυξίνη, θα οδηγήσει σε µείωση του κόστους των αντίστοιχων φαρµάκων. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η δηµιουργία ενός διαγονιδιακού ζώου που παράγει τον παράγοντα πήξης κοστίζει 300-600 εκατοµµύρια δραχµές. Η δηµιουργία πολλαπλών αντιγράφων του ζώου αυτού θα έχει ως αποτέλεσµα την παραγωγή ακόµη µεγαλυτέρων ποσοτήτων φαρµάκου µε χαµηλότερο κόστος. Οι µεγάλες φαρµακοβιοµηχανίες έχουν επενδύσει πολλά χρήµατα στη νέα τεχνολογία και βέβαια αναµένουν τεράστια κέρδη τα επόµενα χρόνια. ΒΛΑΣΤΟΚΥΤΤΑΡΑ 16

6. Παρουσίαση στην τάξη Αξιοποιείστε το διαδικτυακό υλικό και προετοιµάστε την παρουσίασή σας προφορικά χρησιµοποιώντας εποπτικό υλικό. Η παρουσίαση συµπληρώνεται και γίνεται πληρέστερη µε την παρέµβαση των υπολοίπων µαθητών της οµάδας και του καθηγητή. Το τελευταίο 20λεπτο της 2ης διδακτικής ώρας οι µαθητές απαντούν σε ερωτήσεις του φύλλου αξιολόγησης. 7. ραστηριότητες στη τάξη α) Το γονίδιο της κυστικής ίνωσης, που εισήχθη µε αδενοϊό, δεν πέρασε σε όλα τα κύτταρα της ασθενούς που µολύνθηκαν από αυτόν. Εάν η ασθενής αποκτήσει απογόνους, τότε αυτοί έχουν µικρή πιθανότητα να πάσχουν από κυστική ίνωση. ώστε µια πιθανή εξήγηση. β) Να χαρακτηρίσετε µε Σ (σωστό ) ή µε Λ (λάθος) τις παρακάτω προτάσεις: 1. Η γονιδιακή θεραπεία στηρίζεται στην ανάπτυξη της τεχνολογίας του ανασυνδυασµένου DNA. 2. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας του ανασυνδυασµένου DNA παράγονται πολλές πρωτεΐνες αλλά σε µικρές ποσότητες και µε µεγάλο κόστος. 3. Η γονιδιακή θεραπεία, όταν εφαρµόζεται στο ζυγωτό κύτταρο, δε µεταβιβάζεται στους απογόνους. 4. Η γονιδιακή θεραπεία, όταν εφαρµόζεται σε ορισµένα σωµατικά κύτταρα ασθενών, δε µεταβιβάζεται στους απογόνους. 5. Τα αντισώµατα είναι πρωτεϊνικά µόρια που παράγονται από τα Β λεµφοκύτταρα του ανοσοποιητικού µας συστήµατος. 6. Ένας κλώνος Β λεµφοκυττάρων µπορεί να παράγει πολλά διαφορετικά αντισώµατα. 7. Το αντίσωµα, που παράγεται από έναν κλώνο Β λεµφοκυττάρων, ονοµάζεται µονοκλωνικό. 8. Με τη γονιδιακή θεραπεία αντιµετωπίζονται ασθένειες, που οφείλονται σε µικροοργανισµούς οι οποίοι είναι ανθεκτικοί στα εµβόλια. 9. Εx vivo γονιδιακή θεραπεία, είναι ο τρόπος θεραπείας κατά τον οποίο τα κύτταρα ενός οργανισµού τροποποιούνται µε έξυπνους φορείς µέσα στον ίδιο τον οργανισµό. 10. Η Βιοτεχνολογία συµβάλλει στη διάγνωση, πρόληψη και θεραπεία πολλών ασθενειών. 11. Η ινσουλίνη είναι µια ορµόνη, η οποία παράγεται σε µεγάλες ποσότητες και µε µικρό κόστος από την εκχύλιση ιστών παγκρέατος των βοοειδών. 12. Τα µονοκλωνικά αντισώµατα χρησιµοποιούνται ως διαγνωστικά για την ανίχνευση ασθενειών. 13. Τα µονοκλωνικά αντισώµατα δεν χρησιµοποιούνται για την καταστροφή καρκινικών κυττάρων, διότι στην εξωτερική επιφάνεια αυτών δεν υπάρχουν αντιγόνα. 14. Η χειρουργική επέµβαση για την αφαίρεση καρκινικών κυττάρων είναι προτιµότερη από την καταστροφή αυτών, µε τη χορήγηση των κατάλληλων µονοκλωνικών αντισωµάτων. 15. Τα αντιβιοτικά παράγονται από τα Β λεµφοκύτταρα του ανοσοποιητικού µας συστήµατος. γ) Λογισµικό Βιολογίας - Εφαρµογή της Βιοτεχνολογίας στην Ιατροδικαστική. 17

Γυµνάσιο Κερατέας Μάθηµα: Βιολογία Γ Γυµνασίου Ηµεροµηνία: Ονοµατεπώνυµο: Τµήµα: ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ 8 Κλωνοποίηση - Γονιδιακή θεραπεία Εφαρµογές στην Ιατρική. Βιοηθική. Θέµα 1 ο α) Τα παρακάτω εικονιζόµενα ζώα συµµετέχουν σε διάφορα στάδια της διαδικασίας της κλωνοποίησης. Εξηγήστε σε ποιο στάδιο συµµετέχει το καθένα και ποιου προβάτου κλώνο αποτελεί το ζώο που θα γεννηθεί. ότης ωαρίων Αρνάκι ότης µαστικών κυττάρων «θετή» µητέρα Μονάδες 4 β) Να χαρακτηρίσετε µε Σ (σωστό) ή µε Λ (λάθος) τις παρακάτω προτάσεις: 1. Η «γονιδιακή θεραπεία», όταν εφαρµόζεται στο ζυγωτό, δεν µεταβιβάζεται στους απογόνους. 2. Με τη γονιδιακή θεραπεία αντιµετωπίζονται ασθένειες, που οφείλονται σε µικροοργανισµούς, οι οποίοι είναι ανθεκτικοί στα εµβόλια. 3. Ένας κλώνος Β λεµφοκυττάρων µπορεί να παράγει πολλά διαφορετικά αντισώµατα. 4. Τα τελευταία χρόνια µε την χαρτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώµατος έχουµε εντοπίσει τα περισσότερα γονίδια του ανθρώπου. Μονάδες 2 18

Θέµα 2 ο Να επιλέξετε από τις προτεινόµενες φράσεις αυτή που συµπληρώνει σωστά τις παρακάτω προτάσεις: 1) Η ινσουλίνη παράγεται σε µεγάλες ποσότητες και µε µικρό κόστος από: α) εκχύλιση ιστών του παγκρέατος των βοοειδών β) βακτήρια µε την τεχνολογία του ανασυνδυασµένου DNA γ) µύκητες µε σύγχρονες χηµικές µεθόδους διαχωρισµού δ) τον ερυθρό µυελό των οστών µε εκχύλιση. 2) Με τη γονιδιακή θεραπεία στοχεύουµε: α) στην δηµιουργία φυσιολογικών γονιδίων µε την τεχνολογία του ανασυνδυασµένου DNA. β) στη µεταµόσχευση υγιών οργάνων για την αντικατάσταση των παθολογικών. γ) στην εισαγωγή του φυσιολογικού γονιδίου στον ασθενή, ώστε να εξασφαλίζεται η οµαλή λειτουργία του οργανισµού. δ) στον εµβολιασµό προκειµένου να παραχθούν αντισώµατα που θα καταπολεµήσουν την ασθένεια 3) Με τη γονιδιακή θεραπεία: α) παράγονται µονοκλωνικά αντισώµατα. β) γίνεται προσπάθεια αποκατάστασης της γενετικής βλάβης. γ) παράγονται νέα αντιβιοτικά. δ) γίνεται ανίχνευση ουσιών που δρουν ως αντιγόνα. Μονάδες 6 4) Αντιστοιχείστε τις έννοιες της πρώτης στήλης µε τις προτάσεις της δεύτερης στήλης: Ι ΙΙ Α...Μικροέγχυση 1. Πρωτεΐνη που ρυθµίζει τη γλυκόζη του αίµατος. Β...Ζυγωτό 2. Μέθοδος εισαγωγής ξένου γονιδίου σε ένα...ινσουλίνη κύτταρο. Ε...Ιντερφερόνη 3. Γονιµοποιηµένο ωάριο. Θέµα 3 ο Μονάδες 2 α) Να συµπληρώσετε τα κενά στο κείµενο που ακολουθεί: Με την του ανθρώπινου γονιδιώµατος κατορθώθηκε να εντοπιστεί η θέση κάθε στα χρωµοσώµατα. Η αξιοποίηση αυτών των γνώσεων δίνει τη δυνατότητα ακριβούς ή και, αλλά και την ελπίδα της γονιδιακής θεραπείας. Χαρακτηριστικό παράδειγµα ορµόνης που παράγεται µε τη βοήθεια της γενετικής µηχανικής είναι η. Για την παραγωγή της χρησιµοποιούνται γενετικά βακτήρια. Μονάδες 3 β) Να αναφέρετε ονοµαστικά τρεις τεχνικές, που χρησιµοποιεί η Βιοτεχνολογία για την παρασκευή αποτελεσµατικών εµβολίων, µονοκλωνικών αντισωµάτων και άλλων φαρµακευτικών προϊόντων. Καλή επιτυχία Μονάδες 3 19