Микробиология и биотехнология. Биомедицина и биоинформатика

Разбор темы

Бактерии

Прокариоты размером 1–10 мкм. Формы: кокки (шаровидные; стрептококки — цепочкой, стафилококки — гроздью), бациллы (палочки), спириллы (спиральные), вибрионы (запятая, холерный вибрион).

Строение: клеточная стенка (муреин), иногда капсула, мембрана, цитоплазма с рибосомами, нуклеоид (кольцевая ДНК), плазмиды, жгутики, пили.

Размножение делением надвое — в благоприятных условиях каждые 20–30 минут. В неблагоприятных образуют споры, выдерживающие кипячение и высушивание.

По питанию: автотрофы (цианобактерии, хемосинтетики) и гетеротрофы (сапротрофы, паразиты, симбионты). По отношению к кислороду: аэробы и анаэробы.

Значение: круговорот веществ (гниение, азотфиксация), пищевая промышленность (молочнокислые бактерии — кефир, йогурт, сыр, квашение), биотехнология; возбудители болезней — туберкулёз (палочка Коха), холера, чума, дифтерия, ангина, столбняк.

Вирусы

Открыл Д. И. Ивановский (1892) на табачной мозаике. Вирусы — неклеточная форма жизни: нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) + белковая оболочка (капсид), у некоторых — внешняя липидная оболочка.

Вне клетки не проявляют признаков жизни (можно кристаллизовать); размножаются только внутри клетки хозяина, используя её рибосомы и ферменты — облигатные внутриклеточные паразиты.

Бактериофаг: головка с ДНК, хвостовой отросток и нити. Прикрепляется к бактерии, впрыскивает ДНК, в клетке собираются сотни новых фагов, клетка лопается. Фаги применяют для лечения бактериальных инфекций.

ВИЧ — ретровирус: РНК и фермент обратная транскриптаза (синтезирует ДНК на матрице РНК). Поражает T-хелперы иммунной системы и вызывает СПИД. Пути передачи — через кровь, половым путём, от матери ребёнку.

Вирусные болезни человека: грипп, корь, краснуха, ветряная оспа, гепатиты, бешенство, COVID-19. Антибиотики на вирусы не действуют.

Микроскопические грибы

Дрожжи — одноклеточные грибы, размножаются почкованием; спиртовое брожение используется в хлебопечении и виноделии.

Плесневые грибы: мукор (белая плесень на хлебе), пеницилл (сизо-зелёная плесень — источник пенициллина), аспергилл. Некоторые выделяют ядовитые микотоксины.

Паразитические микроскопические грибы вызывают болезни растений (головня, ржавчина, фитофтороз) и человека (грибковые поражения кожи и ногтей).

Генная инженерия

Этапы: выделение нужного гена (или синтез по иРНК с помощью обратной транскриптазы) → вырезание рестриктазами → встраивание в вектор (плазмиду) и сшивание лигазой → введение рекомбинантной ДНК в клетку-хозяина → отбор клеток, получивших ген, и их размножение.

Пример: ген инсулина человека встроили в кишечную палочку — так получают инсулин для больных диабетом (с конца 1970-х). Так же производят гормон роста, интерферон, вакцину против гепатита B.

ГМО-растения: устойчивость к вредителям (Bt-кукуруза) и гербицидам, «золотой рис» с провитамином A.

ПЦР (полимеразная цепная реакция, К. Муллис, 1983): многократное копирование выбранного участка ДНК. Каждый цикл удваивает число копий: за 30 циклов из одной молекулы — около миллиарда. Применяют в диагностике инфекций, криминалистике, установлении родства.

Клеточная инженерия и клонирование

Культура клеток и тканей: выращивание клеток вне организма на питательных средах; клональное микроразмножение растений (безвирусный картофель).

Гибридомы — слияние лимфоцита с опухолевой клеткой для получения моноклональных антител.

Клонирование животных: ядро соматической клетки пересаживают в яйцеклетку без ядра. Овца Долли (1996, Шотландия) — первое клонированное млекопитающее.

Стволовые клетки — неспециализированные клетки, способные делиться и превращаться в разные типы клеток; перспективны для восстановления тканей. Костный мозг содержит кроветворные стволовые клетки.

Биомедицина

Вакцинация: Э. Дженнер (1796) — прививка коровьей оспы против натуральной; Л. Пастер — вакцины против сибирской язвы и бешенства. Современные вакцины бывают живыми ослабленными, инактивированными, субъединичными и мРНК-вакцинами.

Антибиотики подавляют бактерии; неправильный приём (без назначения, неполный курс) ведёт к появлению устойчивых штаммов — антибиотикорезистентности.

Генная терапия — введение нормального гена в клетки пациента с наследственной болезнью; редактирование генома системой CRISPR-Cas9.

Диагностика: ПЦР-тесты, ИФА (поиск антител), генетическое тестирование, пренатальная диагностика.

Биоинформатика и геномика

Секвенирование — определение последовательности нуклеотидов ДНК (метод Ф. Сэнгера, современные высокопроизводительные методы).

Проект «Геном человека» завершён в 2003 году: около 3 млрд пар нуклеотидов и около 20 тыс. генов, кодирующих белки; кодирующие участки занимают лишь малую часть генома.

Базы данных последовательностей (GenBank и др.), программы выравнивания (BLAST) позволяют сравнивать гены разных видов, строить эволюционные деревья, искать мутации, предсказывать структуру белков и создавать лекарства.

Применение: персонализированная медицина, отслеживание распространения вирусов, селекция, судебная экспертиза (ДНК-дактилоскопия).

Бактерии: формы, окраска, выращивание 7, 11 класс

Формы: кокки (шарики), бациллы (палочки), спириллы (спирали), вибрионы (запятые). Грамположительные бактерии (толстый слой муреина) окрашиваются по Граму в фиолетовый, грамотрицательные (тонкий слой + наружная мембрана) — в розовый; они устойчивее к антибиотикам.

Посев на питательные среды (агар): стерилизация, посев петлёй, инкубация при 37 °C, подсчёт колоний. Устойчивость к антибиотикам растёт при их неправильном применении.

Общая схема биотехнологического процесса 9 класс

Выбор продуцента (бактерия, дрожжи, клетки) → выращивание в ферментёре (температура, pH, аэрация) → выделение и очистка продукта → упаковка. Продукты: кисломолочные, хлеб, антибиотики, ферменты для стиральных порошков, витамины, биотопливо.

Антигены и моноклональные антитела 11 класс

Антитело (иммуноглобулин) узнаёт антиген по форме, как ключ — замок, и метит его для уничтожения.

Моноклональные антитела — одинаковые антитела от одного клона клеток (гибридомы). Применяются в тестах на беременность, диагностике и лечении рака.

Современная биомедицина и этика 10–11 класс

ЭКО — оплодотворение яйцеклетки вне организма с переносом эмбриона в матку. Проект «Геном человека» (завершён в 2003 г.) расшифровал ~3 млрд пар нуклеотидов. Эпигенетика изучает «включение и выключение» генов без изменения последовательности ДНК (метилирование) — под влиянием питания, стресса.

Этические вопросы: безопасность ГМО, клонирование человека запрещено во многих странах, защита генетических данных.

Инфекционные болезни и их возбудители 8 класс

Бактериальные: туберкулёз (палочка Коха, воздушно-капельно), холера (вибрион, через воду), дизентерия и сальмонеллёз (через пищу и грязные руки), столбняк (споры в почве, через раны), ангина, дифтерия, чума, бруцеллёз (встречается в животноводческих районах Казахстана — через сырое молоко и мясо больных животных). Их лечат антибиотиками.

Вирусные: грипп, COVID-19, корь, краснуха, ветряная оспа (воздушно-капельно), гепатит A (через пищу и воду), гепатиты B и C и ВИЧ (через кровь), бешенство (укус больного животного), клещевой энцефалит (укус клеща). Антибиотики на них не действуют; главное средство — вакцинация. Грибковые: стригущий лишай, кандидоз, микозы стоп. Вызываемые простейшими: малярия (плазмодий, переносчик — комар анофелес), амёбная дизентерия, лямблиоз.

Профилактика: мытьё рук, кипячение воды, термическая обработка мяса и молока, прививки по Национальному календарю, проветривание, маски во время эпидемий, защита от комаров и клещей, индивидуальные бритвы и одноразовые шприцы. Пути передачи: воздушно-капельный, водный, пищевой, через кровь, через переносчиков и контакт.

Иммунитет: врождённый и приобретённый 8 класс

Врождённый (неспецифический) иммунитет есть с рождения и действует против любых чужеродных агентов: кожа и слизистые, лизоцим слюны и слёз, кислота желудка, фагоциты (нейтрофилы, макрофаги; фагоцитоз открыл И. И. Мечников), воспаление, интерферон. Приобретённый (специфический) направлен против конкретного антигена и обладает памятью: B-лимфоциты образуют антитела, T-лимфоциты уничтожают заражённые клетки.

Приобретённый иммунитет бывает естественным и искусственным, активным и пассивным. Естественный активный — после перенесённой болезни (корь, ветрянка). Естественный пассивный — антитела матери через плаценту и с грудным молоком. Искусственный активный — после вакцины: организм сам вырабатывает антитела и клетки памяти, защита длится годами. Искусственный пассивный — после лечебной сыворотки с готовыми антителами (против столбняка, яда змей): действует сразу, но недолго, несколько недель.

Отсюда правило: вакцина — для профилактики (заранее), сыворотка — для лечения или экстренной защиты, когда заражение уже произошло. Повторная встреча с антигеном вызывает более быстрый и сильный вторичный ответ — на этом основаны повторные прививки (ревакцинация). Аллергия — избыточная реакция на безвредные вещества; аутоиммунные болезни — атака иммунитета на собственные клетки.

Микробы на службе человека и борьба с ними 7, 11 класс

Йогурт: молоко пастеризуют, охлаждают до ≈ 40–45 °C и добавляют закваску — молочнокислые бактерии (болгарская палочка, термофильный стрептококк). Они сбраживают лактозу в молочную кислоту, pH падает, белок казеин свёртывается, молоко густеет. Сыр: молоко сквашивают бактериями и сычужным ферментом (химозином), сгусток отделяют от сыворотки, прессуют и выдерживают. Национальные кисломолочные продукты: кумыс (кобылье молоко, бактерии и дрожжи), шубат (верблюжье молоко), айран, курт.

Ферменты микробов в промышленности: протеазы и липазы — в стиральных порошках, амилаза — патока и спирт из крахмала, пектиназа — осветление соков, лактаза — безлактозное молоко, химозин из ГМ-микроорганизмов — сыроделие; в медицине стрептокиназа растворяет тромбы, ферменты работают в тест-полосках на глюкозу. Плюсы микробов-продуцентов: быстрое размножение и дешёвые среды; минусы: культуру легко заразить посторонними микробами, нужна стерильность.

Антисептики (спирт 70 %, йод, перекись водорода, хлоргексидин) убивают микробы на коже и в ранах; дезинфицирующие средства (хлорсодержащие, сильнее и токсичнее) — на поверхностях и предметах; стерилизация в автоклаве (пар под давлением, 121 °C) уничтожает и споры. Антибиотики действуют внутри организма и только на бактерии. Опыт: на агар с бактериями кладут диски с разными антибиотиками — чем шире прозрачная зона вокруг диска, тем сильнее действие.

ПЦР по шагам и ДНК-анализ 10 класс

Для ПЦР нужны: образец ДНК (матрица), два праймера — короткие одноцепочечные фрагменты, ограничивающие нужный участок, нуклеотиды и термоустойчивая Taq-полимераза из бактерии горячих источников Thermus aquaticus. Прибор-амплификатор повторяет циклы из трёх шагов.

1) Денатурация при ≈ 94–95 °C: водородные связи рвутся, цепи ДНК расходятся. 2) Отжиг при ≈ 50–65 °C: праймеры присоединяются к комплементарным участкам цепей. 3) Элонгация при ≈ 72 °C: Taq-полимераза достраивает новые цепи. Цикл длится 1–3 минуты, число копий каждый раз удваивается: N = N₀ × 2ⁿ, где n — число циклов.

Продукты разделяют гель-электрофорезом: ДНК заряжена отрицательно (остатки фосфорной кислоты) и движется в геле к положительному электроду (аноду), мелкие фрагменты — быстрее и дальше. Применение: диагностика инфекций (ПЦР-тесты на COVID-19, ВИЧ, туберкулёз), криминалистика (ДНК-профиль по следам крови или волосу), установление отцовства (каждая полоса ребёнка должна быть у матери или у отца), таксономия (сравнение ДНК видов), выявление ГМО в продуктах.

Действие излучений и звука на организм 11 класс

Электромагнитные волны различаются энергией. Ионизирующие излучения (рентгеновские и гамма-лучи, радиоактивное излучение) выбивают электроны из молекул и разрывают ДНК — вызывают мутации, рак, лучевую болезнь; особенно чувствительны делящиеся клетки (костный мозг, половые клетки, эмбрион). Поэтому рентген делают только по показаниям и с защитным фартуком. Семипалатинский ядерный полигон (1949–1989) оставил последствия для здоровья нескольких поколений жителей Казахстана.

Ультрафиолет образует в ДНК тиминовые димеры (сшивка соседних тиминов), вызывает ожоги и рак кожи, но в малых дозах нужен для синтеза витамина D; на его губительном действии основаны кварцевые лампы для обеззараживания. Инфракрасное излучение нагревает ткани; микроволны и излучение мобильных телефонов неионизирующие — их основной эффект тепловой.

Звук: шум громче ≈ 85 дБ при долгом действии повреждает волосковые клетки улитки и вызывает тугоухость, ≈ 120 дБ — болевой порог. Инфразвук (< 20 Гц) вызывает тревогу и вибрацию внутренних органов; ультразвук (> 20 кГц) человек не слышит, его используют в УЗИ (отражается от границ тканей), для дробления камней и очистки инструментов. Летучие мыши и дельфины ориентируются эхолокацией.