Микробиология және биотехнология. Биомедицина және биоинформатика

Тақырыпты талдау

Бактериялар

Мөлшері 1–10 мкм прокариоттар. Пішіндері: кокктар (шар тәрізді; стрептококктар — тізбек, стафилококктар — шоқ), бациллалар (таяқшалар), спириллалар (спираль тәрізді), вибриондар (үтір, тырысқақ вибрионы).

Құрылысы: жасуша қабырғасы (муреин), кейде капсула, жарғақша, рибосомалары бар цитоплазма, нуклеоид (сақиналы ДНҚ), плазмидалар, талшықтар, пилилер.

Екіге бөліну арқылы көбейеді — қолайлы жағдайда әр 20–30 минут сайын. Қолайсыз жағдайда қайнатуға және кептіруге төзетін споралар түзеді.

Қоректенуі бойынша: автотрофтар (цианобактериялар, хемосинтездеушілер) және гетеротрофтар (сапротрофтар, паразиттер, симбионттар). Оттекке қатысы бойынша: аэробтар және анаэробтар.

Маңызы: зат айналымы (шіру, азот бекіту), тамақ өнеркәсібі (сүтқышқыл бактериялары — айран, йогурт, ірімшік, ашыту), биотехнология; аурулардың қоздырғыштары — туберкулез (Кох таяқшасы), тырысқақ, оба, дифтерия, баспа, сіреспе.

Вирустар

Оларды Д. И. Ивановский (1892) темекі теңбілінен ашқан. Вирустар — жасушасыз тіршілік формасы: нуклеин қышқылы (ДНҚ немесе РНҚ) + ақуыз қабықша (капсид), кейбіреулерінде — сыртқы липидті қабықша.

Жасушадан тыс тіршілік белгілерін көрсетпейді (кристалдауға болады); тек иесінің жасушасы ішінде оның рибосомалары мен ферменттерін пайдаланып көбейеді — облигатты жасушаішілік паразиттер.

Бактериофаг: ДНҚ-сы бар басы, құйрық өсіндісі және жіпшелері. Бактерияға бекініп, ДНҚ-сын енгізеді, жасушада жүздеген жаңа фаг құрастырылып, жасуша жарылады. Фагтар бактериялық инфекцияларды емдеуге қолданылады.

АИТВ — ретровирус: РНҚ және кері транскриптаза ферменті (РНҚ матрицасында ДНҚ синтездейді). Иммундық жүйенің T-хелперлерін зақымдап, ЖИТС тудырады. Берілу жолдары — қан арқылы, жыныстық жолмен, анадан балаға.

Адамның вирустық аурулары: тұмау, қызылша, қызамық, желшешек, гепатиттер, құтыру, COVID-19. Антибиотиктер вирустарға әсер етпейді.

Микроскопиялық саңырауқұлақтар

Ашытқылар — бүршіктену арқылы көбейетін біржасушалы саңырауқұлақтар; спирттік ашу нан пісіру мен шарап жасауда қолданылады.

Зең саңырауқұлақтары: мукор (нандағы ақ зең), пеницилл (көкшіл-жасыл зең — пенициллиннің көзі), аспергилл. Кейбіреулері улы микотоксиндер бөледі.

Паразиттік микроскопиялық саңырауқұлақтар өсімдіктердің (қаракүйе, тат, фитофтороз) және адамның (терінің және тырнақтың саңырауқұлақтық зақымдануы) ауруларын тудырады.

Гендік инженерия

Кезеңдері: қажетті генді бөліп алу (немесе кері транскриптазаның көмегімен иРНҚ бойынша синтездеу) → рестриктазалармен кесу → векторға (плазмидаға) ендіру және лигазамен жалғау → рекомбинантты ДНҚ-ны иесі-жасушаға енгізу → генді алған жасушаларды іріктеу және көбейту.

Мысал: адамның инсулин генін ішек таяқшасына ендірді — қант диабетімен ауыратындар үшін инсулин осылай алынады (1970-жылдардың соңынан бастап). Өсу гормоны, интерферон, B гепатитіне қарсы вакцина да осылай өндіріледі.

ГМ-өсімдіктер: зиянкестерге (Bt-жүгері) және гербицидтерге төзімділік, провитамин A бар «алтын күріш».

ПТР (полимеразалық тізбекті реакция, К. Муллис, 1983): ДНҚ-ның таңдалған бөлігін көп рет көшіру. Әр цикл көшірмелер санын екі есе арттырады: 30 циклде бір молекуладан — миллиардқа жуық. Инфекцияларды анықтауда, криминалистикада, туыстықты анықтауда қолданылады.

Жасушалық инженерия және клондау

Жасушалар мен ұлпалар өсіндісі: жасушаларды ағзадан тыс қоректік орталарда өсіру; өсімдіктерді клондық микрокөбейту (вируссыз картоп).

Гибридомалар — моноклоналды антиденелер алу үшін лимфоцитті ісік жасушасымен біріктіру.

Жануарларды клондау: соматикалық жасуша ядросын ядросыз жұмыртқа жасушаға ауыстырады. Долли қойы (1996, Шотландия) — алғашқы клондалған сүтқоректі.

Бағаналы жасушалар — бөліне алатын және әртүрлі жасуша түрлеріне айнала алатын маманданбаған жасушалар; ұлпаларды қалпына келтіру үшін перспективалы. Сүйек кемігінде қан түзуші бағаналы жасушалар бар.

Биомедицина

Вакцинация: Э. Дженнер (1796) — табиғи шешекке қарсы сиыр шешегін егу; Л. Пастер — топалаң мен құтыруға қарсы вакциналар. Қазіргі вакциналар тірі әлсіретілген, инактивтелген, суббірлікті және мРНҚ-вакциналар болады.

Антибиотиктер бактерияларды тежейді; дұрыс қабылдамау (тағайындаусыз, курсты аяқтамау) төзімді штамдардың пайда болуына — антибиотикорезистенттілікке әкеледі.

Гендік терапия — тұқым қуалайтын ауруы бар пациенттің жасушаларына қалыпты генді енгізу; CRISPR-Cas9 жүйесімен геномды редакциялау.

Диагностика: ПТР-тесттер, ИФТ (антиденелерді іздеу), генетикалық тестілеу, пренатальдық диагностика.

Биоинформатика және геномика

Секвенирлеу — ДНҚ нуклеотидтерінің реттілігін анықтау (Ф. Сэнгер әдісі, қазіргі жоғары өнімді әдістер).

«Адам геномы» жобасы 2003 жылы аяқталды: шамамен 3 млрд жұп нуклеотид және ақуыз кодтайтын шамамен 20 мың ген; кодтайтын бөліктер геномның аз ғана бөлігін алады.

Реттіліктер деректер базалары (GenBank және т.б.), теңестіру бағдарламалары (BLAST) әртүрлі түрлердің гендерін салыстыруға, эволюциялық ағаштар құруға, мутацияларды іздеуге, ақуыздардың құрылымын болжауға және дәрілер жасауға мүмкіндік береді.

Қолданылуы: дербестендірілген медицина, вирустардың таралуын бақылау, селекция, сот сараптамасы (ДНҚ-дактилоскопия).

Бактериялар: пішіндері, боялуы, өсіру 7, 11 сынып

Пішіндері: кокктар (шарлар), бациллалар (таяқшалар), спириллалар (спиральдар), вибриондар (үтірлер). Грам-оң бактериялар (муреиннің қалың қабаты) Грам бойынша күлгін, грам-теріс (жұқа қабат + сыртқы мембрана) — қызғылт түске боялады; олар антибиотиктерге төзімдірек.

Қоректік орталарға (агар) себу: зарарсыздандыру, ілмекпен себу, 37 °C-та инкубациялау, колонияларды санау. Антибиотиктерді дұрыс қолданбағанда оларға төзімділік артады.

Биотехнологиялық үдерістің жалпы сызбасы 9 сынып

Продуцентті таңдау (бактерия, ашытқы, жасушалар) → ферментёрде өсіру (температура, pH, аэрация) → өнімді бөліп алу және тазарту → қаптау. Өнімдер: қышқыл сүт өнімдері, нан, антибиотиктер, кір жуғыш ұнтақтарға арналған ферменттер, дәрумендер, биоотын.

Антигендер және моноклоналды антиденелер 11 сынып

Антидене (иммуноглобулин) антигенді кілт құлыпты танығандай пішіні бойынша таниды және оны жою үшін белгілейді.

Моноклоналды антиденелер — бір жасуша клонынан (гибридомадан) алынған бірдей антиденелер. Жүктілік тестілерінде, обырды анықтау мен емдеуде қолданылады.

Қазіргі биомедицина және этика 10–11 сынып

ЭКҰ — жұмыртқа жасушасын ағзадан тыс ұрықтандырып, эмбрионды жатырға көшіру. «Адам геномы» жобасы (2003 ж. аяқталды) ~3 млрд нуклеотид жұбының ретін анықтады. Эпигенетика ДНҚ тізбегін өзгертпей гендердің «қосылуы мен сөнуін» (метилдену) зерттейді — тамақтанудың, күйзелістің әсерімен.

Этикалық мәселелер: ГМА қауіпсіздігі, адамды клондауға көптеген елдерде тыйым салынған, генетикалық деректерді қорғау.

Жұқпалы аурулар және олардың қоздырғыштары 8 сынып

Бактериялық: туберкулез (Кох таяқшасы, ауа-тамшы арқылы), тырысқақ (вибрион, су арқылы), дизентерия мен сальмонеллез (тамақ және лас қол арқылы), сіреспе (топырақтағы споралар, жара арқылы), баспа, дифтерия, оба, бруцеллез (Қазақстанның мал шаруашылығы аудандарында кездеседі — ауру малдың шикі сүті мен еті арқылы). Оларды антибиотиктермен емдейді.

Вирустық: тұмау, COVID-19, қызылша, қызамық, желшешек (ауа-тамшы арқылы), А гепатиті (тамақ пен су арқылы), В және С гепатиттері мен АИТВ (қан арқылы), құтыру (ауру жануардың тістеуі), кене энцефалиті (кененің шағуы). Оларға антибиотиктер әсер етпейді; басты құрал — вакцинация. Саңырауқұлақтық: теміреткі, кандидоз, табан микоздары. Қарапайымдылар тудыратын: безгек (плазмодий, тасымалдаушысы — анофелес масасы), амёбалық дизентерия, лямблиоз.

Алдын алу: қол жуу, суды қайнату, ет пен сүтті термиялық өңдеу, Ұлттық күнтізбе бойынша екпелер, желдету, эпидемия кезінде бетперде кию, масалар мен кенелерден қорғану, жеке ұстара және бір реттік шприцтер. Берілу жолдары: ауа-тамшы, су, тағам, қан, тасымалдаушылар және жанасу арқылы.

Иммунитет: туа біткен және жүре пайда болған 8 сынып

Туа біткен (арнайы емес) иммунитет туғаннан бар және кез келген бөгде агенттерге қарсы әрекет етеді: тері мен шырышты қабықтар, сілекей мен көз жасының лизоцимі, асқазан қышқылы, фагоциттер (нейтрофилдер, макрофагтар; фагоцитозды И. И. Мечников ашқан), қабыну, интерферон. Жүре пайда болған (арнайы) иммунитет нақты антигенге бағытталған және жады бар: B-лимфоциттер антиденелер түзеді, T-лимфоциттер жұқтырған жасушаларды жояды.

Жүре пайда болған иммунитет табиғи және жасанды, белсенді және енжар болады. Табиғи белсенді — ауруды басынан өткергеннен кейін (қызылша, желшешек). Табиғи енжар — плацента арқылы және емшек сүтімен келетін ананың антиденелері. Жасанды белсенді — вакцинадан кейін: ағза антиденелер мен жады жасушаларын өзі түзеді, қорғаныс жылдар бойы сақталады. Жасанды енжар — дайын антиденелері бар емдік сарысудан кейін (сіреспеге, жылан уына қарсы): бірден әсер етеді, бірақ ұзаққа емес, бірнеше апта.

Осыдан ереже: вакцина — алдын алу үшін (алдын ала), сарысу — емдеу немесе жедел қорғау үшін, жұқтыру болып қойған кезде. Антигенмен қайта кездесу жылдамырақ әрі күштірек екіншілік жауап тудырады — қайталама екпелер (ревакцинация) осыған негізделген. Аллергия — зиянсыз заттарға шектен тыс реакция; аутоиммундық аурулар — иммунитеттің өз жасушаларына шабуылы.

Адамның қызметіндегі микробтар және олармен күрес 7, 11 сынып

Йогурт: сүтті пастерлеп, ≈ 40–45 °C-қа дейін салқындатып, ұйытқы — сүт қышқылы бактерияларын (болгар таяқшасы, термофильді стрептококк) қосады. Олар лактозаны сүт қышқылына дейін ашытады, pH төмендейді, казеин ақуызы ұйиды, сүт қоюланады. Ірімшік: сүтті бактериялармен және ұйытқы ферментімен (химозинмен) ұйытып, ұйындыны сарысудан бөліп, сығып, ұстайды. Ұлттық қышқыл сүт өнімдері: қымыз (бие сүті, бактериялар мен ашытқылар), шұбат (түйе сүті), айран, құрт.

Өнеркәсіптегі микроб ферменттері: протеазалар мен липазалар — кір жуғыш ұнтақтарда, амилаза — крахмалдан сірне мен спирт алу, пектиназа — шырындарды мөлдірлеу, лактаза — лактозасыз сүт, ГМ-микроағзалардан алынған химозин — ірімшік жасау; медицинада стрептокиназа тромбтарды ерітеді, ферменттер глюкозаға арналған тест-жолақтарда жұмыс істейді. Продуцент-микробтардың артықшылықтары: тез көбейеді, қоректік орталары арзан; кемшіліктері: өсіндіге бөгде микробтар оңай түседі, зарарсыздық қажет.

Антисептиктер (70 % спирт, йод, сутек асқын тотығы, хлоргексидин) теріде және жарадағы микробтарды жояды; дезинфекциялаушы заттар (құрамында хлоры бар, күштірек әрі улырақ) — беттер мен заттарда; автоклавта зарарсыздандыру (қысымдағы бу, 121 °C) спораларды да жояды. Антибиотиктер ағза ішінде және тек бактерияларға әсер етеді. Тәжірибе: бактериялары бар агарға әртүрлі антибиотиктері бар дискілерді қояды — дискінің айналасындағы мөлдір аймақ неғұрлым кең болса, әсер соғұрлым күшті.

ПТР кезең-кезеңімен және ДНҚ талдауы 10 сынып

ПТР үшін қажет: ДНҚ үлгісі (матрица), екі праймер — қажетті бөлікті шектейтін қысқа бір тізбекті үзінділер, нуклеотидтер және ыстық бұлақтардағы Thermus aquaticus бактериясынан алынған ыстыққа төзімді Taq-полимераза. Амплификатор құрылғысы үш қадамнан тұратын циклдерді қайталайды.

1) Денатурация ≈ 94–95 °C-та: сутектік байланыстар үзіліп, ДНҚ тізбектері ажырайды. 2) Праймерлердің қосылуы (күйдіру) ≈ 50–65 °C-та: праймерлер тізбектердің комплементарлы бөліктеріне жабысады. 3) Элонгация ≈ 72 °C-та: Taq-полимераза жаңа тізбектерді құрастырады. Бір цикл 1–3 минутқа созылады, көшірмелер саны әр жолы екі есе артады: N = N₀ × 2ⁿ, мұндағы n — циклдер саны.

Өнімдерді гель-электрофорезбен бөледі: ДНҚ теріс зарядталған (фосфор қышқылының қалдықтары) және гельде оң электродқа (анодқа) қарай жылжиды, ұсақ үзінділер — жылдамырақ әрі алысырақ. Қолданылуы: инфекцияларды анықтау (COVID-19, АИТВ, туберкулезге ПТР-тестілер), криминалистика (қан ізі немесе шаш бойынша ДНҚ-профиль), әке екенін анықтау (баланың әр жолағы анасында немесе әкесінде болуы тиіс), таксономия (түрлердің ДНҚ-сын салыстыру), тағамдағы ГМА-ны анықтау.

Сәулелену мен дыбыстың ағзаға әсері 11 сынып

Электромагниттік толқындар энергиясы бойынша ерекшеленеді. Иондаушы сәулелер (рентген және гамма сәулелері, радиоактивті сәулелену) молекулалардан электрондарды ұшырып шығарып, ДНҚ-ны үзеді — мутацияларды, обырды, сәуле ауруын тудырады; әсіресе бөлінетін жасушалар (жілік майы, жыныс жасушалары, эмбрион) сезімтал. Сондықтан рентгенді тек көрсеткіш бойынша және қорғаныш алжапқышпен жасайды. Семей ядролық сынақ полигоны (1949–1989) Қазақстан тұрғындарының бірнеше ұрпағының денсаулығына із қалдырды.

Ультракүлгін сәуле ДНҚ-да тимин димерлерін (көрші тиминдердің тігілуі) түзеді, күйік пен тері обырын тудырады, бірақ аз мөлшерде D дәруменінің синтезіне қажет; оның жойқын әсеріне залалсыздандыруға арналған кварц шамдары негізделген. Инфрақызыл сәуле ұлпаларды қыздырады; микротолқындар мен ұялы телефондардың сәулеленуі иондамайды — олардың негізгі әсері жылулық.

Дыбыс: ≈ 85 дБ-ден қатты шу ұзақ әсер еткенде ұлудың түкті жасушаларын зақымдап, керең болуға әкеледі, ≈ 120 дБ — ауырсыну табалдырығы. Инфрадыбыс (< 20 Гц) мазасыздық пен ішкі мүшелердің дірілін тудырады; ультрадыбысты (> 20 кГц) адам естімейді, оны УДЗ-да (ұлпалар шекараларынан шағылысады), тастарды ұсақтауда және құралдарды тазартуда қолданады. Жарқанаттар мен дельфиндер эхолокация арқылы бағдарлайды.