"Передовые научно-технические достижения в содержании школьного образования. Методы изучения клетки".
статья
Автор: Андрианова Ирина Анатольевна, учитель биологии, ГБОУ СОШ №619, город Санкт-Петербург
В раздел основное общее образование
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А. И. ГЕРЦЕНА»
Передовые научно-технические достижения
в содержании школьного образования.
Методы изучения клетки.
Участник программы повышения квалификации преподавателей «Передовые научно-технические достижения в содержании школьного образования» учитель биологии ГБОУ СОШ №619 Калининского района г.Санкт-Петербурга
Андрианова Ирина Анатольевна
г. Санкт- Петербург 2015_-2016_год 1
«Методы изучения клетки».
Содержание.
Введение ____________________________________________________________стр.3
1. Микроскопия _____________________________________________________стр.4
2. Культивирование клеток и среды___________________________________стр.9
3. Биохимические методы_____________________________________________стр.10
4. Центрифугирование________________________________________________стр.10
5. Методы молекулярной биологии и молекулярной биотехнологии_______ стр.11
Источники информации ______________________________________________ стр.24
Полезные ссылки для использования дополнительного материала на уроках.
2
Введение. Передовые научно-технические достижения в содержании школьного
образования
. Авторитет биологии как науки неоспорим. Ее значение возрастает с каждым годом, и, несомненно, эта отрасль естествознания станет одной из ведущих в ХХI столетии. Фундаментальные открытия, совершенные в таких биологических науках, как молекулярная биология, генетика, биохимия, биофизика, биоинформатика, кибернетика повысили их роль, вызвали большой интерес у специалистов других отраслей. Биологические знания не только расширяют наши представления о живом, но и становятся жизненно необходимыми, а так же актуальными при решении глобальных проблем. Современное российское образование выдвигает на первый план потребность в создании специальных условий для работы с учащимися, а передовые технологии позволяют это осуществить. Важное значение придается формированию направленности на предметные, общепредметные и надпредметные компетентности в процессе обучения. В содержании урока должна прослеживаться связь с жизнью, практической деятельностью, присутствовать интеграция содержания. Вовлечение учащихся в процесс изучения передовых научно-технических достижений на уроках и во внеурочной деятельности способствует развитию регулятивных, познавательных, коммуникативных УУД
,
помогает реализовать цели и задачи, которые я ставлю себе, как преподавателю биологии. Цели: развить у учащихся познавательный интерес к биологии и наукам, возникшим в результате интеграции научных дисциплин (биохимия, биофизика, биоинформатика, биогеография, биоинформатика, кибернетика космическая биология и другие), подготовить обучающихся к участию в районных и городских турах предметной олимпиады по биологии, обеспечить обучающихся специальными знаниями и умениями, необходимыми для успешного обучения биологии в условиях высшей школы.
Задачи:
Формировать научное мировоззрение. Развивать умения анализировать и обобщать явления и факты, устанавливать причинно-следственные связи, строить прогнозы. Знакомить учащихся с современными методами и результатами научных исследований. Раскрывать сущность биологических процессов, происходящих на различных уровнях организации живых систем. Воспитывать потребности в обращении к справочной литературе для решения познавательных и коммуникативных задач. Строить систему естественнонаучных знаний на основе общих концептуальных идей о единстве взаимосвязей в природе, об эволюции живых организмов на Земле. Развивать умения исследовательской деятельности. Создавать условия для формирования у учащихся общеучебных умений и навыков, связанных с информационно-коммуникативной и рефлексивной деятельностью. Знакомить учащихся со связями различных областей естествознания. Выстроить программу довузовской подготовки на базе школы. Формировать представления учащихся о профессиональной деятельности в области генетики, цитологии, биохимии, физиологии, медицины, экологии, эволюционной биологии. 3
Методы изучения клетки.
1. Микроскопия
Способность различить два объекта называется разрешением.
Разрешение
оптического прибора — минимальное расстояние между двумя точками, которые видны как отдельные и не сливаются. Чем меньше это расстояние, тем более мелкие объекты можно изучать. Разрешение человеческого глаза — порядка 100 мкм (0,1 мм), но нужно учесть, что объект должен быть контрастным. На темном фоне в боковом свете можно иногда увидеть крупных амеб и инфузорий, которые могут иметь размеры 100–200 мкм. Для того чтобы различить клетки в животной или растительной ткани, нужно делать очень тонкие срезы. Эти срезы изучают под микроскопом — специальным увеличивающим оптическим прибором. Как правило, для повышения контраста требуется окрашивание препаратов специальными красителями. Перед этим препараты фиксируют, то есть обрабатывают специальными веществами, предотвращающими растекание и разрушение биомолекул, например формалином. Поэтому обычно изучают уже мертвые клетки.
Световая (оптическая) микроскопия
Чаще всего применяются световые микроскопы, в которых объект освещают видимым светом. Видимый свет — это электромагнитное излучение длиной волны от 400 до 700 нм, то есть 0,4–0,7 мкм (1 нм = 10−9 м). Разные длины волн света глазом воспринимаются как разные цвета. Наиболее длинноволновый свет — красный, наиболее коротковолновый — фиолетовый. Рис. 1 Белый свет — это смесь лучей разных длин волн. Его можно разложить в спектр — радугу — при помощи призмы. 4
Рис. 2 Длина волны накладывает ограничение на минимальный размер объектов, которые можно изучать путем микроскопии. Волна может огибать объекты, поэтому невозможно изучать объекты размером существенно меньше длины волны света. Так как длины волн видимого света — 0,4–0,7 мкм, то разрешение светового микроскопа при использовании белого света — порядка 0,5 мкм. В реальности из-за дополнительных ограничений в обычный микроскоп, как правило, можно хорошо видеть объекты порядка 1 мкм. Объекты меньше 0,5 мкм видны, только если она сами излучают свет, что используется во флуоресцентной микроскопии. У светового (оптического) микроскопа имеются следующие части: 1. Объектив — система линз, фокусирующая свет от объекта. Обычно имеется несколько объективов во вращающейся (револьверной) головке. 2. Окуляр — система линз, в которую смотрит наблюдатель. 3. Тубус, при помощи которого зафиксированы на определенном расстоянии окуляр и объективы. 4. Штатив. 5. Предметный столик, где располагается объект на предметном стекле. 6. Осветительная система — обычно лампа и система фокусирующих линз (конденсор). 7. Макровинт и микровинт для грубой и тонкой фокусировки соответственно. Часто имеется система для перемещения препарата — препаратоводитель, оборудованный измерительными линейками. Рис. 3 5
Объекты можно изучать в светлом поле, а также в косом свете и в темном поле, что часто позволяет существенно повысить детализацию объекта и увидеть тонкую структуру. Рис. 4. Диатомовые водоросли в темном поле Существуют фазово-контрастные и интерференционные микроскопы, позволяющие визуализировать такую характеристику света, как фаза. При прохождении через объект фаза лучей в разной степени сдвигается. Этот тип микроскопии позволяет видеть тонкие детали в живых объектах без фиксации и окрашивания. Рис. 5. Фаза Рис. 6 Искусственное оплодотворение яйцеклетки. Фазово-контрастная микроскопия Клетка эпителия внутренней стороны щеки человека в фазовом контрасте 6
Флуоресцентная микроскопия используется как для изучения образцов с собственной флуоресценцией (например, хлорофилл в синем свете флуоресцирует красным), так и для изучения образцов, окрашенных определенными флуоресцентными красителями или меченными ими антителами для выявления определенных внутриклеточных структур. Животные клетки, окрашенные красителем для ДНК (синий) и флуоресцентными антителами к разным типам цитоскелета (зеленый и красный) Флуоресценция хлоропластов мха сфагнума в синем свете Рис 7
Электронная микроскопия
Гораздо большего разрешения, чем световой микроскоп, позволяет добиться микроскоп, в котором для освещения объекта используется пучок электронов —
электронный микроскоп
. Конечно, в такой микроскоп нельзя смотреть глазом, для фиксации результатов используются детекторы электронов. Чтобы электронный пучок не рассеивался, внутри микроскопа создают вакуум. Подготовка препаратов для такой микроскопии очень сложна — их фиксируют, обезвоживают, заливают в плотную среду, делают тончайшие срезы при помощи прибора — микротома. Также обязательно окрашивание или препаратов или напыление, как правило, солями тяжелых металлов, так как только они существенно задерживают поток электронов. Изображение получается не цветным (может быть потом «раскрашено» искусственно). Рис. 8 7
Существует два типа электронных микроскопов — сканирующий и трансмиссионный.
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
дает изображение поверхности (объект выглядит объемным), а
трансмиссионный (ТЭМ)
, или просвечивающий, дает плоское изображение среза «на просвет». Примеры изображений, полученных при помощи СЭМ и ТЭМ, приведены на рис. 9–11. Рис. 9. Пыльца, СЭМ Рис. 10. Голова мушки, СЭМ Рис. 11. Срез жгутиков хламидомонады, ТЭМ 8
2. Культивирование клеток и среды
Для изучения клеток их часто приходится культивировать, то есть выращивать на определенных питательных средах. Это позволяет также изучать их потребности в определенных веществах, а также получать выделяемые ими молекулы. В биотехнологии культивируемые организмы выделяют в среду полезные для человека вещества, например антибиотики. Для того чтобы на среде росли только нужные организмы, необходимо соблюдать стерильность — предотвращать попадание микроорганизмов и их спор. Для этого используют одноразовые сосуды, например чашки Петри с крышкой, предотвращающей попадание микробов из воздуха, многоразовое оборудование стерилизуют, надевают резиновые перчатки, лабораторные халаты, используют шкафы с проточной системой циркуляции и фильтрации воздуха — ламинары, манипуляции проводят рядом с пламенем горелки. Рис. 12. Культуральная посуда. Слева вверху — чашка Петри Рис. 13. Ламинар. Микробиологическая работа с культурами клеток 9
3. Биохимические методы
Для выделения определенных веществ из организмов их гомогенизируют — измельчают до образования однородной кашицы, затем ее подвергают другим манипуляциям и обрабатывают определенными веществами. В биохимии для исследования метаболизма часто применяется
метод меченых атомов
, когда в организм вводят соединения, содержащие те или иные радиоактивные или тяжелые изотопы, которые можно затем обнаруживать в различных веществах и отслеживать их превращения, таким образом изучая биохимические реакции в живых системах.
4. Центрифугирование
Чтобы разделить различные органеллы и клеточные структуры по плотности, разрушенные клетки подвергают центрифугированию — раскручиванию в специальных центрифугах. Рис. 14 Ротор центрифуги вращается очень быстро (десятки или даже сотни тысяч оборотов в минуту). Под воздействием центробежной силы все частицы в пробирке оседают. Центробежную силу характеризуют по сообщаемому ею ускорению, называя, во сколько раз оно превышает g — ускорение свободного падения, например часто используется 13 000 g. Можно использовать плотные растворы солей для разделения частиц по их плавучей плотности. При длительном центрифугировании раствора тяжелой соли, например хлористого цезия, создается
градиент плотности
— переход плотности в растворе, где более плотный раствор находится внизу и менее плотный — вверху. Если центрифугировать в этом растворе различные частицы, они останавливаются в том слое жидкости, где плавучая плотность частиц равна плотности окружающего раствора. Таким образом можно разделить различные макромолекулы и молекулярные комплексы, например, субъединицы рибосом. 10
Рис. 15 Молекулярные методы изучения клеток рассматриваются в рамках отдельной темы — «Методы молекулярной биологии и молекулярная биотехнология».
5. Методы молекулярной биологии и молекулярной биотехнологии.
Успехи в изучении нуклеиновых кислот и биосинтеза белка привели к созданию ряда методов, имеющих большое прикладное значение в медицине, сельском хозяйстве и ряде других отраслей. После того, как был изучен генетический код и основные принципы хранения и реализации наследственной информации, развитие молекулярной биологии зашло в тупик, так как не было методов, которые позволяли манипулировать генами, выделять и изменять их. Появление этих методов произошло в 1970-1980х годах. Это дало мощный толчок развитию этой области науки, которая и сегодня переживает период расцвета. Прежде всего, эти методы касаются получения индивидуальных генов и их введения в клетки других организмов (молекулярное клонирование и трансгенез, ПЦР), а также методов определения последовательности нуклеотидов в генах (секвенирования ДНК и РНК). Ниже эти методы будут рассмотрены более подробно. Мы начнем с простейшего базового метода — электрофореза и затем перейдем к более сложным методам.
ЭЛЕКТРОФОРЕЗ ДНК
Это базовый метод работы с ДНК, применяющийся вместе с практическими всеми другими методами для выделения нужных молекул и анализа результатов. Для разделения фрагментов ДНК по длине применяется метод электрофореза в геле. ДНК — кислота, ее молекулы содержат остатки фосфорной кислоты, которые отщепляют протон и приобретают отрицательный заряд (рис. 1). 11
Рис. 1. Поэтому в электрическом поле молекулы ДНК движутся к аноду — положительно заряженному электроду. Это происходит в растворе электролитов, содержащем ионы- носители заряда, благодаря чему этот раствор проводит ток. Чтобы разделить фрагменты, применяется плотный гель из полимеров (агарозы либо полиакриламида). Молекулы ДНК "запутываются" в нем тем больше, чем они длиннее, и поэтому наиболее длинные молекулы движутся медленнее всего, а наиболее короткие — быстрее всего (рис. 2). Заблаговременно или после электрофореза гель обрабатывают красителями, связывающимися с ДНК и флуоресцирующими в ультрафиолетовом свете, и получают картину полос в геле (см. рис. 3). Для определения длин фрагментов ДНК образца их сравнивают с маркером — набором фрагментов стандартных длин, нанесенных параллельно на тот же гель (рис. 4). Рис. 2. 12
Рис. 3. Рис. 4. Важнейшими инструментами для работы с ДНК являются ферменты, осуществляющие превращения ДНК в живых клетках: ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы и рестрикционные эндонуклеазы, или рестриктазы.
ДНК-полимеразы
осуществляют матричный синтез ДНК, что позволяет размножать ДНК в пробирке.
ДНК-лигазы
сшивают между собой молекулы ДНК или залечивают бреши них.
Рестрикционные
эндонуклеазы
, или
рестриктазы
, разрезают молекулы ДНК по строго определённым последовательностям, что позволяет вырезать отдельные фрагменты из общей массы ДНК. Эти фрагменты могут в каких-то случаях содержать отдельные гены.
Рестриктазы
Последовательности, узнаваемые рестриктазами, симметричны, и разрывы могут происходить в середине такой последовательности или со сдвигом (в одном и том же месте в обеих нитях ДНК). Схема действия разных типов рестриктаз показана на рис. 1. В первом случае получаются так называемые «тупые» концы, а во втором – «липкие» концы. В случае «липких» концов дна цепь оказывается короче другой, образуется однонитевой участок с симметричной последовательностью, одинаковой на обоих образующихся концах. Рис. 1. Концевые последовательности будут одинаковыми при расщеплении любой ДНК данной рестриктазой и могут снова соединяться, так как имеют комплементарные последовательности. Их можно сшить с помощью ДНК-лигазы и получить единую 13
молекулу. Таким образом удаётся объединить фрагменты двух разных ДНК и получить так называемые
рекомбинантные ДНК
. Этот подход используется в методе молекулярного клонирования, позволяющего получить индивидуальные гены и ввести их в клетки, которые могут образовывать закодированный в гене белок.
Молекулярное клонирование
В молекулярном клонировании используется две молекулы ДНК — вставка, содержащая интересующий ген, и
вектор
— ДНК, выступающая в роли носителя. Вставку "вшивают" в вектор пр помощи ферментов, получая новую, рекомбинантную молекулу ДНК, затем эту молекулу внедряют в клетки-хозяева, и эти клетки образуют колонии на питательной среде. Колония — это потомство одной клетки, то есть клон, все клетки колонии генетически идентичны и содержат одну и ту же рекомбинантную ДНК. Отсюда термин "молекулярное клонирование", то есть получение клона клеток, содержащих интересующий нас фрагмент ДНК. После того, как колонии, содержащие интересующую нас вставку, получены, можно различными методами характеризовать эту вставку, например, определить ее точную последовательность. Также клетки могут производить кодируемый вставкой белок, если она содержит функциональный ген. При внедрении рекомбинантной молекулы в клетки происходит генетическая трансформация этих клеток.
Трансформация
— процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. Например, если встраиваемая молекула содержит ген устойчивости к антибиотику ампициллину, то трансформированные бактерии будут расти в его присутствии. До трансформации ампициллин вызывал их гибель, то есть у трансформированных клеток возникает новый признак.
Векторы.
Вектор должен обладать рядом свойств: 1. Во-первых, это относительно небольшая молекула ДНК, чтобы ей было легко манипулировать. 2. Во-вторых, для того, чтобы ДНК сохранялась и размножалась в клетке, она должна содержать определённую последовательность, обеспечивающую её репликацию (точку начала репликации, или origin of replication). 3. В-третьих, она должна содержать
ген-маркер
, который обеспечивает отбор только тех клеток, в которые попал вектор. Обычно это гены устойчивости к антибиотикам — тогда в присутствии антибиотика все не содержащие вектора клетки погибают. Клонирование генов чаще всего проводят в клетках бактерий, так как они просты в культивировании и быстро размножаются. В клетке бактерии обычно присутствует одна большая кольцевая молекула ДНК, длиной в несколько миллионов пар нуклеотидов, содержащая все необходимые бактерии гены — бактериальная хромосома. Кроме неё в некоторых бактериях существуют небольшие (несколько тысяч пар нуклеотидов) кольцевые ДНК, называемые
плазмидами
(рис. 2). Они, также как и основная ДНК, содержат последовательность нуклеотидов, обеспечивающую способность ДНК реплицироваться (ori). Плазмиды реплицируются независимо от основной (хромосомной) ДНК, поэтому присутствуют в клетке в большом количестве копий. Многие из таких плазмид несут гены устойчивости к антибиотикам, что позволяет отличить клетки, несущие плазмиду, от обычных клеток. Чаще используются плазмиды, несущие два гена, 14
обеспечивающие устойчивость к двум антибиотикам, например, к тетрациклину и апмицилину. Существуют простые методы выделения таких плазмидных ДНК, свободных от ДНК основной хромосомы бактерии. Рис. 2.
Значение трансгенеза.
Перенос генов из одного организма в другой называют
трансгенезом
, а такие модифицированные организмы —
трансгенными
. Методом переноса генов в клетки микроорганизмов получают рекомбинантные белковые препараты для нужд медицины, в частности, человеческие белки, не вызывающие иммунного отторжения — интерфероны, инсулин и другие белковые гормоны, клеточные факторы роста, а также белки для производства вакцин. В более сложных случаях, когда модификация белков проходит правильно только в клетках эукариот, применяют трансгенные клеточные культуры или трансгенных животных, в частности, скот (прежде всего коз), который выделяет необходимые белки в молоко, или же белки выделяют из их крови. Так получают антитела, факторы свертывания крови и другие белки. Методом трансгенеза получают культурные растения, устойчивые к гербицидам и вредителям и обладающие другими полезными свойствами. При помощью трансгенных микроорганизмов очищают сточные воды и борются с загрязнениями, существуют даже трансгенные микробы, которые могут расщеплять нефть. Помимо этого, трансгенные технологии незаменимы в научных исследованиях — развитие биологии сегодня немыслимо без рутинного применения методов модификации и переноса генов.
Технология молекулярного клонирования
Вставки
Для получения индивидуального гена из какого-либо организма из него выделяют всю хромосомную ДНК и расщепляют её одной или двумя рестриктазами. Ферменты подбирают так, чтобы они не разрезали интересующий нас ген, а делали разрывы по его краям, а в плазмидной ДНК делали 1 разрыв в одном из генов устойчивости, например, к ампицилину. 15
Процесс молекулярного клонирования включает следующие этапы: 1. Разрезание и сшивание — конструирование из вставки и вектора единой рекомбинантной молекулы. 2. Трансформация — внедрение рекомбинантной молекулы в клетки. 3. Селекция — отбор клеток, получивших вектор со вставкой.
Разрезание и сшивание
Плазмидную ДНК обрабатывают теми же рестриктазами, и она превращается в линейную молекулу, если подобрана такая рестриктаза, которая вносит в плазмиду 1 разрыв. В результате на концах всех образующихся фрагментов ДНК оказываются одни и те же липкие концы. При понижении температуры эти концы соединяются случайным образом, и их сшивают ДНК-лигазой (см. рис. 3). Рис. 3. Получают смесь кольцевых ДНК разного состава: некоторые из них будут содержать определённую последовательность ДНК хромосомной ДНК, соединённую с бактериальной ДНК, другие – соединённые вместе фрагменты хромосомной ДНК, а третьи – восстановленную кольцевую плазмиду или её димер (Рис. 4). 16
Рис. 4.
Трансформация
Далее этой смесью проводят генетическую трансформацию бактерий, не содержащих плазмиды.
Трансформация
— процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. В каждую клетку может проникнуть и размножиться там только одна плазмида. Такие клетки помещают на твёрдую питательную среду, в которой содержится антибиотик тетрациклин. Клетки, в которые не попала плазмида, на этой среде расти не будут, а клетки, несущие плазмиду, образуют колонии, в каждой из которых находятся потомки только одной клетки, т.е. все клетки в колонии несут одну и ту же плазмиду (см. рис. 5). Рис.5. 17
Селекция
Далее стоит задача выделить только клетки, в которые попал вектор со вставкой, и отличить их от клеток, несущих только вектор без вставки или вовсе не несущих вектора. Этот процесс отбора нужных клеток называется
селекцией
. Для этого применяют
селективные маркеры
— обычно гены устойчивости к антибиотикам в составе вектора, и
селективные среды
, содержащие антибиотики или другие вещества, обеспечивающие селекцию. В рассматриваемом нами примере клетки из колоний, выросших в присутствии ампицилина, пересевают на две среды: в первой есть ампицилин, а во второй – тетрациклин. Колонии, содержащие только плазмиду, вырастут на обеих средах, а колонии, в плазмидах которых находится встроенная хромосомная ДНК на среде с тетрациклином не вырастут (рис. 5). Среди них специальными методами отбирают те, которые содержат интересующий нас ген, выращивают в достаточных количествах и выделяют плазмидную ДНК. Из неё с помощью тех же рестриктаз, которые использовались при получении рекомбинантной ДНК, вырезают интересующий индивидуальный ген. ДНК этого гена может использоваться для определения последовательности нуклеотидов, введения в какой либо организм для получения новых свойств или синтеза нужного белка. Такой метод выделения генов называется
молекулярным клонированием
.
Флуоресцентные белки.
В качестве генов-маркеров при исследованиях эукариотических организмов очень удобно использовать флуоресцентные белки. Ген первого флуоресцентного белка,
зеленого флуоресцирующего белка (green fluorescent protein, GFP)
был выделен из медузы Aqeuorea victoria и внедрен в различные модельные организмы (см. рис. 6) В 2008 году О. Симомура, М. Чалфи и Р. Тсьен получили Нобелевскую премию за открытие и применение этого белка. Рис. 6. З атем были выделены гены других флуоресцентных белков — красного, синего, желтого. Эти гены были модифицированы искусственно, чтобы получить белки с нужными свойствами. Разнообразие флуоресцентных белков показано на рис. 7, где изображена чашка Петри с бактериями, содержащими гены различных флуоресцентных белков. 18
Рис. 7
Применение флуоресцентных белков
Ген флуоресцентного белка можно сшивать с геном любого другого белка, тогда при трансляции будет образовываться единый белок — трансляционно слитый белок, или
фьюжн
(fusion protein), который флуоресцирует. Таким образом можно изучать, например, локализацию (расположение) любых интересующих белков в клетке, их перемещение. При помощи экспрессии флуоресцентных белков только в определенных типах клеток можно помечать клетки этих типов в многоклеточном организме (см. рис. 8 — мозг мыши, в котором отдельные нейроны имеют разные цвета за счет определенной комбинации генов флуоресцентных белков). Флуоресцентные белки — незаменимый инструмент современной молекулярной биологии. Рис. 8
Полимеразная цепная реакция
(
ПЦР)
Еще один метод получения генов называется
полимеразной цепной реакцией
(ПЦР)
. В его основе лежит способность ДНК-полимераз достраивать вторую нить ДНК по комплементарной нити, как это происходит в клетках при репликации ДНК. Точки начала репликации в этом методе задаются двумя небольшими фрагментами ДНК, называемыми
затравками,
или
праймерами
. Эти затравки комплементарны концам интересующего гена на двух цепях ДНК. Сначала хромосомную ДНК, из которой надо выделить ген, смешивают с затравками и нагревают до 99 о С. Это приводит к разрыву водородных связей и расхождению нитей ДНК. После этого температуру понижают до50- 70 о С (в зависимости от длины и последовательности затравок). В этих условиях затравки 19
присоединяются к комплементарным участкам хромосомной ДНК, образуя правильную двойную спираль (см. рис. 9). После этого добавляют смесь всех четырёх нуклеотидов, нужных для синтеза ДНК, и ДНК-полимеразу. Фермент удлиняет затравки, строя двуспиральную ДНК от места прикрепления затравок, т.е. от концов гена, до конца одноцепочечной хромосомной молекулы. Рис. 9. Если теперь снова нагреть смесь, то хромосомные и вновь синтезированные цепи разойдутся. После охлаждения к ним снова присоединятся затравки, которые берутся в большом избытке (см. рис. 10). Рис. 10. На вновь синтезированных цепях они присоединятся не к тому концу, с которого начинался первый синтез а к противоположному, так как цепи ДНК антипараллельны. Поэтому во втором цикле синтеза на таких цепях достроится только последовательность, соответствующая гену (см. рис. 11). 20
Рис. 11. В данном методе применяется ДНК-полимераза из термофильных бактерий, способная выдерживать кипячение и работающая при температурах 70-80 о С, её не надо добавлять каждый раз, а достаточно внести в начале опыта. Повторяя процедуры нагрева и охлаждения в той же последовательности, мы можем в каждом цикле удваивать число последовательностей, ограниченных с двух концов внесёнными затравками (см. рис. 12). Рис. 12. После примерно 25 таких циклов число копий гена увеличится более чем в миллион раз. Такие количества легко можно отделить от внесённой в пробирку хромосомной ДНК и использовать для различных целей.
Секвенирование ДНК
21
Ещё одним важным достижением является разработка методов определения последовательности нуклеотидов в ДНК —
секвенирования ДНК
(от англ. sequence — последовательность). Для этого необходимо получить чистые от других ДНК гены одним из описанных методов. Затем цепи ДНК разделяют нагреванием и прибавляют к ним затравку, меченую радиоактивным фосфором или флуоресцентной меткой. Обратите внимание, что берётся одна затравка, комплементарная одной цепи. Затем добавляется ДНК полимераза и смесь из 4-х нуклеотидов. Такая смесь делится на 4 части и к каждой добавляется один из нуклеотидов, модифицированный так, что у третьего атома дезоксирибозы он не содержит гидроксильной группы. Если такой нуклеотид включится в синтезируемую цепь ДНК, то её удлинение не сможет продолжаться, т.к. полимеразе некуда будет присоединять следующий нуклеотид. Поэтому синтез ДНК после включения такого нуклеотида обрывается. Таких нуклеотидов, называемых дидезоксинуклеотиды, добавляется значительно меньше, чем обычных, поэтому обрыв цепи происходит лишь изредка и в каждой цепи в разных местах. В результате получается смесь цепей разной длины, на конце каждой из них стоит один и тот же нуклеотид. Таким образом длина цепи соответствует номеру нуклеотида в изучаемой последовательности, например, если у нас был адениловый дидезоксинуклеотид, а полученные цепи имели длину 2, 7 и 12 нуклеотидов, значит в гене во второй, седьмой и двенадцатой позиции стоял аденин. Полученную смесь цепей легко разделить по размерам при помощи электрофореза, а синтезированные цепи выявить по радиоактивности на рентгеновской плёнке (см. рис. 10). ис. 10. Получается картина, приведённая внизу рисунка, называемая радиоавтографом. Двигаясь по нему снизу вверх и читая буква над колонками каждой зоны мы получим последовательность нуклеотидов, приведённую на рисунке справа от автографа. 22
Оказалось, что синтез останавливается не толоко дидезоксинуклеотидами, но и нуклеотидами, у которых в третьем положении сахара присоединяется какая-нибудь химическая группа, например флюоресцентный краситель. Если каждый нуклеотид пометить своим красителем, то зоны, получаемые при разделении синтезированных цепей, будут светиться разным светом. Это позволяет проводить реакцию в одной пробирке одновременно для всех нуклеотидов и разделяя полученные цепи по длине, идентифицировать нуклеотиды по цвету (см. рис. 11). ис. 11. Такие методы позволили определить последовательности не только отдельных генов, но и прочитать целые геномы. В настоящее время разработаны ещё более быстрые методы определения последовательностей нуклеотидов в генах. Если парвый геном человека был расшифрован большим международным консорциумом с использованием первого приведённого метода за 12 лет, второй, с использованием второго, за три года, то сейчас это может быть сделано за месяц. Это позволяет предсказывать предрасположенность человека к многим заболеваниям и заранее принимать меры, чтобы избежать их.
Источники информации:
23
1. Материалы курса повышения квалификации учителей в центр онлайн-образования «Фоксфорд»: «Углубленная и олимпиадная подготовка учащихся. Все классы». 2. Интернет-ресурсы.
Полезные ссылки для использования дополнительного материала на уроках :
Свершения Homo sapiens впечатляют, но вряд ли стоит забывать о том, что Природа хитрее и мудрее нас. Человечество пытается присмотреться к методам природы, чтобы потом разумно использовать их в технике. Природа может помочь нам найти правильное техническое решение довольно сложных вопросов. Природа подобна огромному инженерному бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации.
Бионика
- наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и др. “БИОлогия” и техНИКА” прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы. Различают биологическую бионику - изучающую процессы, происходящие в биологических системах; теоретическую бионику - строящую математические модели этих процессов; техническую бионику - применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач. В последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.
Нейробионика
- научное направление, изучающее возможность использования принципов строения и функционирования мозга с целью создания более совершенных технических устройств и технологических процессов.
Кибернетика
(от
др.-греч.
κυβερνητική — «искусство управления») —
наука
об общих закономерностях получения, хранения, передачи и преобразования
информации
в сложных управляющих
системах
, будь то
машины
,
живые организмы
или
общество
.
25
ЭКЗОСКЕЛЕТ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ С ГИБРИДНЫМ ЭЛЕКТРО-
ПНЕВМАТИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ. МОДЕЛИ И УПРАВЛЕНИЕ
Рассматривается теоретико-механическая двуногая модель экзоскелета нижних конечностей с гибридными электро-пневматическими приводами. Исследование динамики и синтез законов управления движением аппарата, реализующих шагательные паттерны человека. Работа описывает этап исследований по гранту № 13-01-12037-офи_м РФФИ «Совершенствование и экспериментальное исследование биомехатронного тренажёрного комплекса для исследовательских и лечебных задач двигательной реабилитации». Год 2015 Номер выпуска 3 Сквозной номер 8 Страницы 16-21
НОВЫЕ МЕХАТРОННЫЕ ПЕРФУЗИОННЫЕ НАСОСЫ ДЛЯ КРОВИ
Рассматриваются результаты создания в ЦНИИ РТК гидродинамических и функциональных эксперимен-тальных стендов для доклинических физиологических испытаний новых мехатронных перфузионных насосов для крови. Обосновывается необходимость проведения таких испытаний до начала биологических экспериментов на животных. Описан новый центробежный насос, обладающий оптимальными физиологическими характеристиками.
Год 2015 Номер выпуска 3 Сквозной номер 8 Страницы 22-26
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ЗАПОМИНАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ
КОНФИГУРАЦИЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА НЕЙРОННЫХ
СЕТЯХ СО СТРУКТУРНОЙ АДАПТАЦИЕЙ
В задачах разработки биологически подобных систем управления движением от моделей нейронов и нейронных сетей требуется воспроизвести процессы преобразования импульсных потоков в нейроне и весь путь преобразования сигнала от входов нейрона к его выходу. Наиболее значимым представляется соответствие в структуре связей между нейронами и в свойствах преобразования информационных потоков каждым нейроном сети. В статье представлено описание модели иерархических нейронных сетей, основанных на биологически правдоподобной модели нейрона и обеспечивающих запоминание и последующее воспроизведение конфигураций системы на примере двухзвенного манипулятора. Описана архитектура нейронной сети и принципы ее обучения. Представлены результаты анализа точностных характеристик работы таких нейронных сетей. Год 2015 Номер выпуска 3 Сквозной номер 8 Страницы 46-51
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕДИЦИНСКОЙ РОБОТОТЕХНИКИ В БОРТОВЫХ
ТРЕНАЖЕРАХ И БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ НА ОРБИТАЛЬНОЙ
СТАНЦИИ
26
В статье рассмотрены перспективные направления применения медицинских роботов в области космической медицины, в частности: • построение на технологиях виртуальной реальности, информатики и робототехники бортовых тренажеров-симуляторов, позволяющих обеспечить выработку новых и поддержание у экипажа имеющихся практических навыков и приёмов оказания неотложной медицинской помощи в космическом полете; • применение в экстренных ситуациях в автономном полете манипуляционных роботов для робот-ассистированной хирургии при некоторых заболеваниях и травмах у членов экипажа; • создание новых роботизированных биотехнических комплексов, в дополнение к существующим меди-цинским технологиям для профилактики нарушений состояния здоровья космонавтов. Предлагаемые подходы и решения базируются на прототипах, применяемых в наземных условиях, с учетом сложившейся практики медицинского обеспечения пилотируемых космических полётов и особенностей оказания медицинской помощи космонавтам в полете. Год 2015 Номер выпуска 2 Сквозной номер 7 Страницы 12-17
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ ПО ДАННЫМ
КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СТЗ
Для автономных систем управления мобильных роботов одной из центральных является задача формирования бортовыми средствами такой модели внешней среды, на которой возможно проигрывать и оптимизировать различные варианты будущего поведения и движения и эффективно решать навигационные задачи. Для формирования наиболее полной и достоверной модели предлагается использовать данные комплексированной СТЗ, включающей взаимно-юстированные 3D-лазерный сенсор, цветную видеокамеру и тепловизор. Такое сочетание сенсоров обеспечивает получение геометрической модели внешней среды с распределением на ней цветового и температурного полей, что позволяет более просто и более достоверно решать задачи распознавания объектов и классификации зоны маневрирования не только по критерию геометрической, но и по критерию опорной проходимости. Приведенные в работе результаты натурных экспериментальных исследований позволяют сделать вывод, что использование комплексированных «дально-видео-тепловизионных» изображений позволяет существенно расширить спектр решаемых по данным СТЗ задач распознавания- навигации и повысить эффективность их решения. Год 2015 Номер выпуска 2 Сквозной номер 7 Страницы 51-55
РАЗВИТИЕ МЕДИЦИНСКИХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ
СОВРЕМЕННЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ТЕРАНОСТИКИ
В медицине процесс лечения разделяется на диагностику и терапию. Развитие электроники, компьютерной техники и появление новых материалов с уникальными свойствами, рост вычислительных мощностей сформировали предпосылки для создания нового класса медицинских аппаратных комплексов, совмещающих в себе функции диагностики и лечения. В результате образуется новое научное направление, объединяющее оба процесса, которое получило название «тераностика», происходящее от терминов «терапия» и «диагностика». В качестве примера упомянутого подхода рассматривается таргетная ультразвуковая кавитация микропузырьков, которые вводятся внутривенно, как возможный неинвазивный метод устранения тромбов, вызывающих инсульт и инфаркт миокарда. Для неинвазивного лечения хронической венозной недостаточности и варикозного расширения вен в рамках направления разрабатывается технология ультразвуковой облитерации вен сфокусированным ультразвуком высокой интенсивности. 27
Актуальным становится вопрос комбинации различных способов визуализации, которые используются в диагностических целях, с лечебными технологиями, такими как лучевая терапия. Адресная доставка воздействия при лучевой терапии существенно затруднена из- за постоянного движения органов в процессе дыхания. В ближайшем будущем непрерывная визуализация с помощью магнитно-резонансной томографии будет обеспечивать точное наведение облучения при проведении лучевой терапии, что позволит повысить эффективность и безопасность лечения. Рациональным путем решения сердечно-легочной реанимации при внезапной остановке сердца является создание кардиокомпрессора с удовлетворительными массогабаритными и энергетическими характеристиками. При наличии достаточного сенсорного оснащения решение о выборе режима функционирования будет приниматься экспертной системой, являющейся частью устройства. Создание тераностических аппаратов позволит повысить эффективность, сократить сроки и снизить затраты лечебных учреждений на оказание медицинской помощи. Термин «Тераностика" (theranostics) возник из сочетания слов «терапия» и «диагностика» (от греч. thera(peia) — забота, уход, лечение и (diag)nostikos — способный распознавать) — новый медицинский подход, заключающийся в комплексном решении терапевтических и диагностических проблем путём создания препаратов, которые являются одновременно и терапевтическим агентом и средством ранней диагностики. Год 2015 Номер выпуска 1 Сквозной номер 6 Страницы 12-16
ДИНАМИЧЕСКИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ-ПОДОБНЫЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ В
ЗАДАЧАХ РОБОТОТЕХНИКИ
В статье приведен анализ известных данных об обучении биологических нейронных сетей и предложен способ представления процессов обучения применительно к искусственным нейронным сетям. Приведено математическое описание модели нейрона и правил обучения. Год 2014 Номер выпуска 4 Сквозной номер 5 Страницы 10-12
РОБОТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ХИРУРГИИ. СОВРЕМЕННОЕ
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Достигнутый в современных условиях уровень развития мехатроники, средств связи и компьютерных технологий создает предпосылки для разработки роботизированных хирургических систем и появления практической робомедицины. В статье рассматриваются вопросы актуальности создания мехатронных роботизированных хирургических систем. Обсуждается основная современная проблема хирургических технологий – объективные ограничения физиологических возможностей хирурга и связанных с этим достигнутые пределы по точности выполняемых манипуляций, их повторяемостью, продолжительностью, защитой от «человеческого фактора». Намечены основные наиболее реализуемые в ближайшее время направления развития робомедицины, в том числе при оказании медицинской помощи пострадавшим в результате развития чрезвычайных ситуаций в условиях дефицита сил и средств медицинской службы. Год 2014 Номер выпуска 3 Сквозной номер 4 Страницы 4-8
УПРАВЛЕНИЕ МЕДИЦИНСКИМ МИКРОРОБОТОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
НЕЧЕТКИХ КОНЕЧНЫХ АВТОМАТОВ
В статье рассматриваются методы управления медицинскими микророботами, способными перемещаться внутри трубчатых органов. Описан экспериментальный макет Год 2014 Номер выпуска 3 Сквозной номер 4 Страницы 22-24 28
НЕОКИБЕРНЕТИКА В СОВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЕ СИСТЕМНЫХ ЗНАНИЙ
В статье рассмотрена современная структура системных знаний и определено место неокибернетики в указанной структуре. При этом неокибернетика определена как междисциплинарная наука, ориентированная на разработку методологии постановки и решения проблем анализа и синтеза интеллектуальных процессов и систем управления сложными объектами произвольной природы. В статье определены цели, задачи, объекты исследования и нерешенные проблемы неокибернетики. Год 2014 Номер выпуска 2 Сквозной номер 3 Страницы 3-11 Книга посвящена новому междисциплинарному научному направлению, которое впервые смогло доказать, что универсальная наука, о которой давно мечтали ученые, способная объединить в себе все основные естественные, гуманитарные, технические и теоретические научные дисциплины: от математики до философии, от химии до электроники, от теории алгоритмов до социологии, - не только необходима, но и возможна. Ее рабочее название - "Общая формальная технология" (ОФТ). Благодаря ОФТ впервые удалось найти очень простые решения ряда "вечных" проблем, объясняющих истоки и причины происхождения жизни, законы эволюции и познания, особенности их реализации в биологических, информационных и технических системах. Именно с ее помощью оказалось возможным вычислить структуру чрезвычайно перспективных автоматических технологических систем настоящего и будущего, включая программируемые "нано- фабрики на кристалле", универсальные химические микроанализаторы, многоцелевые аналого-цифровые "системы на кристалле",...
СОЗДАНИЕ МОДЕЛЕЙ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ, КАК СПОСОБ
ОБУЧЕНИЯ КОСМОНАВТОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ С РОБОТОМ –
ПОМОЩНИКОМ И КАК УСЛОВИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ
ОБЛАСТЕЙ ЕГО ПОЛЕЗНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Передовые обучающие технологии и тренажерные системы в области эксплуатации различных роботизированных систем постоянно находятся в центре внимания. Одним из практических подходов к созданию такого вида обучающих и тренажерных систем является использование технологии виртуальной реальности. В частности, этот подход применяется для профессиональной подготовки космонавтов к внекорабельной деятельности на Международной космической станции (МКС) с использованием робототехнических манипуляционных комплексов с дистанционным управлением. В настоящее время возникают новые проблемы в процессе проектирования совместной работы космонавтов с роботом – помощником экипажа (РПЭ) на борту МКС. Изучение способов рационального использования мобильных РПЭ на борту МКС осложняется тем, что натурное моделирование для исследования совместной деятельности космонавтов с РПЭ существенно затруднено. Это повышает роль имитационных моделей, построенных на основе методологии изучения сложных организационно-технических систем (СОТС) и технологии виртуальной реальности, чтобы визуализировать результаты такого моделирования при обучении космонавтов на тренажерах взаимодействию с РПЭ в составе экипажа. Год 2013 Том 1 Номер 1 Страницы 46-52 29
Методы изучения клетки.
Участник программы повышения квалификации преподавателей «Передовые научно-технические достижения в содержании школьного образования» учитель биологии ГБОУ СОШ №619 Калининского района г.Санкт-Петербурга
Андрианова Ирина Анатольевна
г. Санкт- Петербург 2015_-2016_год 1
«Методы изучения клетки».
Содержание.
Введение ____________________________________________________________стр.3
1. Микроскопия _____________________________________________________стр.4
2. Культивирование клеток и среды___________________________________стр.9
3. Биохимические методы_____________________________________________стр.10
4. Центрифугирование________________________________________________стр.10
5. Методы молекулярной биологии и молекулярной биотехнологии_______ стр.11
Источники информации ______________________________________________ стр.24
Полезные ссылки для использования дополнительного материала на уроках.
2
Введение. Передовые научно-технические достижения в содержании школьного
образования
. Авторитет биологии как науки неоспорим. Ее значение возрастает с каждым годом, и, несомненно, эта отрасль естествознания станет одной из ведущих в ХХI столетии. Фундаментальные открытия, совершенные в таких биологических науках, как молекулярная биология, генетика, биохимия, биофизика, биоинформатика, кибернетика повысили их роль, вызвали большой интерес у специалистов других отраслей. Биологические знания не только расширяют наши представления о живом, но и становятся жизненно необходимыми, а так же актуальными при решении глобальных проблем. Современное российское образование выдвигает на первый план потребность в создании специальных условий для работы с учащимися, а передовые технологии позволяют это осуществить. Важное значение придается формированию направленности на предметные, общепредметные и надпредметные компетентности в процессе обучения. В содержании урока должна прослеживаться связь с жизнью, практической деятельностью, присутствовать интеграция содержания. Вовлечение учащихся в процесс изучения передовых научно-технических достижений на уроках и во внеурочной деятельности способствует развитию регулятивных, познавательных, коммуникативных УУД
,
помогает реализовать цели и задачи, которые я ставлю себе, как преподавателю биологии. Цели: развить у учащихся познавательный интерес к биологии и наукам, возникшим в результате интеграции научных дисциплин (биохимия, биофизика, биоинформатика, биогеография, биоинформатика, кибернетика космическая биология и другие), подготовить обучающихся к участию в районных и городских турах предметной олимпиады по биологии, обеспечить обучающихся специальными знаниями и умениями, необходимыми для успешного обучения биологии в условиях высшей школы.
Задачи:
Формировать научное мировоззрение. Развивать умения анализировать и обобщать явления и факты, устанавливать причинно-следственные связи, строить прогнозы. Знакомить учащихся с современными методами и результатами научных исследований. Раскрывать сущность биологических процессов, происходящих на различных уровнях организации живых систем. Воспитывать потребности в обращении к справочной литературе для решения познавательных и коммуникативных задач. Строить систему естественнонаучных знаний на основе общих концептуальных идей о единстве взаимосвязей в природе, об эволюции живых организмов на Земле. Развивать умения исследовательской деятельности. Создавать условия для формирования у учащихся общеучебных умений и навыков, связанных с информационно-коммуникативной и рефлексивной деятельностью. Знакомить учащихся со связями различных областей естествознания. Выстроить программу довузовской подготовки на базе школы. Формировать представления учащихся о профессиональной деятельности в области генетики, цитологии, биохимии, физиологии, медицины, экологии, эволюционной биологии. 3
Методы изучения клетки.
1. Микроскопия
Способность различить два объекта называется разрешением.
Разрешение
оптического прибора — минимальное расстояние между двумя точками, которые видны как отдельные и не сливаются. Чем меньше это расстояние, тем более мелкие объекты можно изучать. Разрешение человеческого глаза — порядка 100 мкм (0,1 мм), но нужно учесть, что объект должен быть контрастным. На темном фоне в боковом свете можно иногда увидеть крупных амеб и инфузорий, которые могут иметь размеры 100–200 мкм. Для того чтобы различить клетки в животной или растительной ткани, нужно делать очень тонкие срезы. Эти срезы изучают под микроскопом — специальным увеличивающим оптическим прибором. Как правило, для повышения контраста требуется окрашивание препаратов специальными красителями. Перед этим препараты фиксируют, то есть обрабатывают специальными веществами, предотвращающими растекание и разрушение биомолекул, например формалином. Поэтому обычно изучают уже мертвые клетки.
Световая (оптическая) микроскопия
Чаще всего применяются световые микроскопы, в которых объект освещают видимым светом. Видимый свет — это электромагнитное излучение длиной волны от 400 до 700 нм, то есть 0,4–0,7 мкм (1 нм = 10−9 м). Разные длины волн света глазом воспринимаются как разные цвета. Наиболее длинноволновый свет — красный, наиболее коротковолновый — фиолетовый. Рис. 1 Белый свет — это смесь лучей разных длин волн. Его можно разложить в спектр — радугу — при помощи призмы. 4
Рис. 2 Длина волны накладывает ограничение на минимальный размер объектов, которые можно изучать путем микроскопии. Волна может огибать объекты, поэтому невозможно изучать объекты размером существенно меньше длины волны света. Так как длины волн видимого света — 0,4–0,7 мкм, то разрешение светового микроскопа при использовании белого света — порядка 0,5 мкм. В реальности из-за дополнительных ограничений в обычный микроскоп, как правило, можно хорошо видеть объекты порядка 1 мкм. Объекты меньше 0,5 мкм видны, только если она сами излучают свет, что используется во флуоресцентной микроскопии. У светового (оптического) микроскопа имеются следующие части: 1. Объектив — система линз, фокусирующая свет от объекта. Обычно имеется несколько объективов во вращающейся (револьверной) головке. 2. Окуляр — система линз, в которую смотрит наблюдатель. 3. Тубус, при помощи которого зафиксированы на определенном расстоянии окуляр и объективы. 4. Штатив. 5. Предметный столик, где располагается объект на предметном стекле. 6. Осветительная система — обычно лампа и система фокусирующих линз (конденсор). 7. Макровинт и микровинт для грубой и тонкой фокусировки соответственно. Часто имеется система для перемещения препарата — препаратоводитель, оборудованный измерительными линейками. Рис. 3 5
Объекты можно изучать в светлом поле, а также в косом свете и в темном поле, что часто позволяет существенно повысить детализацию объекта и увидеть тонкую структуру. Рис. 4. Диатомовые водоросли в темном поле Существуют фазово-контрастные и интерференционные микроскопы, позволяющие визуализировать такую характеристику света, как фаза. При прохождении через объект фаза лучей в разной степени сдвигается. Этот тип микроскопии позволяет видеть тонкие детали в живых объектах без фиксации и окрашивания. Рис. 5. Фаза Рис. 6 Искусственное оплодотворение яйцеклетки. Фазово-контрастная микроскопия Клетка эпителия внутренней стороны щеки человека в фазовом контрасте 6
Флуоресцентная микроскопия используется как для изучения образцов с собственной флуоресценцией (например, хлорофилл в синем свете флуоресцирует красным), так и для изучения образцов, окрашенных определенными флуоресцентными красителями или меченными ими антителами для выявления определенных внутриклеточных структур. Животные клетки, окрашенные красителем для ДНК (синий) и флуоресцентными антителами к разным типам цитоскелета (зеленый и красный) Флуоресценция хлоропластов мха сфагнума в синем свете Рис 7
Электронная микроскопия
Гораздо большего разрешения, чем световой микроскоп, позволяет добиться микроскоп, в котором для освещения объекта используется пучок электронов —
электронный микроскоп
. Конечно, в такой микроскоп нельзя смотреть глазом, для фиксации результатов используются детекторы электронов. Чтобы электронный пучок не рассеивался, внутри микроскопа создают вакуум. Подготовка препаратов для такой микроскопии очень сложна — их фиксируют, обезвоживают, заливают в плотную среду, делают тончайшие срезы при помощи прибора — микротома. Также обязательно окрашивание или препаратов или напыление, как правило, солями тяжелых металлов, так как только они существенно задерживают поток электронов. Изображение получается не цветным (может быть потом «раскрашено» искусственно). Рис. 8 7
Существует два типа электронных микроскопов — сканирующий и трансмиссионный.
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
дает изображение поверхности (объект выглядит объемным), а
трансмиссионный (ТЭМ)
, или просвечивающий, дает плоское изображение среза «на просвет». Примеры изображений, полученных при помощи СЭМ и ТЭМ, приведены на рис. 9–11. Рис. 9. Пыльца, СЭМ Рис. 10. Голова мушки, СЭМ Рис. 11. Срез жгутиков хламидомонады, ТЭМ 8
2. Культивирование клеток и среды
Для изучения клеток их часто приходится культивировать, то есть выращивать на определенных питательных средах. Это позволяет также изучать их потребности в определенных веществах, а также получать выделяемые ими молекулы. В биотехнологии культивируемые организмы выделяют в среду полезные для человека вещества, например антибиотики. Для того чтобы на среде росли только нужные организмы, необходимо соблюдать стерильность — предотвращать попадание микроорганизмов и их спор. Для этого используют одноразовые сосуды, например чашки Петри с крышкой, предотвращающей попадание микробов из воздуха, многоразовое оборудование стерилизуют, надевают резиновые перчатки, лабораторные халаты, используют шкафы с проточной системой циркуляции и фильтрации воздуха — ламинары, манипуляции проводят рядом с пламенем горелки. Рис. 12. Культуральная посуда. Слева вверху — чашка Петри Рис. 13. Ламинар. Микробиологическая работа с культурами клеток 9
3. Биохимические методы
Для выделения определенных веществ из организмов их гомогенизируют — измельчают до образования однородной кашицы, затем ее подвергают другим манипуляциям и обрабатывают определенными веществами. В биохимии для исследования метаболизма часто применяется
метод меченых атомов
, когда в организм вводят соединения, содержащие те или иные радиоактивные или тяжелые изотопы, которые можно затем обнаруживать в различных веществах и отслеживать их превращения, таким образом изучая биохимические реакции в живых системах.
4. Центрифугирование
Чтобы разделить различные органеллы и клеточные структуры по плотности, разрушенные клетки подвергают центрифугированию — раскручиванию в специальных центрифугах. Рис. 14 Ротор центрифуги вращается очень быстро (десятки или даже сотни тысяч оборотов в минуту). Под воздействием центробежной силы все частицы в пробирке оседают. Центробежную силу характеризуют по сообщаемому ею ускорению, называя, во сколько раз оно превышает g — ускорение свободного падения, например часто используется 13 000 g. Можно использовать плотные растворы солей для разделения частиц по их плавучей плотности. При длительном центрифугировании раствора тяжелой соли, например хлористого цезия, создается
градиент плотности
— переход плотности в растворе, где более плотный раствор находится внизу и менее плотный — вверху. Если центрифугировать в этом растворе различные частицы, они останавливаются в том слое жидкости, где плавучая плотность частиц равна плотности окружающего раствора. Таким образом можно разделить различные макромолекулы и молекулярные комплексы, например, субъединицы рибосом. 10
Рис. 15 Молекулярные методы изучения клеток рассматриваются в рамках отдельной темы — «Методы молекулярной биологии и молекулярная биотехнология».
5. Методы молекулярной биологии и молекулярной биотехнологии.
Успехи в изучении нуклеиновых кислот и биосинтеза белка привели к созданию ряда методов, имеющих большое прикладное значение в медицине, сельском хозяйстве и ряде других отраслей. После того, как был изучен генетический код и основные принципы хранения и реализации наследственной информации, развитие молекулярной биологии зашло в тупик, так как не было методов, которые позволяли манипулировать генами, выделять и изменять их. Появление этих методов произошло в 1970-1980х годах. Это дало мощный толчок развитию этой области науки, которая и сегодня переживает период расцвета. Прежде всего, эти методы касаются получения индивидуальных генов и их введения в клетки других организмов (молекулярное клонирование и трансгенез, ПЦР), а также методов определения последовательности нуклеотидов в генах (секвенирования ДНК и РНК). Ниже эти методы будут рассмотрены более подробно. Мы начнем с простейшего базового метода — электрофореза и затем перейдем к более сложным методам.
ЭЛЕКТРОФОРЕЗ ДНК
Это базовый метод работы с ДНК, применяющийся вместе с практическими всеми другими методами для выделения нужных молекул и анализа результатов. Для разделения фрагментов ДНК по длине применяется метод электрофореза в геле. ДНК — кислота, ее молекулы содержат остатки фосфорной кислоты, которые отщепляют протон и приобретают отрицательный заряд (рис. 1). 11
Рис. 1. Поэтому в электрическом поле молекулы ДНК движутся к аноду — положительно заряженному электроду. Это происходит в растворе электролитов, содержащем ионы- носители заряда, благодаря чему этот раствор проводит ток. Чтобы разделить фрагменты, применяется плотный гель из полимеров (агарозы либо полиакриламида). Молекулы ДНК "запутываются" в нем тем больше, чем они длиннее, и поэтому наиболее длинные молекулы движутся медленнее всего, а наиболее короткие — быстрее всего (рис. 2). Заблаговременно или после электрофореза гель обрабатывают красителями, связывающимися с ДНК и флуоресцирующими в ультрафиолетовом свете, и получают картину полос в геле (см. рис. 3). Для определения длин фрагментов ДНК образца их сравнивают с маркером — набором фрагментов стандартных длин, нанесенных параллельно на тот же гель (рис. 4). Рис. 2. 12
Рис. 3. Рис. 4. Важнейшими инструментами для работы с ДНК являются ферменты, осуществляющие превращения ДНК в живых клетках: ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы и рестрикционные эндонуклеазы, или рестриктазы.
ДНК-полимеразы
осуществляют матричный синтез ДНК, что позволяет размножать ДНК в пробирке.
ДНК-лигазы
сшивают между собой молекулы ДНК или залечивают бреши них.
Рестрикционные
эндонуклеазы
, или
рестриктазы
, разрезают молекулы ДНК по строго определённым последовательностям, что позволяет вырезать отдельные фрагменты из общей массы ДНК. Эти фрагменты могут в каких-то случаях содержать отдельные гены.
Рестриктазы
Последовательности, узнаваемые рестриктазами, симметричны, и разрывы могут происходить в середине такой последовательности или со сдвигом (в одном и том же месте в обеих нитях ДНК). Схема действия разных типов рестриктаз показана на рис. 1. В первом случае получаются так называемые «тупые» концы, а во втором – «липкие» концы. В случае «липких» концов дна цепь оказывается короче другой, образуется однонитевой участок с симметричной последовательностью, одинаковой на обоих образующихся концах. Рис. 1. Концевые последовательности будут одинаковыми при расщеплении любой ДНК данной рестриктазой и могут снова соединяться, так как имеют комплементарные последовательности. Их можно сшить с помощью ДНК-лигазы и получить единую 13
молекулу. Таким образом удаётся объединить фрагменты двух разных ДНК и получить так называемые
рекомбинантные ДНК
. Этот подход используется в методе молекулярного клонирования, позволяющего получить индивидуальные гены и ввести их в клетки, которые могут образовывать закодированный в гене белок.
Молекулярное клонирование
В молекулярном клонировании используется две молекулы ДНК — вставка, содержащая интересующий ген, и
вектор
— ДНК, выступающая в роли носителя. Вставку "вшивают" в вектор пр помощи ферментов, получая новую, рекомбинантную молекулу ДНК, затем эту молекулу внедряют в клетки-хозяева, и эти клетки образуют колонии на питательной среде. Колония — это потомство одной клетки, то есть клон, все клетки колонии генетически идентичны и содержат одну и ту же рекомбинантную ДНК. Отсюда термин "молекулярное клонирование", то есть получение клона клеток, содержащих интересующий нас фрагмент ДНК. После того, как колонии, содержащие интересующую нас вставку, получены, можно различными методами характеризовать эту вставку, например, определить ее точную последовательность. Также клетки могут производить кодируемый вставкой белок, если она содержит функциональный ген. При внедрении рекомбинантной молекулы в клетки происходит генетическая трансформация этих клеток.
Трансформация
— процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. Например, если встраиваемая молекула содержит ген устойчивости к антибиотику ампициллину, то трансформированные бактерии будут расти в его присутствии. До трансформации ампициллин вызывал их гибель, то есть у трансформированных клеток возникает новый признак.
Векторы.
Вектор должен обладать рядом свойств: 1. Во-первых, это относительно небольшая молекула ДНК, чтобы ей было легко манипулировать. 2. Во-вторых, для того, чтобы ДНК сохранялась и размножалась в клетке, она должна содержать определённую последовательность, обеспечивающую её репликацию (точку начала репликации, или origin of replication). 3. В-третьих, она должна содержать
ген-маркер
, который обеспечивает отбор только тех клеток, в которые попал вектор. Обычно это гены устойчивости к антибиотикам — тогда в присутствии антибиотика все не содержащие вектора клетки погибают. Клонирование генов чаще всего проводят в клетках бактерий, так как они просты в культивировании и быстро размножаются. В клетке бактерии обычно присутствует одна большая кольцевая молекула ДНК, длиной в несколько миллионов пар нуклеотидов, содержащая все необходимые бактерии гены — бактериальная хромосома. Кроме неё в некоторых бактериях существуют небольшие (несколько тысяч пар нуклеотидов) кольцевые ДНК, называемые
плазмидами
(рис. 2). Они, также как и основная ДНК, содержат последовательность нуклеотидов, обеспечивающую способность ДНК реплицироваться (ori). Плазмиды реплицируются независимо от основной (хромосомной) ДНК, поэтому присутствуют в клетке в большом количестве копий. Многие из таких плазмид несут гены устойчивости к антибиотикам, что позволяет отличить клетки, несущие плазмиду, от обычных клеток. Чаще используются плазмиды, несущие два гена, 14
обеспечивающие устойчивость к двум антибиотикам, например, к тетрациклину и апмицилину. Существуют простые методы выделения таких плазмидных ДНК, свободных от ДНК основной хромосомы бактерии. Рис. 2.
Значение трансгенеза.
Перенос генов из одного организма в другой называют
трансгенезом
, а такие модифицированные организмы —
трансгенными
. Методом переноса генов в клетки микроорганизмов получают рекомбинантные белковые препараты для нужд медицины, в частности, человеческие белки, не вызывающие иммунного отторжения — интерфероны, инсулин и другие белковые гормоны, клеточные факторы роста, а также белки для производства вакцин. В более сложных случаях, когда модификация белков проходит правильно только в клетках эукариот, применяют трансгенные клеточные культуры или трансгенных животных, в частности, скот (прежде всего коз), который выделяет необходимые белки в молоко, или же белки выделяют из их крови. Так получают антитела, факторы свертывания крови и другие белки. Методом трансгенеза получают культурные растения, устойчивые к гербицидам и вредителям и обладающие другими полезными свойствами. При помощью трансгенных микроорганизмов очищают сточные воды и борются с загрязнениями, существуют даже трансгенные микробы, которые могут расщеплять нефть. Помимо этого, трансгенные технологии незаменимы в научных исследованиях — развитие биологии сегодня немыслимо без рутинного применения методов модификации и переноса генов.
Технология молекулярного клонирования
Вставки
Для получения индивидуального гена из какого-либо организма из него выделяют всю хромосомную ДНК и расщепляют её одной или двумя рестриктазами. Ферменты подбирают так, чтобы они не разрезали интересующий нас ген, а делали разрывы по его краям, а в плазмидной ДНК делали 1 разрыв в одном из генов устойчивости, например, к ампицилину. 15
Процесс молекулярного клонирования включает следующие этапы: 1. Разрезание и сшивание — конструирование из вставки и вектора единой рекомбинантной молекулы. 2. Трансформация — внедрение рекомбинантной молекулы в клетки. 3. Селекция — отбор клеток, получивших вектор со вставкой.
Разрезание и сшивание
Плазмидную ДНК обрабатывают теми же рестриктазами, и она превращается в линейную молекулу, если подобрана такая рестриктаза, которая вносит в плазмиду 1 разрыв. В результате на концах всех образующихся фрагментов ДНК оказываются одни и те же липкие концы. При понижении температуры эти концы соединяются случайным образом, и их сшивают ДНК-лигазой (см. рис. 3). Рис. 3. Получают смесь кольцевых ДНК разного состава: некоторые из них будут содержать определённую последовательность ДНК хромосомной ДНК, соединённую с бактериальной ДНК, другие – соединённые вместе фрагменты хромосомной ДНК, а третьи – восстановленную кольцевую плазмиду или её димер (Рис. 4). 16
Рис. 4.
Трансформация
Далее этой смесью проводят генетическую трансформацию бактерий, не содержащих плазмиды.
Трансформация
— процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. В каждую клетку может проникнуть и размножиться там только одна плазмида. Такие клетки помещают на твёрдую питательную среду, в которой содержится антибиотик тетрациклин. Клетки, в которые не попала плазмида, на этой среде расти не будут, а клетки, несущие плазмиду, образуют колонии, в каждой из которых находятся потомки только одной клетки, т.е. все клетки в колонии несут одну и ту же плазмиду (см. рис. 5). Рис.5. 17
Селекция
Далее стоит задача выделить только клетки, в которые попал вектор со вставкой, и отличить их от клеток, несущих только вектор без вставки или вовсе не несущих вектора. Этот процесс отбора нужных клеток называется
селекцией
. Для этого применяют
селективные маркеры
— обычно гены устойчивости к антибиотикам в составе вектора, и
селективные среды
, содержащие антибиотики или другие вещества, обеспечивающие селекцию. В рассматриваемом нами примере клетки из колоний, выросших в присутствии ампицилина, пересевают на две среды: в первой есть ампицилин, а во второй – тетрациклин. Колонии, содержащие только плазмиду, вырастут на обеих средах, а колонии, в плазмидах которых находится встроенная хромосомная ДНК на среде с тетрациклином не вырастут (рис. 5). Среди них специальными методами отбирают те, которые содержат интересующий нас ген, выращивают в достаточных количествах и выделяют плазмидную ДНК. Из неё с помощью тех же рестриктаз, которые использовались при получении рекомбинантной ДНК, вырезают интересующий индивидуальный ген. ДНК этого гена может использоваться для определения последовательности нуклеотидов, введения в какой либо организм для получения новых свойств или синтеза нужного белка. Такой метод выделения генов называется
молекулярным клонированием
.
Флуоресцентные белки.
В качестве генов-маркеров при исследованиях эукариотических организмов очень удобно использовать флуоресцентные белки. Ген первого флуоресцентного белка,
зеленого флуоресцирующего белка (green fluorescent protein, GFP)
был выделен из медузы Aqeuorea victoria и внедрен в различные модельные организмы (см. рис. 6) В 2008 году О. Симомура, М. Чалфи и Р. Тсьен получили Нобелевскую премию за открытие и применение этого белка. Рис. 6. З атем были выделены гены других флуоресцентных белков — красного, синего, желтого. Эти гены были модифицированы искусственно, чтобы получить белки с нужными свойствами. Разнообразие флуоресцентных белков показано на рис. 7, где изображена чашка Петри с бактериями, содержащими гены различных флуоресцентных белков. 18
Рис. 7
Применение флуоресцентных белков
Ген флуоресцентного белка можно сшивать с геном любого другого белка, тогда при трансляции будет образовываться единый белок — трансляционно слитый белок, или
фьюжн
(fusion protein), который флуоресцирует. Таким образом можно изучать, например, локализацию (расположение) любых интересующих белков в клетке, их перемещение. При помощи экспрессии флуоресцентных белков только в определенных типах клеток можно помечать клетки этих типов в многоклеточном организме (см. рис. 8 — мозг мыши, в котором отдельные нейроны имеют разные цвета за счет определенной комбинации генов флуоресцентных белков). Флуоресцентные белки — незаменимый инструмент современной молекулярной биологии. Рис. 8
Полимеразная цепная реакция
(
ПЦР)
Еще один метод получения генов называется
полимеразной цепной реакцией
(ПЦР)
. В его основе лежит способность ДНК-полимераз достраивать вторую нить ДНК по комплементарной нити, как это происходит в клетках при репликации ДНК. Точки начала репликации в этом методе задаются двумя небольшими фрагментами ДНК, называемыми
затравками,
или
праймерами
. Эти затравки комплементарны концам интересующего гена на двух цепях ДНК. Сначала хромосомную ДНК, из которой надо выделить ген, смешивают с затравками и нагревают до 99 о С. Это приводит к разрыву водородных связей и расхождению нитей ДНК. После этого температуру понижают до50- 70 о С (в зависимости от длины и последовательности затравок). В этих условиях затравки 19
присоединяются к комплементарным участкам хромосомной ДНК, образуя правильную двойную спираль (см. рис. 9). После этого добавляют смесь всех четырёх нуклеотидов, нужных для синтеза ДНК, и ДНК-полимеразу. Фермент удлиняет затравки, строя двуспиральную ДНК от места прикрепления затравок, т.е. от концов гена, до конца одноцепочечной хромосомной молекулы. Рис. 9. Если теперь снова нагреть смесь, то хромосомные и вновь синтезированные цепи разойдутся. После охлаждения к ним снова присоединятся затравки, которые берутся в большом избытке (см. рис. 10). Рис. 10. На вновь синтезированных цепях они присоединятся не к тому концу, с которого начинался первый синтез а к противоположному, так как цепи ДНК антипараллельны. Поэтому во втором цикле синтеза на таких цепях достроится только последовательность, соответствующая гену (см. рис. 11). 20
Рис. 11. В данном методе применяется ДНК-полимераза из термофильных бактерий, способная выдерживать кипячение и работающая при температурах 70-80 о С, её не надо добавлять каждый раз, а достаточно внести в начале опыта. Повторяя процедуры нагрева и охлаждения в той же последовательности, мы можем в каждом цикле удваивать число последовательностей, ограниченных с двух концов внесёнными затравками (см. рис. 12). Рис. 12. После примерно 25 таких циклов число копий гена увеличится более чем в миллион раз. Такие количества легко можно отделить от внесённой в пробирку хромосомной ДНК и использовать для различных целей.
Секвенирование ДНК
21
Ещё одним важным достижением является разработка методов определения последовательности нуклеотидов в ДНК —
секвенирования ДНК
(от англ. sequence — последовательность). Для этого необходимо получить чистые от других ДНК гены одним из описанных методов. Затем цепи ДНК разделяют нагреванием и прибавляют к ним затравку, меченую радиоактивным фосфором или флуоресцентной меткой. Обратите внимание, что берётся одна затравка, комплементарная одной цепи. Затем добавляется ДНК полимераза и смесь из 4-х нуклеотидов. Такая смесь делится на 4 части и к каждой добавляется один из нуклеотидов, модифицированный так, что у третьего атома дезоксирибозы он не содержит гидроксильной группы. Если такой нуклеотид включится в синтезируемую цепь ДНК, то её удлинение не сможет продолжаться, т.к. полимеразе некуда будет присоединять следующий нуклеотид. Поэтому синтез ДНК после включения такого нуклеотида обрывается. Таких нуклеотидов, называемых дидезоксинуклеотиды, добавляется значительно меньше, чем обычных, поэтому обрыв цепи происходит лишь изредка и в каждой цепи в разных местах. В результате получается смесь цепей разной длины, на конце каждой из них стоит один и тот же нуклеотид. Таким образом длина цепи соответствует номеру нуклеотида в изучаемой последовательности, например, если у нас был адениловый дидезоксинуклеотид, а полученные цепи имели длину 2, 7 и 12 нуклеотидов, значит в гене во второй, седьмой и двенадцатой позиции стоял аденин. Полученную смесь цепей легко разделить по размерам при помощи электрофореза, а синтезированные цепи выявить по радиоактивности на рентгеновской плёнке (см. рис. 10). ис. 10. Получается картина, приведённая внизу рисунка, называемая радиоавтографом. Двигаясь по нему снизу вверх и читая буква над колонками каждой зоны мы получим последовательность нуклеотидов, приведённую на рисунке справа от автографа. 22
Оказалось, что синтез останавливается не толоко дидезоксинуклеотидами, но и нуклеотидами, у которых в третьем положении сахара присоединяется какая-нибудь химическая группа, например флюоресцентный краситель. Если каждый нуклеотид пометить своим красителем, то зоны, получаемые при разделении синтезированных цепей, будут светиться разным светом. Это позволяет проводить реакцию в одной пробирке одновременно для всех нуклеотидов и разделяя полученные цепи по длине, идентифицировать нуклеотиды по цвету (см. рис. 11). ис. 11. Такие методы позволили определить последовательности не только отдельных генов, но и прочитать целые геномы. В настоящее время разработаны ещё более быстрые методы определения последовательностей нуклеотидов в генах. Если парвый геном человека был расшифрован большим международным консорциумом с использованием первого приведённого метода за 12 лет, второй, с использованием второго, за три года, то сейчас это может быть сделано за месяц. Это позволяет предсказывать предрасположенность человека к многим заболеваниям и заранее принимать меры, чтобы избежать их.
Источники информации:
23
1. Материалы курса повышения квалификации учителей в центр онлайн-образования «Фоксфорд»: «Углубленная и олимпиадная подготовка учащихся. Все классы». 2. Интернет-ресурсы.
Полезные ссылки для использования дополнительного материала на уроках :
Свершения Homo sapiens впечатляют, но вряд ли стоит забывать о том, что Природа хитрее и мудрее нас. Человечество пытается присмотреться к методам природы, чтобы потом разумно использовать их в технике. Природа может помочь нам найти правильное техническое решение довольно сложных вопросов. Природа подобна огромному инженерному бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации.
Бионика
- наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и др. “БИОлогия” и техНИКА” прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы. Различают биологическую бионику - изучающую процессы, происходящие в биологических системах; теоретическую бионику - строящую математические модели этих процессов; техническую бионику - применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач. В последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.
Нейробионика
- научное направление, изучающее возможность использования принципов строения и функционирования мозга с целью создания более совершенных технических устройств и технологических процессов.
Кибернетика
(от
др.-греч.
κυβερνητική — «искусство управления») —
наука
об общих закономерностях получения, хранения, передачи и преобразования
информации
в сложных управляющих
системах
, будь то
машины
,
живые организмы
или
общество
.
25
ЭКЗОСКЕЛЕТ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ С ГИБРИДНЫМ ЭЛЕКТРО-
ПНЕВМАТИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ. МОДЕЛИ И УПРАВЛЕНИЕ
Рассматривается теоретико-механическая двуногая модель экзоскелета нижних конечностей с гибридными электро-пневматическими приводами. Исследование динамики и синтез законов управления движением аппарата, реализующих шагательные паттерны человека. Работа описывает этап исследований по гранту № 13-01-12037-офи_м РФФИ «Совершенствование и экспериментальное исследование биомехатронного тренажёрного комплекса для исследовательских и лечебных задач двигательной реабилитации». Год 2015 Номер выпуска 3 Сквозной номер 8 Страницы 16-21
НОВЫЕ МЕХАТРОННЫЕ ПЕРФУЗИОННЫЕ НАСОСЫ ДЛЯ КРОВИ
Рассматриваются результаты создания в ЦНИИ РТК гидродинамических и функциональных эксперимен-тальных стендов для доклинических физиологических испытаний новых мехатронных перфузионных насосов для крови. Обосновывается необходимость проведения таких испытаний до начала биологических экспериментов на животных. Описан новый центробежный насос, обладающий оптимальными физиологическими характеристиками.
Год 2015 Номер выпуска 3 Сквозной номер 8 Страницы 22-26
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ЗАПОМИНАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ
КОНФИГУРАЦИЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА НЕЙРОННЫХ
СЕТЯХ СО СТРУКТУРНОЙ АДАПТАЦИЕЙ
В задачах разработки биологически подобных систем управления движением от моделей нейронов и нейронных сетей требуется воспроизвести процессы преобразования импульсных потоков в нейроне и весь путь преобразования сигнала от входов нейрона к его выходу. Наиболее значимым представляется соответствие в структуре связей между нейронами и в свойствах преобразования информационных потоков каждым нейроном сети. В статье представлено описание модели иерархических нейронных сетей, основанных на биологически правдоподобной модели нейрона и обеспечивающих запоминание и последующее воспроизведение конфигураций системы на примере двухзвенного манипулятора. Описана архитектура нейронной сети и принципы ее обучения. Представлены результаты анализа точностных характеристик работы таких нейронных сетей. Год 2015 Номер выпуска 3 Сквозной номер 8 Страницы 46-51
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕДИЦИНСКОЙ РОБОТОТЕХНИКИ В БОРТОВЫХ
ТРЕНАЖЕРАХ И БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ НА ОРБИТАЛЬНОЙ
СТАНЦИИ
26
В статье рассмотрены перспективные направления применения медицинских роботов в области космической медицины, в частности: • построение на технологиях виртуальной реальности, информатики и робототехники бортовых тренажеров-симуляторов, позволяющих обеспечить выработку новых и поддержание у экипажа имеющихся практических навыков и приёмов оказания неотложной медицинской помощи в космическом полете; • применение в экстренных ситуациях в автономном полете манипуляционных роботов для робот-ассистированной хирургии при некоторых заболеваниях и травмах у членов экипажа; • создание новых роботизированных биотехнических комплексов, в дополнение к существующим меди-цинским технологиям для профилактики нарушений состояния здоровья космонавтов. Предлагаемые подходы и решения базируются на прототипах, применяемых в наземных условиях, с учетом сложившейся практики медицинского обеспечения пилотируемых космических полётов и особенностей оказания медицинской помощи космонавтам в полете. Год 2015 Номер выпуска 2 Сквозной номер 7 Страницы 12-17
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ ПО ДАННЫМ
КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СТЗ
Для автономных систем управления мобильных роботов одной из центральных является задача формирования бортовыми средствами такой модели внешней среды, на которой возможно проигрывать и оптимизировать различные варианты будущего поведения и движения и эффективно решать навигационные задачи. Для формирования наиболее полной и достоверной модели предлагается использовать данные комплексированной СТЗ, включающей взаимно-юстированные 3D-лазерный сенсор, цветную видеокамеру и тепловизор. Такое сочетание сенсоров обеспечивает получение геометрической модели внешней среды с распределением на ней цветового и температурного полей, что позволяет более просто и более достоверно решать задачи распознавания объектов и классификации зоны маневрирования не только по критерию геометрической, но и по критерию опорной проходимости. Приведенные в работе результаты натурных экспериментальных исследований позволяют сделать вывод, что использование комплексированных «дально-видео-тепловизионных» изображений позволяет существенно расширить спектр решаемых по данным СТЗ задач распознавания- навигации и повысить эффективность их решения. Год 2015 Номер выпуска 2 Сквозной номер 7 Страницы 51-55
РАЗВИТИЕ МЕДИЦИНСКИХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ
СОВРЕМЕННЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ТЕРАНОСТИКИ
В медицине процесс лечения разделяется на диагностику и терапию. Развитие электроники, компьютерной техники и появление новых материалов с уникальными свойствами, рост вычислительных мощностей сформировали предпосылки для создания нового класса медицинских аппаратных комплексов, совмещающих в себе функции диагностики и лечения. В результате образуется новое научное направление, объединяющее оба процесса, которое получило название «тераностика», происходящее от терминов «терапия» и «диагностика». В качестве примера упомянутого подхода рассматривается таргетная ультразвуковая кавитация микропузырьков, которые вводятся внутривенно, как возможный неинвазивный метод устранения тромбов, вызывающих инсульт и инфаркт миокарда. Для неинвазивного лечения хронической венозной недостаточности и варикозного расширения вен в рамках направления разрабатывается технология ультразвуковой облитерации вен сфокусированным ультразвуком высокой интенсивности. 27
Актуальным становится вопрос комбинации различных способов визуализации, которые используются в диагностических целях, с лечебными технологиями, такими как лучевая терапия. Адресная доставка воздействия при лучевой терапии существенно затруднена из- за постоянного движения органов в процессе дыхания. В ближайшем будущем непрерывная визуализация с помощью магнитно-резонансной томографии будет обеспечивать точное наведение облучения при проведении лучевой терапии, что позволит повысить эффективность и безопасность лечения. Рациональным путем решения сердечно-легочной реанимации при внезапной остановке сердца является создание кардиокомпрессора с удовлетворительными массогабаритными и энергетическими характеристиками. При наличии достаточного сенсорного оснащения решение о выборе режима функционирования будет приниматься экспертной системой, являющейся частью устройства. Создание тераностических аппаратов позволит повысить эффективность, сократить сроки и снизить затраты лечебных учреждений на оказание медицинской помощи. Термин «Тераностика" (theranostics) возник из сочетания слов «терапия» и «диагностика» (от греч. thera(peia) — забота, уход, лечение и (diag)nostikos — способный распознавать) — новый медицинский подход, заключающийся в комплексном решении терапевтических и диагностических проблем путём создания препаратов, которые являются одновременно и терапевтическим агентом и средством ранней диагностики. Год 2015 Номер выпуска 1 Сквозной номер 6 Страницы 12-16
ДИНАМИЧЕСКИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ-ПОДОБНЫЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ В
ЗАДАЧАХ РОБОТОТЕХНИКИ
В статье приведен анализ известных данных об обучении биологических нейронных сетей и предложен способ представления процессов обучения применительно к искусственным нейронным сетям. Приведено математическое описание модели нейрона и правил обучения. Год 2014 Номер выпуска 4 Сквозной номер 5 Страницы 10-12
РОБОТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ХИРУРГИИ. СОВРЕМЕННОЕ
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Достигнутый в современных условиях уровень развития мехатроники, средств связи и компьютерных технологий создает предпосылки для разработки роботизированных хирургических систем и появления практической робомедицины. В статье рассматриваются вопросы актуальности создания мехатронных роботизированных хирургических систем. Обсуждается основная современная проблема хирургических технологий – объективные ограничения физиологических возможностей хирурга и связанных с этим достигнутые пределы по точности выполняемых манипуляций, их повторяемостью, продолжительностью, защитой от «человеческого фактора». Намечены основные наиболее реализуемые в ближайшее время направления развития робомедицины, в том числе при оказании медицинской помощи пострадавшим в результате развития чрезвычайных ситуаций в условиях дефицита сил и средств медицинской службы. Год 2014 Номер выпуска 3 Сквозной номер 4 Страницы 4-8
УПРАВЛЕНИЕ МЕДИЦИНСКИМ МИКРОРОБОТОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
НЕЧЕТКИХ КОНЕЧНЫХ АВТОМАТОВ
В статье рассматриваются методы управления медицинскими микророботами, способными перемещаться внутри трубчатых органов. Описан экспериментальный макет Год 2014 Номер выпуска 3 Сквозной номер 4 Страницы 22-24 28
НЕОКИБЕРНЕТИКА В СОВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЕ СИСТЕМНЫХ ЗНАНИЙ
В статье рассмотрена современная структура системных знаний и определено место неокибернетики в указанной структуре. При этом неокибернетика определена как междисциплинарная наука, ориентированная на разработку методологии постановки и решения проблем анализа и синтеза интеллектуальных процессов и систем управления сложными объектами произвольной природы. В статье определены цели, задачи, объекты исследования и нерешенные проблемы неокибернетики. Год 2014 Номер выпуска 2 Сквозной номер 3 Страницы 3-11 Книга посвящена новому междисциплинарному научному направлению, которое впервые смогло доказать, что универсальная наука, о которой давно мечтали ученые, способная объединить в себе все основные естественные, гуманитарные, технические и теоретические научные дисциплины: от математики до философии, от химии до электроники, от теории алгоритмов до социологии, - не только необходима, но и возможна. Ее рабочее название - "Общая формальная технология" (ОФТ). Благодаря ОФТ впервые удалось найти очень простые решения ряда "вечных" проблем, объясняющих истоки и причины происхождения жизни, законы эволюции и познания, особенности их реализации в биологических, информационных и технических системах. Именно с ее помощью оказалось возможным вычислить структуру чрезвычайно перспективных автоматических технологических систем настоящего и будущего, включая программируемые "нано- фабрики на кристалле", универсальные химические микроанализаторы, многоцелевые аналого-цифровые "системы на кристалле",...
СОЗДАНИЕ МОДЕЛЕЙ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ, КАК СПОСОБ
ОБУЧЕНИЯ КОСМОНАВТОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ С РОБОТОМ –
ПОМОЩНИКОМ И КАК УСЛОВИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ
ОБЛАСТЕЙ ЕГО ПОЛЕЗНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Передовые обучающие технологии и тренажерные системы в области эксплуатации различных роботизированных систем постоянно находятся в центре внимания. Одним из практических подходов к созданию такого вида обучающих и тренажерных систем является использование технологии виртуальной реальности. В частности, этот подход применяется для профессиональной подготовки космонавтов к внекорабельной деятельности на Международной космической станции (МКС) с использованием робототехнических манипуляционных комплексов с дистанционным управлением. В настоящее время возникают новые проблемы в процессе проектирования совместной работы космонавтов с роботом – помощником экипажа (РПЭ) на борту МКС. Изучение способов рационального использования мобильных РПЭ на борту МКС осложняется тем, что натурное моделирование для исследования совместной деятельности космонавтов с РПЭ существенно затруднено. Это повышает роль имитационных моделей, построенных на основе методологии изучения сложных организационно-технических систем (СОТС) и технологии виртуальной реальности, чтобы визуализировать результаты такого моделирования при обучении космонавтов на тренажерах взаимодействию с РПЭ в составе экипажа. Год 2013 Том 1 Номер 1 Страницы 46-52 29
В раздел основное общее образование