Выделение днк: гены на ладони Учебное руководство

Ваша сущность у вас в руках!

Посмотрите на свою ДНК! ДНК является ежедневной темой для разговоров – ее клонируют, секвенируют, картируют, модифицируют. Познакомьте ваших учеников с молекулярной биологией с помощью их собственной ДНК!

К ак ученые выделяют ДНК из клеток, составленных из липидов, белков, углеводов и солей? Мембраны разрушаются детергентом, чтобы ДНК оказалась в растворе; затем белки и другие органические молекулы также разрушаются и отделяются от ДНК. ДНК собирается в виде осадка, с которым далее можно делать все что угодно.

Благодаря этой простой работе, ваши ученики получат представление о том, как в действительности в биотехнологии выделяется ДНК для различных целей. Они выделят их собственную ДНК из своих клеток и увидят, как она образует осадок в виде плавающих белых нитей. Нити ДНК легко можно собрать и переместить в стеклянный сосуд, который можно носить на шее, как кулон!

Увидеть – значит поверить. Для учеников, в первый раз слышащих о молекулярной биологии, ДНК – нечто абстрактное и недоступное взгляду. Эта работа помогает сделать невидимое видимым – убедиться в том, что ДНК вполне реальна и осязаема.

Каждый узнает что-то новое. Эта работа подходит для любого класса и не требует никакого специального оборудования. В старших классах можно совместить эту работу с уроками по строению и функциям ДНК, клеток и ферментов, а в средней школе она может быть замечательным введением в мир науки о ДНК.

Мы приветствуем ваши комментарии и предложения. Наслаждайтесь!

Содержание

Руководство для преподавателей 4

Контрольный список() содержания набора 4

Введение для учителя 5

Введение и основные понятия для уровня средней школы 7

Введение и основные понятия для учеников старших классов 8

Подготовка преподавателей к лабораторной работе 10

Лабораторный протокол в картинках 12

Руководство для учеников: базовый уровень 14

Введение 14

Выделение и осаждение ДНК: лабораторный протокол 17

Руководство для учеников: продвинутый уровень 21

Введение 21

Выделение и осаждение ДНК: лабораторный протокол 26

Приложение 30

Ответы на вопросы (базовый уровень) 31

Ответы на вопросы (продвинутый уровень) 32

Руководство для преподавателей

Контрольный список() содержания набора

В этом разделе перечислены все компоненты, входящие в состав набора по выделению ДНК и требуемые дополнительные принадлежности. Каждый набор рассчитан на девять рабочих мест для учеников (на каждом рабочем месте может работать до 4 человек). Проверьте с помощью этого списка, все ли у вас есть, перед тем как начать работу.

Компоненты в составе набора	Количество	()
Буфер для лизиса	110 мл	
Сухая протеаза и соль	1.5 г	
15 мл пробирки	50	
Разноцветные микропробирки	60	
Стерильные пипетки в индивидуальной упаковке	60	
Необходимые дополнительные принадлежности	Количество	()
91% изопропанол или 95% этанол	ок. 360 мл	
Водяная баня с термометром*	1	
Стакан или штатив чтобы поместить 15 мл пробирки в водяную баню (до 36 пробирок)	1	
Стакан для слива	9	
Штативы для микроцентрифужных пробирок	1-9	
Контейнер со льдом	1	
Фломастеры	1-9	

*Если водяной бани нет, можно воспользоваться термоизолирующим контейнером, например пенопластовой коробкой (достаточно большой, чтобы туда поместился стакан или штатив с 36 пробирками), и налить туда воду, нагретую до 50°С

Введение для учителя

Почему вы должны проводить работу по выделению ДНК?

1. Выделение ДНК позволяет вашим ученикам увидеть их собственные гены

Ваши ученики будут в восторге от того, что смогут собственными глазами увидеть вещество, делающее каждого из нас уникальным и неповторимым. Выделенную ДНК можно перенести в стеклянный сосуд и бережно хранить сколь угодно долго.

2. Выделение ДНК помогает ученикам понять свойства ДНК.

Молекулы ДНК, из которых сделаны наши хромосомы, невероятно длинные и тонкие. Спросите своих учеников, как такие длинные молекулы могут поместиться внутрь микроскопических клеток эпителия щеки. Тонкие белые нити, из которых состоит осадок ДНК – это многие тысячи отдельных молекул, переплетенных друг с другом как клубок ниток.

3. Выделение ДНК это первый шаг в биотехнологии

Выделение ДНК это первый шаг во многих биотехнологических процедурах: клонировании и картировании генов, секвенировании ДНК. Почти любой анализ ДНК подразумевает, что она должна быть выделена из клеток или тканей. С помощью этой работы ученики получают представление о том, как просто можно выделить ДНК для использования в современных научных экспериментах.

Предполагаемый уровень учеников

Эта работа подходит для учеников от 7 до 11 класса, как введение в мир ДНК или как впечатляющее дополнение к урокам молекулярной биологии. Даже для учеников, которые уже выделяли ДНК из клеток кожицы лука или из клеток печени, выделение своей собственной ДНК покажется гораздо более важным и интересным.

Это руководство содержит материалы как для уровня средней школы (базовый уровень), так и для уровня старших классов (продвинутый уровень). В зависимости от ваших потребностей, вы можете включать то или иное содержание в ваши уроки. Для каждого уровня приведено полное руководство.

Место в курсе

Эта работа может быть выполнена в любое удобное время в течение года, но наиболее полезно связать ее со следующими темами:

Биомолекулы

Строение клетки

Митоз и мейоз

Генетика

ДНК-технология

Ученики старших классов перед началом этой работы должны иметь представление о структуре и функции ДНК. От учеников средней школы никаких предварительных знаний не требуется.

Разбивка по урокам

Эту работу можно уложить в один 45-минутный урок, но можно расширить это занятие, включив туда дополнительный материал:

Урок 1 Введение в тему

Урок 2 Выделение и осаждение ДНК из клеток эпителия щеки

Урок 3 Изготовление ДНК-кулона (по желанию)

Вопросы безопасности

В этой работе не требуется никаких специальных мер предосторожности. Тем не менее, в помещении, где выполняется работа, нельзя есть, пить, курить, пользоваться косметикой. Рекомендуется использование перчаток и защитных очков. Ученики должны вымыть руки с мылом до и после урока. Если какой-то из растворов попадет кому-либо из учеников в глаза, тщательно промойте их водой.

Ключи к успеху

Для успешного выполнения работы необходимо собрать достаточное количество клеток со внутренней поверхности щеки. Проверьте, чтобы ваши ученики правильно выполнили эту процедуру.

Введение и основные понятия для уровня средней школы

Что такое ДНК и что она делает?

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – это молекула, присутствующая в клетках всех живых организмов - бактерий, растений, животных. ДНК несет генетическую информацию, которая наследуется, то есть передается от родителей к потомкам. ДНК определяет все физические признаки и особенности человека: цвет волос, глаз и кожи; рост; черты лица; группу крови и бесчисленное множество других. Ваша ДНК является комбинацией ДНК вашего отца (из его сперматозоидов) и вашей матери (из ее яйцеклетки). сформировавшейся после оплодотворения.

ДНК состоит из четырех повторяющихся химических «кирпичиков»: А (аденин), Г (гуанин), Т (тимин), Ц (цитозин). Последовательность этих четырех «букв» кодирует генетическую информацию. Из 33 букв русского алфавита складывается бесчисленное количество слов; так из 4 букв на языке ДНК составляются понятные для клеток слова, называемые генами. Гены содержат информацию для синтеза белков, которые составляют основу нашего тела и всех его клеток.

Все молекулы ДНК в вашей клетке образуют ваш геном. Точная последовательность букв в вашем геноме делает вас уникальным. Ученые установили, что последовательности ДНК у всех людей на 99.9% одинаковы. За наши различия между собой отвечает всего <0.1% последовательности ДНК!

Где находится ДНК?

За редким исключением, ДНК находится в каждой клетке любого организма. В наших клетках есть специальная структура, содержащая ДНК, так называемое ядро. Каждый раз когда клетка делится (при росте тела, залечивании повреждений или размножении организма) содержащаяся в ядре ДНК копируется и плотно упаковывается в хромосомы. Человеческий геном состоит из 46 хромосом, содержащих приблизительно 30,000 генов – инструкций по которым сделаны наши тела.

На что похожа ДНК?

На молекулярном уровне, ДНК похожа на винтовую лестницу. «Лестница» состоит из двух цепей ДНК, а пары букв А, Т, Г, Ц образуют «ступени». Структура, образуемая ДНК, называется двойной спиралью. Каждая нить ДНК очень тонкая и длинная, и плотно упакована, чтобы поместиться в клеточное ядро. Если полностью развернуть все 46 хромосом человека и сложить в ряд, цепочка ДНК достигнет двух метров в длину, а ширина цепи составит всего 2 нанометра (2 миллиардных части метра).

Рис 1. Схематичное изображение ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). ДНК – это длинная, похожая на цепь молекула, хранящая генетическую информацию

Как мы можем увидеть ДНК?

Мы можем увидеть ДНК, если возьмем много клеток, вскроем их, и соберем ДНК изо всех клеток вместе. Представьте себе молекулы ДНК как длинные белые нитки. Если нити висят в воздухе вдоль всей комнаты, их сложно увидеть, но если собрать все нитки в моток на полу, он будет виден очень хорошо. В этой лабораторной работе с помощью детергента и ферментов, ваши ученики вскроют клетки, собранные со внутренней поверхности щек и высвободят их них ДНК. Затем добавляется соль и холодный спирт, которые заставляют ДНК выпасть в осадок в виде достаточно большой, заметной глазу массы.

Введение и основные понятия для учеников старших классов

Применение ДНК-технологии

Эта работа может быть частью уроков, посвященных структуре и функции ДНК, и позволит дать ученикам простой опыт общения со своей собственной ДНК. Но она приобретет еще большее значение, если ученикам будет понятно, что выделение ДНК является первым шагом многих биотехнологических процессов, таких как:

Клонирование

Клонирование – это получение множества копий гена или генома. Поврежденный ген, вызывающий болезнь, может быть клонирован, чтобы в дальнейшем определить его последовательность (секвенировать) и проанализировать с целью найти лекарство. Ген, кодирующий интересующий нас белок, может быть клонирован с целью перенести его в другой организм (см. Перенос генов ниже). Аналогично, весь геном может быть клонирован, путем переноса в ядра клеток, каждая из которых способна развиться в целый организм.

Перенос генов: генетически модифицированные организмы (ГМО)

Для того, чтобы получать большие количества ценных белков, таких как человеческий тромбин, гены, кодирующие такой белок, переносят в другие организмы, клетки которых можно быстро вырастить в большом количестве. Это могут быть бактерии, дрожжи, плесневые грибы, растения или животные.

Иногда для производства нужного белка используют млекопитающих. Ген, кодирующий полезный белок, переносят в оплодотворенную яйцеклетку коровы. Молоко генетически модифицированной коровы будет содержать этот белок, и его можно будет оттуда выделить.

Сельскохозяйственные растения сейчас часто содержат гены, происходящие из других организмов. Например, некоторые содержат ген, кодирующий белок, защищающий растения от гусениц. Другие могут содержать ген, дающий устойчивость к гербицидам, так что фермеры могут безбоязненно обработать ими все поле, уничтожив сорняки.

ДНК-профилирование

Используя технологию полимеразной цепной реакции (ПЦР), ученые могут находить отдельные участки ДНК, по которым одни люди отличаются от других, и получать большие количества этих последовательностей для анализа. С помощью гель-электрофореза можно наблюдать различия между двумя индивидами в виде набора полос, напоминающего штрих-код. Это технология помогает раскрывать преступления, определять отцовство и устанавливать эволюционное связи между разными видами.

Выделение и очистка ДНК: как это работает?

Ученики начинают работу с того, что осторожно пожевывают внутренние поверхности щек; при этом с них слущиваются эпителиальные клетки. Затем они полощут рот водой и сплевывают ее в пробирку или стакан, чтобы собрать клетки. К воде, содержащей клетки, добавляется буферный раствор для лизиса, содержащий детергент (моющее средство), разрушающий фосфолипидные мембраны клеток и высвобождающий ДНК. Буферный раствор обладает свойством поддерживать определенный pH, чтобы ДНК оставалась стабильной.

Для того, чтобы разрушить связанные с ДНК белки, а также белки, которые могут повредить ДНК, к раствору добавляется протеаза – фермент, расщепляющий белки. Клеточный лизат, содержащий протеазу, инкубируется на оптимальной для ее работы температуре - 50ºС.

ДНК и другие компоненты клетки, такие как белки, сахара и жиры, растворяются в буфере для лизиса. ДНК растворяется благодаря тому, что окружена молекулами воды, не дающими отрицательно заряженным фосфатным группам образовать прочные связи с положительно заряженными ионами, находящимися в растворе. Когда к раствору добавляется большое количество спирта, молекул воды становится относительно мало, и они уже не препятствуют взаимодействию ионов натрия с ДНК с образованием натриевой соли ДНК. На границе слоев воды и спирта начинает образовываться осадок в виде тонких белых нитей. В то же время, другие компоненты клетки остаются в растворе.

Подготовка преподавателей к лабораторной работе

Этот раздел содержит общий план работы, описывает необходимую подготовку, которую надо будет провести перед работой, моменты, которые надо будет подчеркнуть, и конкретную последовательность экспериментальных процедур.

План работы

Урок 1 Введение в работу.

По желанию – наглядно объясните как будет производиться выделение ДНК (рекомендуется для учеников 7-9 классов). См. Приложение в конце руководства

Урок 2 Собирание клеток со слизистой щек, выделение и осаждение ДНК

Урок 3 30-45 минут – изготовление ДНК-кулона (по желанию)

Использование пипетки

Перед началом лабораторных занятий, покажите ученикам градуировки на пипетке. В качестве единицы измерения в течение работы будет применяться как 250 мкл так и 1 мл

1. Поместите спирт (этанол или изопропанол) в морозильник не менее чем за час до начала работы

2. Возьмите пакет, содержащий сухую протеазу и соль (помеченный prot) и надрежьте один угол. Высыпьте порошок в 15 мл пробирку. Добавьте 15 мл воды. Можно использовать как питьевую, так и дистиллированную воду.

Приготовленный раствор протеазы надо хранить в холодильнике при +4ºС. Его можно использовать в течение недели. Если вы рассчитываете использовать набор для нескольких групп учеников в разное время, то надо отмерить часть порошка для использования сейчас, и сохранить другую часть в сухом виде для того, чтобы использовать потом. Концентрация протеазы в растворе должна быть 100 мг/мл.

Отмерьте по 1.25 мл раствора протеазы в 8 розовых микропробирок, как описано ниже.

Подготовка растворов для рабочих мест учеников (4 ученика на одно рабочее место):

1. Налейте 3 мл воды в 15-мл пробирку (по одной на каждого ученика). Подойдет любой тип питьевой воды

2. Налейте 1.25 мл раствора протеазы в 9 розовых микропробирок и обозначьте их «прот»

3. Налейте по 10 мл буфера для лизиса в 9 15-мл пробирок. Напишите на каждой «лизис»

4. Положите 4 15-мл пробирки с водой и пробирку с буфером для лизиса в стакан или штатив и поставьте на каждое рабочее место. Также положите или поставьте в штатив на каждом рабочем месте одну розовую микропробирку с раствором протеазы.

Замечание: не всем может показаться удобным выплевывать воду после полоскания рта в 15 мл пробирку. Как альтернативный вариант, можно использовать любые маленькие стаканчики для питья.

Контрольный список для проверки рабочих мест

Материалов в этом наборе достаточно для обеспечения работы 36 учеников

Рабочее место учителя

Нагретая до 50°С водяная баня со стаканом или штативом для 36 15 мл пробирок

Охлажденная бутылка 91% изопропанола или 95% этанола на льду

Рабочие места учеников (4 ученика на место)	Число
15 мл пробирки, по 3 мл воды в каждой	4
Розовая микропробирка, подписанная «прот», содержащая 1.25 мл раствора протеазы	1
15 мл пробирка, подписанная «лизис», содержащая 10 мл буфера для лизиса	1
Одноразовые пластиковые пипетки	6
Фломастер	1
Стакан для слива	1

Замечания для преподавателя

Для успешного выполнения работы необходимо собрать достаточное количество клеток со внутренней поверхности щеки. Проверьте, чтобы ваши ученики правильно выполнили эту процедуру.

Л абораторный протокол в картинках

1. Возьмите с вашего стола 15 мл пробирку, содержащую 3 мл воды. Подпишите ее вашими инициалами.

2. Осторожно пожуйте внутренние поверхности ваших щек в течение 30 секунд. НЕ НАДО кусать щеки до крови!

3. Наберите воду из 15-мл пробирки в рот и тщательно полощите его в течение 30 секунд.

4. Аккуратно выплюньте воду обратно в пробирку

5. Возьмите пробирку с буфером для лизиса с вашего стола, и добавьте 2 мл буфера к вашему образцу.

6. З акрутите пробирку крышкой и аккуратно переверните пробирку 5 раз (не трясите ее!). Посмотрите на пробирку. Вы заметили какие-то изменения? Если да, запишите их.

7. Возьмите с вашего стола маленькую пробирку с протеазой («прот»). Добавьте 5 капель протеазы (5x250 мкл) к вашему образцу.

8. Закройте пробирку и несколько раз переверните ее, чтобы перемешать содержимое

9. П оместите вашу пробирку в штатив или стакан на водяную баню, нагретую до 50°С на 10 минут. По истечении этого времени выньте пробирки.

10. Возьмите у вашего преподавателя пробирку с холодным спиртом. Держа пробирку с вашим образцом под углом 45, наполните ее спиртом (надо добавить около 10 мл).

11. Закройте вашу пробирку крышкой и понаблюдайте за ней, не трогая ее, в течение 5 минут. Запишите все что происходит в пробирке.

12. Через 5 минут медленно переверните пробирку 5 раз, чтобы ускорить осаждение ДНК

13. Вы можете сохранять свою ДНК в микропробирке, или сделать ДНК-кулон, перенеся 750 мкл-1 мл раствора в стеклянный фиал (см. набор ДНК-кулон)

Руководство для учеников: базовый уровень

Гены на ладони: ваша сущность у вас в руках

Содержание

Урок 1 Введение

Урок 2 Выделение и осаждение ДНК из клеток слизистой щеки

Урок 3 Изготовление ДНК-кулона (по желанию)

Введение

Что такое ДНК и что она делает?

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – это молекула, присутствующая в клетках всех живых организмов - бактерий, растений, животных. ДНК несет генетическую информацию, которая наследуется, то есть передается от родителей к потомкам. ДНК определяет все физические признаки и особенности человека: цвет волос, глаз и кожи; рост; черты лица; группу крови и бесчисленное множество других. Ваша ДНК является комбинацией ДНК вашего отца (из его сперматозоидов) и вашей матери.(из ее яйцеклетки) сформировавшейся после оплодотворения.

ДНК состоит из четырех повторяющихся химических «кирпичиков»: А (аденин), Г (гуанин), Т (тимин), Ц (цитозин). Последовательность этих четырех «букв» кодирует генетическую информацию. Из 33 букв в русском алфавите складывается бесчисленное количество слов; так из 4 букв на языке ДНК составляются понятные для клеток слова, называемые генами. Гены содержат информацию для синтеза белков, которые составляют основу нашего тела и всех его клеток.

Все молекулы ДНК в вашей клетке образуют ваш геном. Точная последовательность букв в вашем геноме делает вас уникальным. Ученые установили, что последовательности ДНК у всех людей на 99.9% одинаковы. За наши различия между собой отвечает всего <0.1% последовательности ДНК!

Где находится ДНК?

Наши тела состоят из мельчайших «кирпичиков» - клеток. Из них составлены все ткани и органы (мышцы, мозг, железы, пищеварительная система, кожа и.т.п.). Клетки отделены одна от другой мембранами, сделанными из липидов (жиров) и белков. Внутри клетки также есть разные структуры со специализированными функциями. Одна из структур, так называемое ядро, является «генеральным штабом» клетки. В нем находятся молекулы ДНК, содержащие инструкции для выполнения всех функций клетки. Наши клетки содержат 46 молекул ДНК, плотно упакованных особым образом – хромосом. При каждом делении клетки хромосомы копируются, так что дочерние клетки получают идентичный генетический материал.

На что похожа ДНК?

На молекулярном уровне, ДНК похожа на винтовую лестницу. «Лестница» состоит из двух цепей ДНК, а пары букв А, Т, Г, Ц образуют «ступени». Структура, образуемая ДНК, называется двойной спиралью. Каждая нить ДНК очень тонкая и длинная, и плотно упакована, чтобы поместиться в клеточное ядро. Если полностью развернуть все 46 хромосом человека и сложить в ряд, цепочка ДНК достигнет двух метров в длину, а ширина цепи составит всего 2 нанометра (2 миллиардных части метра).

Рис 1. Схематичное изображение ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). ДНК – это длинная, похожая на цепь молекула, хранящая генетическую информацию

Как мы можем увидеть ДНК?

Шаг 1. Собрать клетки

Чтобы увидеть вашу ДНК, вам придется собрать клетки с внутренней поверхности вашей щеки, лизировать их, и объединить ДНК из всех клеток вместе. Для того, чтобы собрать тысячи клеток, достаточно просто пожевать внутренние поверхности щек и промыть рот водой. Эпителиальные клетки внутри вашего рта делятся один или два раза в день. Старые клетки постоянно слущиваются, а их место занимают новые. Это происходит каждый раз, когда вы едите