Урок биологии: " Вирусы как объекты наномира"

Тип урока: комбинированный урок, рассчитан на 2 часа.

Рекомендуется использование  презентации «Нанообъект» (Приложение).

Цель урока: продолжить формирование знаний учащихся об эволюционном происхождении, строении, значении и применении вирусов как объектов наномира.

Задачи:

• Образовательные:
  • расширить знания о строении и функционировании вирусов.
  • углубить знания о значении вирусов в эволюции, природе и жизни человека.
  • дать представление о практическом значении вирусов в нанобиотехнологиях для медицины, экологии и других производств.
• Развивающие:
  • продолжить развитие познавательных процессов  через:
  • работу с новыми понятиями в нанобиотехнологии,
  • умение работать в группах, анализировать, сравнивать, делать выводы,    подводить итоги.
• Воспитательные:
  • формировать патриотического воспитания через гордость за отечественного ученого, сделавшего величайшее открытие в области вирусологии.
  • осуществлять санитарно-гигиенического воспитания.
  • ознакомить учащихся с перспективами развития нанотехнологии и тем самым расширить их профориентационные возможности.

Оборудование: персональный компьютер, проектор.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент

2. Вступление

Яркими представителями наномира являются вирусы. Вирусы – простейшая неклеточная форма жизни на 3емле, находящаяся на границе между неживой и живой природой.

3. Открытие вирусов – лекция:

О существовании вирусов ученые догадывались еще за несколько десятилетий до того, как они были открыты. Пастер, исследуя причины возникновения бешенства, не смог найти в телах скончавшихся от этой болезни каких-либо организмов, которые могли бы вызывать ее. Не отказавшись от своей теории, согласно которой причиной заболевания были микроорганизмы, Пастер предположил, что в данном случае эти микроорганизмы слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Он оказался прав.

В 1892 году русский микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский изучал табачную мозаику – болезнь растения табака, при которой его листья становятся пятнистыми. Ивановский обнаружил, что сок, полученный из пораженных листьев, при нанесении его на здоровые растения способен передавать им болезнь Желая выделить микроорганизмы, вызывающие табачную мозаику, Ивановский решил пропустить сок из больных листьев через фарфоровые фильтры, поры которых столь малы, что через них не могут пройти даже самые мелкие бактерии. Профильтрованный сок по-прежнему инфицировал здоровые растения, и Ивановский решил, что его фильтры имеют дефекты и поэтому пропускают сквозь себя бактерии, вызывающие табачную мозаику.

Нидерландский микробиолог Мартинус Виллем Бейеринк в 1897 году, повторив эксперимент Ивановского, пришел к выводу, что агент, вызывающий болезнь табака, слишком мал, чтобы поры фарфорового фильтра смогли его задержать. Бейеринк перепробовал все доступные в то время микроскопы, но так и не смог обнаружить хоть что-либо, что можно было принять за возбудителя этого заболевания. Поскольку попытки вырастить культуру этого болезнетворного агента также оказались неудачными, ученый решил, что инфицирующим агентом является некое вещество, молекула которого примерно такого же размера, как и молекула сахара. Бейеринк назвал этот инфицирующий агент фильтрующимся вирусом (слово «вирус» латинское, оно переводится как «отрава», «яд»). 

В том же году немецкий микробиолог Фридрих Август Иоганнес Лефлер обнаружил, что агент, вызывающий ящур, болезнь, которой страдает крупный рогатый скот, также проходит сквозь поры фарфорового фильтра. Четыре года спустя уже известный вам Уолтер Рид в поисках возбудителя желтой лихорадки выявил, что инфицирующий агент является фильтрующимся вирусом. В 1914 году немецкий микробиолог Вальтер Крузе показал, что обычную простуду вызывают также вирусы.

К 1931 году было установлено, что вирусы являются виновниками примерно 40 болезней, среди которых оказались корь, свинка, ветрянка, грипп, оспа, полиомиелит и бешенство, но природа вирусов все еще оставалась загадкой. Она была полностью покрыта завесой тайны до тех пор, пока английский микробиолог Уильям Джозеф Элфорд не стал использовать фильтры из коллодия, – уменьшая размеры пор, он мог осаждать на этих фильтрах все более мелкие частицы. Наконец ему удалось осадить на фильтрах некие материальные частицы, которые и являлись инфицирующими агентами, – жидкости после пропускания их через фильтр становились незаразными. Зная размеры пор используемых мембран, он мог судить о размерах вирусов, вызывавших конкретное заболевание. Оказалось, что Бейеринк был не прав, даже самый маленький вирус был крупнее большинства молекул. Самые большие вирусы по размерам приближались к риккетсиям.

В течение нескольких лет после открытия Элфорда ученые спорили, являются ли вирусы живой материей или нет.

4. Происхождение вирусов

По этому вопросу были выдвинуты три основные гипотезы.   Согласно первой из них, вирусы являются потомками бактерий или других одноклеточных организмов, претерпевших дегенеративную эволюцию. Согласно второй, вирусы являются потомками древних, доклеточных, форм жизни, перешедших к паразитическому способу существования. Согласно третьей, вирусы являются дериватами клеточных генетических структур, ставших относительно автономными, но сохранившим зависимость от клеток.

Возможность дегенеративной эволюции была неоднократно установлена и доказана, и, пожалуй, наиболее ярким примером ее может служить происхождение некоторых клеточных органелл эукариотов от симбиотических бактерий. В настоящее время на основании изучения гомологии нуклеиновых кислот можно считать установленным, что хлоропласты простейших и растений происходят от предков нынешних сине-зеленых бактерий, а митохондрии – от предков пурпурных бактерий. Обсуждается так же возможность происхождения центриолей от прокариотических симбионов. Поэтому такая возможность не исключена и для происхождения вирусов, особенно таких крупных, сложных и автономных, каким является вирус оспы.

Все же мир вирусов слишком разнообразен, чтобы признать возможность столь глубокой дегенеративной эволюции для большинства его представителей, от вирусов оспы, герпеса и иридовирусов до аденосателлитов, от реовирусов до сателлитов вируса некроза табака или РНК-содержащего дельта-вируса – сателлита вируса гепатита В, не говоря уж о таких автономных генетических структурах, как плазмиды или вироиды. Разнообразие генетического материала у вирусов является одним из аргументов в пользу происхождения вирусов от доклеточных форм. Действительно, генетический материал вирусов «исчерпывает» все его возможные формы: одно- и двунитевые РНК и ДНК, их линейные, циркулярные и фрагментарные виды. Природа как бы испробовала на вирусах все возможные варианты генетического материала, прежде чем окончательно остановила свой выбор на канонических его формах – двунитевой ДНК как хранителе генетической информации и однонитевой РНК как ее передатчике. И все же разнообразие генетического материала у вирусов скорее свидетельствует о полифилетическом происхождении вирусов, нежели о сохранении предковых доклеточных форм, геном которых эволюционировал по маловероятному пути от РНК к ДНК, от однонитевых форм к двунитевым и т. п.

Третья гипотеза 20–30 лет казалась маловероятной и даже получила ироническое название гипотезы взбесившихся генов. Однако накопленные факты дают все новые и новые аргументы в пользу этой гипотезы. Ряд этих фактов будет обсужден в специальной части книги. Здесь же отметим, что именно эта гипотеза легко объясняет не только вполне очевидное полифилетическое происхождение вирусов, но и общность столь разнообразных структур, какими являются полноценные и дефектные вирусы, сателлиты и плазмиды и даже прионы. Из этой концепции также вытекает, что образование вирусов не явилось единовременным событием, а происходило многократно и продолжает происходить в настоящее время. Уже в далёкие времена, когда начали формироваться клеточные формы, наряду и вместе с ними сохранились и развивались неклеточные формы, представленные вирусами – автономными, но клеточно-зависимыми генетическими структурами. Ныне существующие вирусы являются продуктами эволюции, как древнейших их предков, так и недавно возникших автономных генетических структур. Вероятно, хвостатые фаги служат примером первых, в то время как R-плазмиды – примером вторых.

5. Классификация вирусов – работа с таблицей. Поскольку основу всего живого составляют генетические структуры, то и вирусы классифицируют сейчас по характеристике их наследственного вещества – нуклеиновых кислот. Все вирусы подразделяют на две большие группы: ДНК-содержащие вирусы (дезоксивирусы) и РНК-содержащие вирусы (рибовирусы). Затем каждую из этих групп подразделяют на вирусы с двухнитчатой и однонитчатой нуклеиновыми кислотами. Следующий критерий – тип симметрии вирионов (зависит от способа укладки капсомеров), наличие или отсутствие внешних оболочек и т.п.

Таблица 1.1. Классификация вирусов

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИРУСОВ
ДЕЗОКСИВИРУСЫ		РИБОВИРУСЫ
1. ДНК двухнитчатая	2. ДНК однонитчатая	1. РНК двухнитчатая	2. РНК однонитчатая
1.1. Кубический тип симметрии: 1.1.1. Без внешних оболочек: аденовирусы 1.1.2. С внешними оболочками: герпес-вирусы 1.2. Смешанный тип симметрии: Т-четные бактериофаги 1.3. Без определенного типа симметрии: оспенные вирусы	2.1. Кубический тип симметрии: 2.1.1. Без внешних оболочек: крысиный вирус Килхама, аденосателлиты	1.1. Кубический тип симметрии: 1.1.1. Без внешних оболочек: реовирусы, вирусы раневых опухолей растений	2.1. Кубический тип симметрии: 2.1.1. Без внешних оболочек: вирус полиомиелита , энтеровирусы, риновирусы 2.2. Спиральный тип симметрии: 2.2.1. Без внешних оболочек: вирус табачной мозаики 2.2.2. С внешними оболочками: вирусы гриппа, бешенства, онкогенные РНК-содержащие вирусы, ВИЧ

Приведенная таблица имеет некоторое сходство с таблицей Менделеева. В ней тоже есть незаполненные места. Так, например, до сих пор неизвестны дезоксивирусы со свойствами 2.2 (однонитчатая ДНК, спиральный тип симметрии) или рибовирусы со свойствами 1.2 (РНК двухнитчатая, смешанный тип симметрии). Может быть, что таких вирусов и нет в природе, а может, их еще не открыли. Совсем недавно рибовирусы со свойствами 1.1.1 не были известны, но затем оказалось, что к ним относятся реовирусы и сходные с ними вирусы раневых опухолей растений. То же самое относится и к дезоксивирусам со свойствами 2.1.1.

Ближайшие годы покажут, реализовала ли природа все возможные схемы строения вирусов, или некоторые из них оказались нежизненными и потому нереализованными.

6. Строение вируса – работа с таблицей и рисунками: Вирусы устроены просто – это молекула ДНК или РНК, заключённая в белковый капсид. Сложные вирусы, такие как ВИЧ, имеют ещё и внешнюю оболочку (липидную мембрану) с гликопротеинами – рецепторами, которые опознают клетку хозяина. Вирусы, поражающие бактерии, называются бактериофагами. Все фаги имеют многогранную призматическую головку и хвост. Диаметр головки 60-95 нм, длина хвоста – 250 нм. Бактериофаг «работает» как живой шприц одноразового действия.
http://school-collection.edu.ru/catalog/rubr/000001a6-a000-4ddd-9fa3-4e0046b1dbb1/81894/

7. Функционирование вирусов – работа со схемой:

8. Роль вирусов:

Негативная роль

• Вызывают заболевания растений, животных и человека.
• Используются как биологическое оружие.

Позитивная роль

• Регулируют численность живых организмов в биосфере.
• Являются объектом нано – биотехнологий.

А) Заболевания человека, вызванные вирусами:

Основными путями передачи вирусной инфекции являются:

• Пищевой путь, при котором вирус попадает в организм человека с загрязненными продуктами питания и водой (вирусный гепатит А, Е и др.)
• Парентеральный (или через кровь), при котором вирус попадает непосредственно в кровь или внутреннюю среду человека. Главным образом это происходит при манипуляции зараженными хирургическими инструментами или шприцами, при незащищенном половом контакте, а также трансплацентарно от матери к ребенку. Таким путем передаются хрупкие вирусы, быстро разрушающиеся в окружающей среде (вирус гепатита В, ВИЧ, вирус бешенства и др.).
• Дыхательный путь, для которого свойственен воздушно-капельный механизм передачи, при котором вирус попадает в организм человека вместе с вдыхаемым воздухом, который содержит частицы мокроты и слизи выброшенных больным человеком или животным. Это наиболее опасный путь передачи, так как с воздухом вирус может переноситься на значительные расстояния и вызывать целые эпидемии. Так передаются вирусы гриппа, парагриппа, свинки, ветряной оспы и др.

Большинство вирусов обладают определенным сродством к тому или иному органу. Например, вирусы гепатита размножаются преимущественно в клетках печени. По типу органов-мишеней, которые поражаются в ходе той или иной болезни различаем следующие виды вирусных заболеваний: кишечные, респираторные (дыхательные), поражающие центральную и периферическую нервную систему, внутренние органы, кожу и слизистые оболочки, сосуды, иммунную систему и пр.

Б) Вирусы вызывают табачную мозаику, раковые опухоли у растений, у животных и человека – оспу, грипп, полиомиелит, гепатит, СПИД. Наибольшую опасность в наше время представляет вирус СПИДа. Он попадает в организм человека при переливании крови, при половых контактах. Этот вирус поражает клетки организма, отвечающие за иммунитет. В результате человек оказывается беззащитным перед инфекционными болезнями и быстро погибает.

9. Меры профилактики:

• Соблюдение здорового образа жизни.
• Меры по повышению иммунитета.
• Повышение санитарной культуры населения.
• Своевременное выявление и лечение больных.
• Ношение марлевых повязок при контакте с больными.
• Соблюдение санитарно-гигиенических правил.
• Вакцинация населения.

10. Вирусы в нанобиотехнологии – доклады учащихся с использованием презентаций.

Краткое содержание:

1) Вирусы в борьбе против раковых заболеваний

Вирусотерапия – это новое направление в лечении онкологических заболеваний, основанное на применении вирусов, избирательно инфицирующих и уничтожающих раковые клетки. Чаще всего для этой цели используют аденовирусы. При этом создают «искусственный вирус», в геном которого встраивают ген (промотор), позволяющий вирусной ДНК размножаться только в раковых клетках. Миллионы дочерних вирусных частиц, образующихся в раковой клетке, в итоге буквально разрывают ее на части и инфицируют другие раковые клетки. Нормальные клетки тоже инфицируются, но вирус там не размножается и никакого вреда им не причиняет.

Наряду с этим вирусы, использующиеся в вирусотерапии, способны не только физически уничтожать раковые клетки, разрывая их на части, но и доставлять в клетки гены, повышающие их чувствительность к обычным химиотерапевтическим препаратам.

2) Вирусы в наноэлектронике и наносистемах

Исследователи Массачусетского технологического института провели оригинальный эксперимент: молекулу ДНК со случайной последовательностью нуклеотидов, кодирующих различные белки, включили в состав ДНК бактериофага в таком участке, чтобы белки на ДНК-доноре синтезировались на поверхности вируса. Колония таких бактериофагов была помещена в среду, к которой исследователи хотели осуществить адгезию белков. После того как поверхность питательной среды была промыта, на ней остались только те вирусы, поверхность которых содержала адгезивные к субстрату белки. Отобранные вирусы поместили в  новую среду и добились роста их колонии. Таким способом можно создавать белки, которые будут соединяться с различными материалами, образуя новые структуры Исследователи надеются создать «библиотеку» вирусов, производящих белки, адгезивные к золоту, платине, серебру, оксиду цинка, арсениду галлия и др. Вирус размножается, образуя при этом длинные нити, покрытые металлом. Последние, несомненно, найдут применение в наноэлектронике и наносистемах.

3) Вирусы в коррекции наследственных аномалий

Многие наследственные заболевания человека вызваны различными генными мутациями. К их числу относятся гемофилия, дальтонизм, фенилкетонурия и др. Учеными установлено, что ретровирусы могут быть использованы для лечения некоторых наследственных заболеваний человека. При этом с помощью методов генетической инженерии в геном вируса вводятся гены человека, нарушение работы которых в организме больного привело к развитию определенной болезни. Такие искусственные ретровирусы способны встраивать свои гены в геном клетки-хозяина, где они функционируют неограниченно долго, восполняя дефицит продуктов дефектных генов организма-хозяина.

4) Встраивание корректирующего гена в геном клетки вирусным вектором

Для изменения наследственной информации клетки в генной инженерии применяется метод встраивания чужеродного гена в геном клетки.Выделенный или синтезированный фрагмент ДНК (ген) не может самостоятельно встраиваться в ДНК клетки-мишени и тем более начинать функционировать. Для переноса необходимого гена создается векторная конструкция (вектор), несущая необходимый ген и способная встраиваться в геном клетки. Кроме того, вектор обеспечивает стабильное наследование встраиваемого гена и может иметь маркер для обнаружения. Векторные конструкции обычно создают на основе плазмид и вирусов.

Простейшие векторы включают следующие компоненты:

• участок, обеспечивающий репликацию ДНК вируса и перенесенного гена;
• маркер, позволяющий определить клетку, несущую вирусную ДНК со встроенным геном;
• встроенный ген.

В организме (клетке) процесс рекомбинации возможен только между гомологичными молекулами ДНК. Однако оказалось, что возможно взаимодействие (гибридизация) молекул ДНК, имеющих различное происхождение. Для этого необходимо лишь наличие коротких (от 4 до 20 нуклеотидов) односпиральных участков на концах молекул ДНК, которые получили название «липких концов». Они позволяют соединяться («слипаться») различным фрагментам ДНК посредством образования водородных связей между односпиральными участками. После обработки ДНК вируса и ДНК вводимого гена рестриктазой получаются линейные ДНК вируса и гена, имеющие «липкие» концы. Обработка смеси ДНК вируса и гена ДНК-лигазой приводит к образованию вируса, содержащей встроенный чужеродный ген.

5) Бактериофаги вместо антибиотиков

Свободную продажу противомикробных средств предлагается ограничить из-за возникновения у бактерий устойчивости к бездумно применяемым населением антибиотикам.  Чтобы антибиотик восстановил свою активность, необходимо прекратить его использование не менее чем на сорок лет.

Один из способов решения проблемы лекарственной устойчивости – частичная замена антибиотиков  бактериофагами.

Традиционные антимикробные средства – это химические яды, более или менее избирательно действующие на болезнетворные бактерии. Бактериофаги действуют по другому принципу. Фактически это разнообразные вирусы, каждый из которых уничтожает строго определенный подвид бактерий. В этом их преимущество перед любым другим химическим лекарством.

Бактериофаги действуют медленнее, но зато они безвредны: не влияют на естественную флору организма, не вызывают дизбактериоза. Бактериофаги могут применяться вместе с антибиотиками в тяжелых случаях.

А в ситуации, когда инфекция не поддается лечению антибиотиками, когда микробы выработали к ним устойчивость, фаги могут спасти».

Сейчас отечественные бактериофаги используются для лечения и профилактики острых кишечных инфекций – дизентерии, брюшного тифа и сальмонеллеза, а также для лечения гнойно-септических и других заболеваний.

11. Вопросы для закрепления:

• Каков общий план строения вирусов?
• Почему считают, что вирусы являются «мостиком» между живой и неживой природой?
• Как происходит размножение вирусов?
• Опишите характерные черты строения бактериофага.
• На чем основано использование вирусов для лечения наследственных заболеваний?
• Как можно использовать вирусы в лечении раковых заболеваний?
• Какие нанотехнологии на основе вирусов Вам известны?
• Можно ли назвать вирусы представителями наномира?

12. Домашнее задание:

• Создать информационную базу по вопросам использования вирусов в нанотехнологиях.
• Создать листок здоровья на тему: «Вирусные заболевания и меры их профилактики».
• Разместить информацию на сайте школы.

13. Источники информации:

1. Общая биология: Учеб. для 10-11 кл./ В.Б.Захаров, С.Г.Мамонтов стр.181-189
2.  Введение в нанотехнологии. Биология.Глава7. www.nano-edu.ulsu.ru
3.  Урок «Вирусы» http://school-collection.edu.ru/catalog/rubr/000001a6-a000-4ddd-9fa3-4e0046b1dbb1/81894/
4.  Сыч В.Ф. Общая биология: Учебник для высшей школы. – Москва: Академический Проект, 2007. – 330с.
5. Интернет сайты:
http://www.nanonewsnet.ru/ – сайт о нанотехнологиях в России
http://www.nanojornal.ru/ – Российский электронный наножурнал
http://www.nanorf.ru/ – журнал «Российские нанотехнологии»
http://www.nanoportal.ru/ – информационно-аналитический портал по нанотехнологиям и наноматериалам Росатома
http://www.nanometer.ru/ – сайт нанотехнологического общества «Нанометр»
http://www.rusnanotekh.ru/ – государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий»