ЗначениеМетодыКонцепцииБИОЛОГИИ.pps

1.Значение биологии
2. Методы биологии
3. Основные концепции биологии
эмерджентная специфика
уровней организации
биологических систем как
специфика
нового уровня сложности
Эмерджентная –
непредвиденная, вновь
появляющаяся
ЗНАЧЕНИЕ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ
• Теоретическое и гуманитарное значение
в формировании
- материалистического мировоззрения От выбора
позиции (что первично - материя или сознание)
складывается либо материалистическое, либо
идеалистическое понимание природы и общества,
формируются принципиально разные подходы в
пользовании объектами природы, в оценке социальных
явлений, в выработке политических стратегий и
- экологического мышления, суть которого заключается
в осознании себя частью природы и понимании
необходимости охранять и рационально использовать
природные ресурсы.
ЗНАЧЕНИЕ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ
• Практическое значение в том, что она является
научной основой всех технологий
производства продовольствия
• Гуманитарно-практическое значение имеет
биология как теоретическая
медицины
основа
МЕТОДЫ БИОЛОГИИ
• Наблюдение - изучение объектов
живой природы в естественных
условиях существования.
• Экспериментальный метод (опыт)
предполагает исследования живых
объектов в условиях действия
(экстремального) факторов среды
• in vitro - «в стекле», в
пробирке, то есть в
искусственных условиях
• in vivo - в живой системе
(в организме)
МЕТОДЫ БИОЛОГИИ
• Сравнительный (исторический)
метод выявляет эволюционные
преобразования биологических видов
и их сообществ
• На основе выявляемых статистических
закономерностей можно осуществлять
математическое моделирование
биологических процессов и прогноз их
развития.
• Вычислительная биология — это
междисциплинарный подход, использующий достижения
информатики (и вычислительной техники), прикладной
математики и статистики для решения проблем,
поставленных биологией. Главными областями в биологии,
которые применяют такие методы, являются:
____1) Биоинформатика— одна из дисциплин биологии,
изучающая молекулярные процессы при помощи
компьютеров. Под биоинформатикой понимают любое
использование компьютеров для обработки биологической
информации. На практике, иногда это определение более
узкое, под ним понимают использование компьютеров для
обработки экспериментальных данных по структуре
биологических макромолекул (белков и нуклеиновых
кислот) с целью получения биологически значимой
информации:
изучение геномов, анализ и предсказание структуры
белков, анализ и предсказание взаимодействий молекул
белка друг с другом и другими молекулами, а также
реконструкция эволюции.
• примером применения компьютерного анализа
последовательностей является автоматический
поиск генов и регуляторных последовательностей в
геноме. Не все нуклеотиды в геноме используются
для задания последовательностей белков.
Например, в геномах высших организмов, большие
сегменты ДНК явно не кодируют белки и их
функциональная роль неизвестна. Разработка
алгоритмов выявления кодирующих белки участков
генома является важной задачей современной
биоинформатики.
2) Вычислительное биомоделирование.
занимается построением вычислительных моделей
биологических систем. Биологическая кибернетика
(биокибернетика) представляет собой научное направление,
в котором идеи, методы и технические средства кибернетики
применяются к рассмотрению задач биологии и физиологии.
____Биологическая кибернетика состоит из теоретической и
практической частей. Задачей теоретической части является
изучение общих вопросов управления, хранения,
переработки и передачи информации в живых системах.
____Важнейшей задачей практической части является
методы моделирования структур и поведения
биологических систем. В развитии этих методов
включаются вопросы конструирования искусственных
систем, воспроизводящих деятельность отдельных органов,
их внутренних связей и внешних взаимодействий. В этом
направлении биологическая кибернетика тесно смыкается с
медицинской кибернетикой.
• 3) Вычислительная эволюционная биология.
____Эволюционная биология исследует происхождение и
появление видов, также как их развитие с течением
времени. Информатика помогает эволюционным биологам
в нескольких аспектах:
____- изучать эволюцию большого числа организмов,
измеряя изменения в их ДНК, а не только в строении или
физиологии;
____- сравнивать целые геномы, что позволяет изучать
более комплексные эволюционные события, такие как:
дупликация генов, латеральный перенос генов, и
предсказывать бактериальные специализирующие
факторы;
____- строить компьютерные модели популяций, чтобы
предсказать поведение системы во времени;
____- отслеживать появление публикаций, содержащих
информацию о большом количестве видов.
• Биологическое разнообразие экосистемы может быть
определено как полная генетическая совокупность
определённой среды, состоящая из всех обитающих видов
(биоплёнка в заброшенной шахте, капля морской воды,
горсть земли или вся биосфера планеты Земля).
• Для сбора видовых имён, описаний, их ареала, генетической
информации используются базы данных.
• Специализированное программное обеспечение применяется
для поиска, визуализации и анализа информации, и, что
более важно, предоставления её другим людям.
• Компьютерные симуляторы моделируют такие вещи, как
популяционная динамика, или вычисляют общее
генетическое здоровье культуры в агрономии. Один из
важнейших потенциалов этой области заключается в анализе
последовательностей ДНК или полных геномов целых
вымирающих видов, позволяя запомнить результаты
генетического эксперимента природы в компьютере и
возможно использовать вновь в будущем, даже если эти виды
полностью вымрут.
• 5) Вычислительная геномика.
____Это подраздел геномики, который
изучает геномы клеток и организмов с
помощью высокопроизводительного
геномного секвенирования (что требует
значительной последующей обработки —
так называемой геномной сборки), и
который использует метод ДНК-микрочипов
для статистического анализа выраженных в
конкретных типах клеток генов.
• _6) Молекулярное моделирование.
____Молекулярное моделирование (ММ) — это
собирательное название, относящееся к теоретическим
подходам и вычислительным методам моделирования или
изображения поведения молекул.
• Эти методы используются в компьютерной химии,
вычислительной биологии и науке о материалах для
изучения молекулярных систем различных размеров.
Простейшие вычисления могут быть выполнены вручную,
но компьютеры становятся абсолютно необходимы при
расчётах систем любого разумного масштаба.
• Общей чертой методов ММ является атомарный уровень
описания молекулярных систем — наименьшими
частицами являются атомы или небольшие группы атомов.
В этом состоит отличие ММ от квантовой химии, где в
явном виде учитываются и электроны. Таким образом,
преимуществом ММ является меньшая сложность в
описании систем, позволяющая рассмотрение большего
числа частиц при расчётах.
• методы молекулярного моделирования
стали обыденными при изучении структуры,
динамики и термодинамики как
неорганических, так и биологических и
полимерных систем.
• Среди биологических явлений, которые
исследуются методами ММ, - сворачивание
белков, ферментативный катализ,
стабильность белков, конформационные
превращения и процессы молекулярного
узнавания в белках, ДНК и мембранах.
• 7) Системная биология ставит целью
моделирование полномасштабных
биологических сетей взаимодействия (для
целой клетки или даже всего организма),
часто использует дифференциальные
уравнения.
____8) Предсказание структур
белков и структурная геномика
делают попытки вычислять точные
трёхмерные модели структур белков,
которые ещё не были получены
экспериментальным путём.
МЕТОДЫ БИОЛОГИИ
• Системный метод, как и
кибернетический подход, относится к
категории новых междисциплинарных
методов исследования. Живые объекты
рассматриваются как системы, то есть
совокупности элементов с
определенными отношениями
физические методы изучения
живых систем
• рентгеновская кристаллография с
использованием синхротронных
источников
• ядерный магнитный резонанс
• масс-спектрометрия высокого
разрешения
• двумерный электрофорез высокого
разрешения в полиакриламидном геле
• структурная геномика:
установление структуры генома как
последовательности генов и установление
структуры всех белков, которые эти гены кодируют.
• функциональная протеомика
- выяснение механизма функционирования клетки в
динамическом режиме, когда белки
классифицируются не только по массе, но и по
функции
- изучение фенотипа организма – то есть свойств
организма, вытекающих из комбинации его
генотипа и окружающих факторов среды
Некоторые методы молекулярной биологии
Полимеразная цепная реакция
• Принцип ПЦР сформулировал Гобинд Корана в 1971
• В 1983 Кэри Мюллису удалось провести ПЦР
• В 1993 за изобретение
ПЦР Кэри Мюллису
вручена Нобелевская
премия по химии
Выявление патогенов
•
Инфекции крови
(качественное и
количественное
определение)
•
Эпидемические
инфекции
•
Исследование
биоценозов
•
и др. …
Исследование генома
• ПЦР позволяет определять
вставки, делеции или
однонуклеотидные замены в
геномной ДНК
• Сейчас с помощью ПЦР
диагностируют более 200
наследственных заболеваний,
таких как:
–
–
–
–
–
–
–
Фенилкетонурия
Муковисцидоз
Миодистрофия Дюшенна/Беккера
Хорея Гентингтона
Гемофилия А, В
Болезнь Вильсона-Коновалова
и др. …
Больше всего генов отвечают за экспрессию,
репликацию и поддержание функций генома; около 20%
- за передачу сигналов между клетками, около 17% - за
то, чтобы клетка сама по себе была здорова, и для
других функции не классифицированы
Исследование мРНК
• Определение
абсолютного кол-ва
копий мРНК на клетку
относительное количество мРНК
• Относительная
экспрессия в двух
образцах
350
300
250
200
150
100
50
0
IL-2
IL-4
IL-6
IFN-g
IL-10
TNF-a
Мониторинг живых
систем
ПЦР позволяет осуществлять:
• контроль за использованием
ГМ организмов (ГМО)
• контроль за наличием и
процентным содержанием
ГМ ингредиентов (ГМИ) в
пище
• Определение вида и
индивида
Оборудование для ПЦР
Принцип ПЦР
«Проявка» хода реакции
Экспоненциальная амплификация
Флуоресцентные красители и
тушение флуоресценции
5’-экзонуклеазная активность Taqполимеразы
• На Земле существует около 2,5 млн видов
живых существ. Все это разнообразие
определяют различия в строении геномов
отдельных видов.
• Организм человека состоит из примерно
210 основных типов клеток, существенно
отличающихся фенотипически. Это
разнообразие связано с различными
вариантами экспрессии одного и того-же
генома.
Сравнение кДНК
для поиска
дифференциально
экспрессируемых
генов
Сравнение
бактериальных
геномов
для поиска штаммоспецифичных генов
Сравнение эукариотических геномов
для поиска видо- и расаспецифичных
последовательностей
•?
Для поиска дифференциально
представленных молекул применяют
методы вычитающей гибридизации
Методы перепрограммирования
соматических клеток
Актуальность вопроса:
Выращивать из соматических клеток
органы и ткани человеческого
организма для решения проблемы
дефицита донорских органов,
проблемы, которые возникают при
трансплантации чужеродной ткани, для
решения этических и технических
вопросов, связанных с использованием
эмбриональных стволовых клеток
Каким же образом? С помощью
перепрограммирования
Общий смысл
перепрограммирования (верхняя
часть схемы) заключается в том,
чтобы ввести в эмбриональную
клетку (клетку зародыша)
генетический материал (в виде
ДНК) дифференцированной
клетки (клетки взрослого
организма).
Полученная клетка становится
плюрипотентной, т.е. она не
строго детерминированна
(направлена в своем развитии),
как дифференцированная, а
имеет несколько возможных
путей развития, что можно
использовать для выращивания
различных тканей.
методы перепрограммирования
1. Перенос ядра специализированной
клетки в эмбриональную стволовую
клетку (Nuclear transfer)
2. Слияние дифференцированной клетки
и эмбриональной (Fusion)
3. Использование ретровирусных
векторов с генами плюрипотентности
(Retroviral transduction of embryonic
genes)
Перенос ядра (Nuclear transfer)
Вставка ядра
Так была получена зигота, из
которой развилась знаменитая
овечка Долли. Ядро зрелой
клетки пересадили в
неоплодотворенный ооцит
(яйцеклетку).
Бум клонирования.
Методика переноса ядра
отработана и используется во
всех лабораториях,изучающих
стволовые клетки.
Помимо рук
экспериментатора необходим
микроскоп, маленькая пипетка,
обеспечивающая вакуум,
микропипетка, с помощью
которой и осуществляется
введение ядра в клетку.
В эксперименте используются
различные реагенты: ингибиторы
микротрубочек (нокодазол)
используются для остановки
яйцеклетки в М-фазе клеточного
цикла (фазе митоза). Также
используются различные
реагенты для стимуляции
яйцеклетки.
сейчас ведутся разработки по
выращиванию заменителей органов,
которые можно будет пересаживать
человеку
В начале осуществляют забор
необходимых клеток у
пациента.
a) - Ядро из клетки пациента
помещают в ооцит, из которого
предварительно удалили ядро.
b) - Полученная гибридная
клетка развивается до стадии
бластоцисты.
c) - Полученная бластоциста
культивируется.
d) - Эмбриональные клетки
размножаются.
e) - После направленной
дифференцировки клеточные
ростки изолируются.
f- Затем они вводятся пациенту, у
которого исходно брали
клетки.
Полученные клетки
генетически идентичны
клеткам донора
Слияние клеток
(fusion)
для получения лечебных
стволовых клеток такой метод не
годится. Клетки-гибриды
необходимо сделать диплоидными,
содержащими исключительно
хромосомы фибробластов
в Гарвардском университете.В 2005 году
Кевин Эгган и его сотрудники разработали
метод генетического перепрограммирования
соматических клеток
Добились слияния фибробластов –
активно делящиеся клетки,
соединительной ткани с
человеческими ЭСК
(эмбриональными стволовыми
клетками) из уже существующих
линий. П
Получились гибридные тетраплоидные
клетки (т.е.имеющие 4 набора
хромосом)
Примерно в каждой тысячной из таких
химерных клеток (т.е. клеток,
содержащих наборы хромосом от
разных клеток) гены фибробластов как
бы вернулись в эмбриональное
состояние и со стартовой позиции
запустили процесс клеточной
специализации.
Эти «избранные» гибриды превращали в
клетки нервной и мышечной ткани, а
также в клетки волосяных фолликулов.
методика устранения тетраплоидности Matsumura
H. и Tada T. (2008, университет Киото)
Исходно в хромосому эмбриональной клетки встраивали
комплекс генов (chromosome elimination cassette-CEC) ,
обеспечивающих резистентность (устойчивочть к некоторым
антибиотикам), а также ген GFP. Последовательность
комплекса была фланкирована (ограничена)
инвертированными (обратно-ориентированными) loxP
сайтами, для того, чтобы между хромасомами произошла
рекомбинация. GFP- положительная ЭСК (эмбриональная
стволовая клетка) со встроенным CEC гибридизовалась
(сливалась) со зрелыми тимоцитами (клетка тимуса) , а затем
подвергалась воздействию Cre-рекомбиназы. Это приводило
к потере экспрессии GFP и элиминированию (удалению из
ядра) CEC-меченной хромосомы. Направленное удаление
пары хромосом ЭСК доказывает, что перепрограммирующих
факторов соматической клетки достаточно, чтобы
поддерживать плюрипотентность (т.е. возможность
нескольких путей развития клетки) гибридной клетки. Такая
методика позволит создавать персональные стволовые
клетки
Использование вирусных векторов Shinya Yamanaka ( Университ
Киото,2006 )
(retroviral transduction)
James Thomson(Университет
Висконсина,2007)
в геном соматической клетки вводятся
эмбриональные гены, экспрессия которых
делает клетку плюрипотентной. Введение
генов осуществляется с помощью
ретровирусных векторов (специальных
генноинженерных конструкций). В природе
ретровирусы обладают ферментомревертазой, с помощью которой они могут
встраиваться в геном клетки и
экспрессировать свои гены
1 - Из ретровирусного генома
получают новый
рекомбинантный (т.е.
искусственный, содержащий
гены донорского организма
(или в данном случае вируса
и исследуемые гены) геном.
Клетки пациента подвергают
воздействию ретровируса exvivo, т.е. вне организма
пациента.
2 - Рекомбинантная вирусная
частица взаимодействует с
рецепторами на поверхности
3 - После связывания рецепторов в
клетку проникает вирусный РНКгеном и фермент - обратная
транскриптаза (ревертаза).
4 - Ревертаза синтезирует ДНКкопию ретровирусного генома.
5 - Клетка синтезирует копию ДНКкопии вируса и эта цепочка
транспортируется в ядро.
6 - Эта цепь ДНК в ядре
интегрируется (встраивается) в
хромосому клетки. С этого
момента экспрессия вирусных
генов идентична экспрессии генов
пациента.
7 - Гены транскрибируются в
мРНК.
8 - Затем происходит трансляция и
образуются терапевтические
протеины.
9 - Так же синтезируются новые
вирусные белки, образуются
новые вирусные частицы
(вирионы).
10 - Образовавшиеся вирионы
выходят из клетки.
11 - Цикл начинается заново с
другими клетками
Другие методы
Генно-инженерными
методами в
ретровирусный вектор
встраиваются
необходимые гены. Затем
исследуемые клетки
культивирутся в среде с
добавлением
ретровируного вектора. В
процессе культивирования
вектор встраивается и
далее происходят
процессы по
вышеописаной схеме
периферические мононуклеарные
клетки, одну из многочисленных
разновидностей клеток белой крови
подвергли воздействию нескольких
синтетических веществ, способных
запустить генную перестройку в
нужном направлении. потомки
исходных кровяных клеток стали
синтезировать специализированные
белки, которые в норме производят
клетки сердца; они были
имплантированы непосредственно в
сердечную ткань крыс, у которых был
искусственно вызван некроз части
сердечной мышцы; через полмесяца
у животных полностью
восстановился нормальный ритм
сердечной деятельности
Все биологические исследования начинаются
с наблюдений.
Зоолог видит птицу в бинокль,
гистолог – зафиксированный и окрашенный
срез ткани,
молекулярный биолог – изменение
концентрации фермента в пробирке.
• Все наблюдения нуждаются в описании. Описание –
это результат интерпретации наблюдений.
Например, палеонтолог, описывая древний скелет,
называет кости известными ему именами – бедренная,
плечевая – потому что он мысленно установил аналогию со
скелетом ныне живущих животных.
Сравнение Грамотно составленные описания можно
сравнивать, даже если их произвели разные люди в разных
странах и в разное время. Например, можно сравнить
размеры раковин моллюсков одного биологического вида в
наши дни и при Ламарке, поведение лося в Сибири и на
Аляске, рост культуры клеток при низкой и высокой
температуре, строение плечевой кости у тираннозавра и
современного крокодила.
•
Гипотеза Различия, выявленные при
сравнении описаний, можно интерпретировать
при помощи предположений о причинах
различий – гипотез.
Например, можно предположить, увидев разный
темп роста клеток при разных температурах, что
температура влияет на скорость роста клеток.
Эксперимент Гипотезы проверяют,
искусственно изменяя условия протекания
биологических процессов и проводя повторные
наблюдения и описания.
Например, можно выращивать клетки при разных
температурах, выявляя оптимум, при котором
рост максимально быстрый
Научный метод – построение
системы научных знаний на основе
комплекса приемов и операций:
Наблюдение
Гипотеза
Эксперимент
Контрольные опыты
Теория (закон)
Концепция (от лат. conceptio
— понимание, система),
определённый способ
понимания, трактовки какоголибо предмета, явления,
процесса, основная точка
зрения на предмет
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
• 1. Концепция системной
многоуровневой организации жизни:
все живые объекты являются
системами разного уровня сложности.
Биологические системы образуют
непрерывную иерархию уровней
структурно-функциональной
организации.
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
• 2. Концепция материальной
сущности жизни: жизнь материальна,
ее физико-химическую основу
составляет обмен веществ и энергии. В
философском смысле это означает
первичность материи и вторичность
сознания (материализм).
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
• 3. Концепция биологической
информации и самовоспроизведения
жизни: живые организмы воспроизводятся
на основе собственной (генетической)
информации при взаимодействии с внешней
(эпигенетической) информацией. Результатом
этого взаимодействия является
индивидуальное развитие организмов
(онтогенез).
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
• 4. Концепция саморегуляции живых
систем: живые системы
поддерживают относительное
постоянство своих внутренних связей
и условий функционирования
(гомеостаз) на основе сочетания
прямых положительных и обратных
отрицательных связей.
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
• 5. Концепция самоорганизации и
биологической эволюции: живой мир
возник в результате самоорганизации из
неживых химических систем и
претерпевает необратимое историческое
развитие (филогенез) на основе
наследственной изменчивости и
естественного отбора популяций
организмов, наиболее приспособленных к
меняющимся условиям среды