Микробиология и биотехнология. Биомедицина и биоинформатика

Учебниковая опора

• Соловьева А.Р., Ибраимова Б.Т., Алина Ж.А. «Биология. 7 класс», 7 класс, Атамура, 2025, с. 245–257
• Асанов Н., Соловьева А., Ибраимова Б. «Биология. 9 класс», 9 класс, Атамура, 2019, с. 191–194
• Очкур Е.А., Курмангалиева Ж., Нуртаева М. «Биология. 10 класс ЕМН», 10 класс, Мектеп, 2019, с. 276–285
• Ковшарь А.Ф., Асанов Н.Г., Соловьева А.Р., Ибраимова Б.Т., Куприй С.А. «Биология. 11 класс», часть 2, 11 класс, 2020, с. 45–76, 98–118

Главное

• Бактерии — прокариоты: оболочка, цитоплазма, кольцевая ДНК; стенка из муреина; споры служат для переживания неблагоприятных условий, а не для размножения.
• Вирусы — неклеточная форма жизни: нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) + белковая оболочка; свойства живого проявляют только внутри клетки; вирусы бактерий — бактериофаги.
• Генная инженерия — создание рекомбинантных ДНК: рестриктаза режет, лигаза сшивает, вектор (плазмида) переносит ген.
• ПЦР — многократное копирование фрагмента ДНК in vitro с термостабильной Taq-полимеразой.
• Биоинформатика — хранение и анализ биологических данных с помощью компьютеров.

Теория

Формы бактерий: кокки (стрептококк — цепочка, диплококк — пара, стафилококк — гроздь), бациллы (палочки), спириллы и спирохеты (извитые), вибрионы (запятая; холерный вибрион).

Вирусы: оболочка — белковая (капсид), у крупных вирусов поверх — участки мембраны хозяина. Вне клетки не питаются, не растут, не размножаются. Вирусные инфекции человека: ветряная оспа, корь, краснуха, грипп, паротит.

Микробиологическое исследование. Стерилизация: автоклав (121 °C, 1,1 атм, 15–30 мин — уничтожает и споры), сухой жар (160–180 °C — стекло, металл), мембранная фильтрация (0,22 мкм — антибиотики, витамины), прокаливание петли в пламени. Питательные среды: агар-агар (из красных водорослей), мясо-пептонный агар, элективные среды.

Окраска по Граму (Х. Грам, 1884): генцианвиолет → раствор Люголя → спирт 96% → фуксин.

	Грамположительные	Грамотрицательные
Пептидогликан	толстый	тонкий + наружная мембрана
После спирта	краситель удерживается	вымывается
Цвет	тёмно-фиолетовый	розово-красный

Этапы генной инженерии:

1. Получение гена — вырезание рестриктазой или синтез кДНК по мРНК обратной транскриптазой (без интронов).
2. Подготовка вектора — плазмида или бактериофаг режется той же рестриктазой («липкие концы»).
3. Сшивание гена с вектором ДНК-лигазой → рекомбинантная ДНК.
4. Трансформация клетки-хозяина (E. coli): тепловой шок, электропорация.
5. Клонирование и отбор по маркерным генам (устойчивость к антибиотику). Рестриктазы узнают палиндромные участки (4–8 пар), например EcoRI даёт липкие концы.

Инсулин: ген инсулина человека вводят через вектор в кишечную палочку; бактерии быстро делятся и синтезируют человеческий инсулин; требования — стерильность и дешёвая питательная среда.

ПЦР:

Этап	Температура	Суть
Денатурация	94–95 °C	расхождение цепей
Отжиг	50–65 °C	присоединение праймеров
Элонгация	72 °C	Taq-полимераза (из Thermus aquaticus) строит цепь $5'\to3'$
Компоненты: матрица, 2 праймера, Taq-полимераза, дНТФ, буфер с Mg²⁺. За 30 циклов — около $2^{30} \approx 10^9$ копий. Применение: таксономия, медицина, криминалистика.

Клонирование. Эмбриональное расщепление: зародыш на стадии 2–8 бластомеров делят, каждый тотипотентный бластомер даёт особь (искусственные однояйцевые близнецы). Перенос ядра соматической клетки: из яйцеклетки удаляют ядро (энуклеация), вводят диплоидное ядро соматической клетки взрослого организма, эмбрион переносят суррогатной матери; так получена овца Долли (Я. Вилмут, К. Кэмпбелл, 1996).

Биомедицина.

• ЭКО (Р. Эдвардс, П. Стептоу, 1978): гормональная стимуляция суперовуляции → пункция фолликулов → оплодотворение in vitro (или ИКСИ) → перенос эмбриона в матку.
• Моноклональные антитела (Ж. Кёлер, С. Мильштейн, 1975): слияние B-лимфоцита с клеткой миеломы → гибридома; на среде HAT выживают только гибридомы. Узнают один эпитоп — диагностика и таргетная терапия.

Биоинформатика: базы GenBank (NCBI), EMBL-EBI, DDBJ — нуклеотидные последовательности; UniProt — белки; PDB — 3D-структуры. BLAST сравнивает неизвестную последовательность с базой и находит гомологичные гены.

Примеры

1. Задача. Сколько копий фрагмента даст ПЦР за 10 циклов из одной молекулы? — $2^{10} = 1024$.
2. Вопрос. Почему в ПЦР используют Taq-полимеразу? — Она термостабильна и не разрушается при 94–95 °C.
3. Вопрос. Зачем для бактерий получают кДНК, а не берут ген из генома человека? — У бактерий нет сплайсинга, а кДНК не содержит интронов.
4. Вопрос. После спирта клетки обесцветились и окрасились фуксином в розовый. Какие это бактерии? — Грамотрицательные.

Типичные ошибки на ЕНТ

• Считать споры бактерий способом размножения — они служат для переживания неблагоприятных условий.
• Путать функции ферментов: рестриктаза режет, лигаза сшивает.
• Говорить, что Долли получена расщеплением эмбриона — методом переноса ядра соматической клетки.
• Стерилизовать питательные среды сухим жаром — среды стерилизуют в автоклаве.
• Относить вирусы к прокариотам — это неклеточная форма жизни.

Самопроверка

1. Как называются вирусы бактерий? — Бактериофаги.
2. Назовите три этапа цикла ПЦР. — Денатурация, отжиг, элонгация.
3. Какой фермент синтезирует кДНК по мРНК? — Обратная транскриптаза (ревертаза).
4. Из каких клеток получают гибридому? — Из B-лимфоцита и клетки миеломы.
5. Как называется программа поиска сходных последовательностей в базах? — BLAST.