Biologia - Arkusz pokazowy CKE Marzec 2022, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 14.
Plazmidy bakteryjne zazwyczaj nie zawierają genów metabolizmu podstawowego, ale mogą np. zapewniać oporność na antybiotyki. Plazmidy lub ich fragmenty mogą być przekazywane między komórkami bakteryjnymi w czasie podziału komórki lub w procesach horyzontalnego transferu genów: koniugacji, transdukcji i transformacji. Plazmidy mogą dawać bakteriom przewagę selekcyjną. Znalazły one także zastosowanie w biotechnologii.
Bakterie mają wiele mechanizmów zapobiegających utracie plazmidów przez dzielące się komórki, np. system ccd plazmidu F bakterii Escherichia coli. Ten system tworzą dwa geny: gen ccdA kodujący antidotum oraz gen ccdB kodujący truciznę. Obydwa geny podlegają transkrypcji ze wspólnego promotora. Podczas normalnego funkcjonowania komórki bakteryjnej trucizna pozostaje związana przez antidotum i nie wywiera toksycznego wpływu na gyrazę – enzym usuwający napięcia w nici DNA powstające podczas replikacji materiału genetycznego. Jeśli komórka utraci po podziale plazmid z genami systemu ccd, obecne w jej cytoplazmie nietrwałe antidotum zostaje zdegradowane, a stosunkowo trwała toksyna wiąże się z gyrazą, co prowadzi do śmierci komórki w wyniku uszkodzenia DNA.
Aktywność promotora genów ccdA i ccdB jest hamowana przez produkty tych genów.
Na poniższych schematach przedstawiono funkcjonowanie systemu ccd:
- schemat A – ekspresja genów ccdA oraz ccdB
- schemat B – trucizna unieszkodliwiana przez antidotum
- schemat C – degradacja antidotum i wiązanie trucizny z gyrazą.
14.1. (0–1)
Podaj nazwę sposobu horyzontalnego transferu genów zachodzącego z udziałem wirusów.
14.2. (0–1)
Wykaż, że horyzontalny transfer genów zwiększa tempo ewolucji adaptacyjnej bakterii.
14.3. (0–1)
Uzupełnij poniższe zdania tak, aby opis dotyczący funkcjonowania genów systemu ccd był prawdziwy. W każdym nawiasie podkreśl właściwe określenie.
Ekspresja genów systemu ccd regulowana jest na zasadzie (negatywnego / pozytywnego) sprzężenia zwrotnego. Obecność w komórce produktów genów systemu ccd sprawia, że (zachodzi / nie zachodzi) transkrypcja tych genów.
14.4. (0–1)
Uzasadnij, że zahamowanie ekspresji genów systemu ccd doprowadzi do śmierci komórki zawierającej plazmid z tym systemem. W odpowiedzi uwzględnij produkty genów systemu ccd i ich trwałość w komórce.
14.5. (0–1)
Określ, w jakim celu do wektorów plazmidowych wykorzystywanych w inżynierii genetycznej wprowadza się gen oporności na antybiotyk.
Rozwiązanie
14.1. (0–1)
Zasady oceniania
1 pkt – za podanie prawidłowej nazwy.
0 pkt – za odpowiedź niespełniającą wymagań za 1 pkt albo za brak odpowiedzi.
Rozwiązanie
transdukcja
14.2. (0–1)
Zasady oceniania
1 pkt – za poprawną odpowiedź, odnoszącą się do nabywania nowych cech już ukształtowanych przed dobór naturalny lub do zwiększania zmienności genetycznej będącej podstawą działania doboru naturalnego.
0 pkt – za odpowiedź niespełniającą wymagań za 1 pkt albo za brak odpowiedzi.
Przykładowe rozwiązanie
- Dzięki horyzontalnemu transferowi genów bakterie nabywają nowych cech takich jak oporność na antybiotyki, które powstały już wcześniej na drodze doboru naturalnego u innych gatunków.
- Dzięki horyzontalnemu transferowi genów staje się możliwe natychmiastowe wykorzystanie gotowych rozwiązań. Przekazany plazmid może kodować np. enzym rozkładający substrat pokarmowy, a powstanie takiego enzymu na drodze doboru naturalnego wymaga dużo czasu.
- Powstanie nowych cech dzięki selekcji naturalnej wymaga dużo czasu oraz dużej zmienności genetycznej. Dużo szybszym sposobem nabycia adaptacji jest przejęcie rozwiązania, które powstało u innego szczepu lub gatunku.
- Przepływ genów między bakteriami zwiększa ich różnorodność genetyczną, a im ona jest większa, tym silniejszy staje się efekt działania doboru naturalnego.
14.3. (0–1)
Zasady oceniania
1 pkt – za podkreślenie właściwych określeń we wszystkich nawiasach.
0 pkt – za odpowiedź niespełniającą wymagań za 1 pkt albo za brak odpowiedzi.
Rozwiązanie
Ekspresja genów systemu ccd regulowana jest na zasadzie (negatywnego / pozytywnego) sprzężenia zwrotnego. Obecność w komórce produktów genów systemu ccd sprawia, że (zachodzi / nie zachodzi) transkrypcja tych genów.
14.4. (0–1)
Zasady oceniania
1 pkt – za prawidłowe uzasadnienie, odnoszące się do zahamowania transkrypcji obu genów i mniejszej trwałości antidotum w stosunku do trucizny.
0 pkt – za odpowiedź niespełniającą wymagań za 1 pkt albo za brak odpowiedzi.
Przykładowe rozwiązanie
Zablokowanie transkrypcji obu genów spowodowałoby zahamowanie produkcji obu białek – antidotum i trucizny. Ponieważ trucizna jest trwalsza niż antidotum, pozostaje dłużej w komórce i ostatecznie powoduje jej śmierć.
14.5. (0–1)
Zasady oceniania
1 pkt – za poprawne określenie, uwzględniające selekcję transgenicznych bakterii zawierających wektor plazmidowy.
0 pkt – za odpowiedź niespełniającą wymagań za 1 pkt albo za brak odpowiedzi.
Przykładowe rozwiązanie
- Bakterie zawierające taki wektor będą oporne na antybiotyk. Hodowla bakterii w pożywce zawierającej antybiotyk umożliwi przeżycie wyłącznie tych komórek bakterii, które pobrały wektor.
- W celu wyselekcjonowania bakterii, które pobrały wektor.
