Wybrane sekwencje genomowego DNA można amplifikować za pomocą reakcji łańcuchowej
polimerazy (PCR) przedstawionej na poniższym schemacie. PCR jest podstawową techniką inżynierii
genetycznej.
Źródło: B. Alberts et al., Podstawy biologii komórki, Warszawa 2016.
2.1. (0-1)
Oceń, czy poniższe stwierdzenia dotyczące PCR są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
1.
Reakcja łańcuchowa polimerazy polega na amplifikacji DNA in vitro.
P
F
2.
Wybrany gen można amplifikować przy użyciu genomowego DNA jako matrycy, jeśli dostępne są odpowiednie startery komplementarne do sekwencji flankujących (otaczających) gen.
P
F
2.2. (0-1)
Zakładając 100% wydajność reakcji, określ, ile razy zostanie zwielokrotniona liczba cząsteczek DNA po pięciu cyklach PCR, jeśli użyto tylko jednej pary specyficznych starterów.
2.3. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego PCR jest wymagane do wykrycia wirusowego DNA w próbce krwi pobranej od pacjenta.
Wiele bakterii to ekstremofile – organizmy żyjące w ekstremalnych warunkach środowiskowych. Skrajne wartości określonych czynników fizycznych i chemicznych są warunkiem koniecznym do prawidłowego zajścia procesów metabolicznych u ekstremofili.
W zależności od wartości optymalnej temperatury wzrostu wyróżnia się wśród ekstremofili:
psychrofile – organizmy, które nie rosną w temperaturze powyżej 20 °C, a optymalne warunki do ich rozwoju stwarza temperatura poniżej 15 °C. Psychrofile wykształciły wiele adaptacji do niskich wartości temperatury, wśród których można wyróżnić mechanizmy chroniące przed nadmiernym zmniejszeniem płynności ich błon komórkowych;
termofile – organizmy, których optymalna temperatura wzrostu wynosi ponad 50 °C. Maksymalna temperatura umożliwiająca życie wynosi 122 °C. Wysoka temperatura powoduje wzrost płynności błony komórkowej oraz destabilizuje strukturę białek i kwasów nukleinowych termofili. Z tego powodu w białkach termofili znajdują się liczne mostki disiarczkowe, a cząsteczki rRNA i tRNA mają wysoką zawartość par zasad GC.
Enzymy wytwarzane przez ekstremofile są wykorzystywane w biotechnologii.
Na podstawie: A. Zabłotni, A. Dziadosz, Ekstremofile – mikroorganizmy z przeszłością i z przyszłością, „Postępy Mikrobiologii” 52(4), 2013.
5.1. (0–1)
Określ, które z poniższych modyfikacji składu chemicznego lipidów błony komórkowej stanowią adaptację do życia w niskiej temperaturze. Zaznacz T, jeśli modyfikacja jest adaptacją do życia w niskiej temperaturze, albo N – jeśli nią nie jest.
1.
Wzrost zawartości nasyconych kwasów tłuszczowych.
T
N
2.
Wzrost zawartości krótkich kwasów tłuszczowych.
T
N
5.2. (0–1)
Podaj nazwę aminokwasu niezbędnego do wytworzenia mostków disiarczkowych, stabilizujących strukturę przestrzenną białek bakterii termofilnych.
5.3. (0–1)
Wykaż, że stabilność cząsteczek rRNA i tRNA bakterii termofilnych zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości w ich cząsteczkach par zasad GC kosztem zawartości par zasad AU.
5.4. (0–1)
Określ, która grupa organizmów – psychrofile czy termofile – stanowi źródło polimeraz DNA wykorzystywanych do PCR. Odpowiedź uzasadnij.
5.5. (0–1)
Która cecha występuje u bakterii – organizmów prokariotycznych? Zaznacz właściwą odpowiedź spośród podanych.
obecność mitochondriów
rybosomy o współczynniku sedymentacji równym 80S
chityna jako główny składnik ściany komórkowej
translacja cząsteczki mRNA rozpoczynająca się przed zakończeniem jej syntezy
Glifosat jest jednym z najczęściej stosowanych herbicydów. Jego działanie polega na
zahamowaniu szlaku metabolicznego, który umożliwia roślinom, grzybom i bakteriom syntezę
aminokwasów aromatycznych – dla zwierząt aminokwasy aromatyczne są związkami
egzogennymi. W 1996 roku wprowadzono na rynek modyfikowaną genetycznie soję
zawierającą gen kodujący kluczowy enzym opisanego szlaku, zmieniony tak, aby był odporny
na działanie glifosatu. Dzięki temu rośliny soi mogą rosnąć i wydawać plony w obecności
herbicydu. Od tego czasu opracowano też odmiany soi z innymi modyfikacjami genetycznymi,
zapewniające odporność na inne herbicydy, na szkodniki czy ze zmienioną zawartością
kwasów tłuszczowych. W 2018 roku soja stanowiła około 50% transgenicznych upraw.
Na podstawie: K. Kumar i in., Genetically Modified Crops […], „Planta” 251(5), 2020.
22.1. (0–1)
Wykaż, że stosowanie dużych ilości glifosatu może stanowić zagrożenie dla
różnorodności biologicznej.
22.2. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego glifosat jest nieskuteczny w zwalczaniu szkodników owadzich.
Na poniższym schemacie przedstawiono przebieg pierwszego cyklu amplifikacji DNA
metodą PCR. Uwzględniono tylko dwa z czterech deoksyrybonukleotydów niezbędnych
do syntezy DNA.
Uwaga: deoksyrybonukleotydy oznacza się czteroliterowymi skrótowcami, np. trifosforan
deoksyguanozyny – dGTP (ang. deoxyguanosine triphosphate).
Na podstawie: B. Alberts i in., Podstawy biologii komórki, Warszawa 2016.
13.1. (0–1)
Uzupełnij powyższy schemat – wpisz w wyznaczone miejsca (+ ..........) oznaczenia
dwóch deoksyrybonukleotydów niezbędnych do syntezy DNA, brakujących
na schemacie.
13.2. (0–1)
Określ, w jaki sposób przeprowadza się rozdzielenie dwuniciowego DNA podczas
pierwszego etapu każdego cyklu PCR.
13.3. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego w cyklu PCR etap syntezy DNA musi być poprzedzony
przyłączeniem starterów. W odpowiedzi uwzględnij właściwości polimerazy DNA.
U bydła rasy holsztyńsko-fryzyjskiej autosomalny dominujący allel (A) genu ASL warunkuje
wytwarzanie aktywnej syntetazy argininobursztynianowej – enzymu biorącego udział w cyklu
mocznikowym.
Cytrulinemia to choroba genetyczna wywoływana przez recesywny allel (a) tego genu.
Osobniki będące nosicielami mają normalny fenotyp, natomiast cielęta homozygotyczne
przeżywają tylko pierwsze 5–6 dni po urodzeniu, a przyczyną śmierci jest upośledzenie
zdolności syntezy mocznika w organizmie.
Opracowano test diagnostyczny, umożliwiający wykrywanie osobników, które są nosicielami
wadliwego allelu – w celu wykluczenia ich z hodowli. W teście na nosicielstwo cytrulinemii
wykorzystuje się kilka technik inżynierii genetycznej. Po uzyskaniu kopii fragmentu badanego
genu, w ilości wystarczającej do testu, przecina się otrzymany DNA za pomocą enzymów
restrykcyjnych. Następnie rozdziela się uzyskane fragmenty ze względu na ich długość
i porównuje wyniki tego rozdziału (metoda PCR-RFLP). W tym teście wykorzystuje się fakt,
że allele A i a różnią się występowaniem w ich obrębie miejsca restrykcyjnego dla enzymu
AvaII: to miejsce jest obecne w allelu dominującym, natomiast nie ma go w allelu
recesywnym.
Na podstawie: A. Kumar i in., Designing Multiplex PCR Tests for Simultaneous Screening of Bovine Leukocyte Adhesion
Deficiency, Bovine Citrullinemia and Factor XI Deficiency Genetic Diseases in Cattle, „Ruminant Science” 6(2), 2017;
K.M. Charon, M. Świtoński, Genetyka i genomika zwierząt, Warszawa 2012.
13.1. (0–1)
Zapisz wszystkie możliwe genotypy zdrowych osobników, stosując podane w tekście
oznaczenia alleli genów warunkujących produkcję syntetazy argininobursztynianowej.
13.2. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego z hodowli bydła wyklucza się nosicieli zmutowanego allelu
odpowiadającego za rozwój tej choroby. W odpowiedzi uwzględnij sposób
dziedziczenia cytrulinemii.
13.3. (0–1)
Uporządkuj opisane w zadaniu techniki inżynierii genetycznej zgodnie z kolejnością
ich zastosowania w teście na cytrulinemię. Wpisz numery 1.–3. we właściwe komórki
tabeli.
Nazwa techniki
Kolejność wykonania
cięcie DNA enzymem restrykcyjnym
elektroforeza DNA
łańcuchowa reakcja polimerazy (PCR)
13.4. (0–1)
Przyporządkuj wymienionym genotypom A–C oznaczenia wyników 1.–3., otrzymanych
po elektroforezie w teście na cytrulinemię.
Obraz uzyskany po elektroforezie:
jeden prążek z cząsteczkami DNA zawierającymi 185 pz [pary zasad].
dwa prążki z cząsteczkami DNA zawierającymi 103 pz albo 82 pz.
trzy prążki z cząsteczkami DNA zawierającymi 185 pz, 103 pz albo 82 pz.
Homozygota dominująca:
Heterozygota:
Homozygota recesywna:
13.5. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego płody cieląt, które są homozygotyczne pod względem
allelu a, rozwijają się prawidłowo.
Bakteria Agrobacterium tumefaciens ma naturalną zdolność do przenoszenia swoich genów
do genomów roślin. Właściwość ta jest wykorzystywana w inżynierii genetycznej do
otrzymywania roślin transgenicznych. Wybrane geny wprowadza się do komórek roślinnych
za pomocą plazmidu bakterii A. tumefaciens użytego jako wektor. Tak zmienione
komórki, po proliferacji, mogą być wykorzystane do uzyskania roślin wykazujących nowe
cechy determinowane przez transgeny.
Ułóż we właściwej kolejności etapy procesu otrzymywania roślin transgenicznych z
wykorzystaniem bakterii A. tumefaciens.
Czynność
Kolejność
Wprowadzenie wyizolowanego genu do plazmidu bakterii A. tumefaciens.
Infekcja komórek roślinnych transgenicznymi bakteriami A. tumefaciens.
Rozwój transgenicznych roślin z namnożonych transgenicznych komórek roślinnych.
Integracja transgenu z genomem komórek roślinnych.
Wprowadzenie plazmidu do bakterii A. tumefaciens i ich namnożenie.
9.2. (0–1)
Wykaż, że roślina zmodyfikowana zgodnie z opisaną wyżej procedurą jest zarówno
organizmem transgenicznym, jak i genetycznie zmodyfikowanym (GMO).
9.3. (0–1)
Podaj przykład korzyści dla środowiska naturalnego wynikających z uprawy roślin
genetycznie modyfikowanych odpornych na choroby wywoływane przez grzyby
pasożytnicze.
9.4. (0–1)
Podaj nazwy grup enzymów stosowanych w inżynierii genetycznej do katalizowania
reakcji:
przecinania DNA w obrębie określonych sekwencji nukleotydowych:
łączenia ze sobą dwuniciowych cząsteczek DNA:
9.5. (0–1)
Wykaż, że w komórkach bakteryjnych niemożliwe jest uzyskanie białka kodowanego
przez zawierający intron gen eukariotyczny.
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.
Na podstawie: U. Zieleniewicz, P. Cegłowski, Mechanizmy stabilnego dziedziczenia plazmidów, „Kosmos” 51(3), 2002.
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.
Populacje biegusów alaskańskich w północnej części zasięgu geograficznego gatunku mają
nietypowy stosunek liczebności samców i samic wynoszący 3:1, zamiast typowego – 1:1.
Postawiono następującą hipotezę:
„Mały udział samic w populacjach biegusów jest spowodowany tym, że częściej padają one
ofiarą sokołów wędrownych”.
W celu weryfikacji tej hipotezy zebrano pióra po biegusach upolowanych przez sokoły,
a następnie wyizolowano z nich DNA i przeprowadzono PCR w celu amplifikacji fragmentów
genów CHD, zlokalizowanych na chromosomach płci Z i W (odpowiednio: CHD-Z i CHD-W).
Samice biegusów są heterogametyczne (ZW), a samce – homogametyczne (ZZ).
Rejony niekodujące w genach CHD-Z i CHD-W mają różną długość, co powoduje,
że produkty amplifikacji rejonów niekodujących genów CHD-Z i CHD-W także różnią się
długością. Elektroforetyczne rozdzielenie produktów PCR pozwoliło określić płeć ptaków,
z których pochodziły zebrane pióra.
Wyniki badań przedstawiono na poniższym wykresie.
Na podstawie: S. Nebel i in., Molecular sexing of prey remains […] in a wintering population of western sandpipers,
„Proceedings of the Royal Society B” 271, 2004.
17.1. (0–1)
Rozstrzygnij, czy postawiona hipoteza została przyjęta, czy – odrzucona. Odpowiedź
uzasadnij, odwołując się do wyników badań przedstawionych na wykresie.
17.2. (0–1)
Który obraz żelu agarozowego odpowiada prawidłowemu wynikowi
elektroforetycznego rozdzielenia powielonych fragmentów genów CHD-Z i CHD-W
u samca (♂) i samicy (♀)? Zaznacz właściwą odpowiedź spośród podanych.
17.3. (0–2)
Oceń, czy poniższe stwierdzenia dotyczące techniki PCR są prawdziwe. Zaznacz P,
jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
1.
Do powielenia fragmentów genów techniką PCR należy użyć m.in. termostabilnej polimerazy DNA oraz czterech różnych deoksyrybonukleotydów.
P
F
2.
Technika PCR umożliwia powielenie wybranych fragmentów genomowego DNA dzięki użyciu specyficznych starterów.
P
F
3.
Rozdzielenie podwójnej helisy DNA podczas stosowania techniki PCR zachodzi dzięki ligazom DNA.
Rozwiązaniem alternatywnym dla chemicznych środków owadobójczych mogą być preparaty
biologiczne wytworzone na bazie grzybów owadobójczych, np. należących do
owadomorkowców (Entomophtorales). W biopreparatach grzybowych (mykoinsektycydach)
znajdują się zarodniki grzybów, z których rozwijają się strzępki infekcyjne. Wewnątrz ciała
owadów grzyb wytwarza ciała strzępkowe tworzące tzw. blastospory, swobodnie krążące
w hemolimfie, z których rozwijają się strzępki zasiedlające tkanki żywiciela. Rozrost grzybni
oraz toksyczne metabolity przez nią wytwarzane powodują śmierć owadów. Na tym etapie
infekcji grzyb produkuje duże ilości zarodników, które drogą kontaktową mogą przedostać się
na powierzchnię oskórka innych owadów.
Niektóre gatunki grzybów stosowane w biologicznym zwalczaniu szkodników modyfikuje się
genetycznie: wprowadza się do ich genomu dodatkowe kopie ich własnego genu
warunkującego wytwarzanie chitynazy, co skutkuje efektywniejszym uśmiercaniem owadów.
Na podstawie: O. Orzyłowska-Śliwińska, Zabić inaczej, „Wiedza i Życie” 10, 2014;
E. Włóka, […] grzyby owadobójcze – rola w procesie infekcji, „Postępy Biochemii” 57 (1), 2011.
Podaj po jednym argumencie za tym, że stosowanie preparatów zawierających
zarodniki genetycznie modyfikowanych grzybów owadobójczych do walki z owadami:
Jedną z interesujących technik badawczych biologii molekularnej jest fluorescencyjna hybrydyzacja in situ (FISH – ang. fluorescent in situ hybridization). Stosuje się ją do wykrywania określonych sekwencji DNA za pomocą znakowanych fluorescencyjnie sond DNA. Sondy posiadają sekwencję komplementarną do poszukiwanego fragmentu. Technika ta stosowana jest na komórkach i tkankach o jądrach komórkowych zarówno metafazowych jak i interfazowych. Stanowi pomoc w analizie cytogenetycznej np. przy ocenie kariotypu.
Jednym z przykładów zastosowania FISH jest diagnostyka występowania chromosomu Filadelfia. Chromosom ten powstaje na skutek wymiany fragmentów chromosomów 9 i 22 – chromosom 22 otrzymuje fragment chromosomu 9 stając się chromosomem Filadelfia i oddaje jednocześnie fragment do chromosomu 9. W wyniku tej mutacji powstaje gen fuzyjny BCR-Abl znajdujący się na chromosomie Filadelfia. Gen ten powstaje z połączenia fragmentu BCR (z chromosomu 22) i genu kinazy tyrozynowej Abl (z chromosomu 9). Fuzja prowadzi do stałej, niezależnej od sygnałów zewnętrznych, syntezy produktu białkowego genu fuzyjnego, który stymuluje podziały komórkowe i blokuje mechanizmy naprawcze DNA. Chromosom Filadelfia często znajdowany jest np. w komórkach nowotworowych przewlekłej białaczki szpikowej.
Na poniższej ilustracji przestawiono wynik poszukiwania chromosomu Filadelfia techniką FISH za pomocą sond komplementarnych do fragmentu BCR (zielone) i genu Abl (czerwone).
Obraz za: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bcrablmet.jpg, autor: Pmx (CC BY-SA 3.0).
28.1. (0–1)
Zaznacz, spośród niżej wymienionych, typ mutacji, w wyniku której powstaje chromosom Filadelfia.
Translokacja
Transdukcja
Deficjencja
Rekombinacja
28.2. (0–1)
Klasyczne przygotowanie i ocena kariotypu wymaga wykorzystania dzielących się komórek, tak aby uwidocznić wykształcone chromosomy metafazowe.
Określ, czy technika FISH pozwala na specyficzne odnalezienie liczbowych aberracji chromosomowych w komórkach zróżnicowanych, nie podlegających już podziałom. Odpowiedź uzasadnij.
28.3. (0–1)
Określ, czy na ilustracji załączonej do zadania można rozpoznać obecność chromosomu Filadelfia. Odpowiedź uzasadnij.
28.4. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego obecność genu fuzyjnego BCR-Abl może przyczynić się do transformacji nowotworowej komórki. W odpowiedzi uwzględnij dwa efekty działania produktu ekspresji tego genu, wymienione w tekście wprowadzającym do zadania.
