Na poniższym schemacie przedstawiono w uproszczony sposób metodę otrzymywania roślin
transgenicznych. W tej metodzie wykorzystuje się bakterie Agrobacterium tumefaciens,
mogące infekować rośliny. Podczas infekcji fragment plazmidu bakterii, tzw. T-DNA, wnika
do komórki roślinnej i integruje się z jej chromosomowym DNA. Symbolami E1 i E2
oznaczono dwa różne enzymy wykorzystywane podczas otrzymywania rośliny
transgenicznej.
Na podstawie: G.J. Tortora i in., Microbiology: An Introduction, Harlow 2021.
14.1. (0–2)
Uzupełnij tabelę – zapisz nazwy enzymów oznaczonych na powyższym schemacie
symbolami E1 i E2. Określ funkcję każdego z tych enzymów w otrzymywaniu
zrekombinowanego plazmidu.
Enzym
Nazwa enzymu (helikaza, ligaza, restryktaza)
Funkcja enzymu
E1
E2
14.2. (0–1)
Wykaż, że w przedstawionej metodzie otrzymywania roślin transgenicznych bakteria
A. tumefaciens pełni funkcję wektora.
Prątek gruźlicy (Mycobacterium tuberculosis) to bakteria wywołująca gruźlicę. Do zakażenia prątkami gruźlicy najczęściej dochodzi drogą kropelkową. Jedna czwarta ludzkości – około dwóch miliardów osób – jest zakażona prątkiem gruźlicy. U większości z tych osób mamy do czynienia z zakażeniem uśpionym – nie ma objawów choroby i nie dochodzi do zakażenia kolejnych osób. U 5%–15% osób z zakażeniem uśpionym dojdzie jednak w przyszłości do rozwoju choroby. Prawdopodobieństwo rozwoju gruźlicy u osób chorych na AIDS znacznie wzrasta. Rocznie na gruźlicę umiera 1,5 miliona osób na świecie.
Leczenie gruźlicy polega na podawaniu co najmniej dwóch leków jednocześnie: rifampicyny i izoniazydu. Podawanie tylko jednego leku prowadzi początkowo do prawie całkowitego wyleczenia choroby, ale po pewnym czasie dochodzi do jej nawrotu, mimo ciągłego podawania leku.
Na podstawie: www.igichp.edu.pl; K. Kruczak i E. Niżankowska-Mogilnicka, Gruźlica wielolekooporna – współczesne problemy, „Pneumonologia i Alergologia Polska” 77(3), 2009; E. Rowińska-Zakrzewska, Gruźlica i HIV na świecie, w Europie i w Polsce, „Pneumonologia i Alergologia Polska” 81(6), 2013.
14.1. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego u osób chorych na AIDS znacznie wzrasta ryzyko rozwoju gruźlicy w przypadku dotychczas uśpionego zakażenia prątkiem gruźlicy.
14.2. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego podawanie tylko jednego leku prowadzi najpierw do prawie całkowitego wyleczenia gruźlicy, a następnie – do jej nawrotu. W odpowiedzi uwzględnij mechanizm działania doboru naturalnego.
Wśród bakterii zachodzi intensywny międzykomórkowy przepływ informacji genetycznej, który odbywa się na drodze transformacji, transdukcji lub koniugacji.
Człowiek wykorzystuje naturalnie zachodzące zjawiska do otrzymywania organizmów modyfikowanych genetycznie, np. bakterii wytwarzających ludzkie białko – insulinę. Jednak aby doszło do produkcji insuliny w komórkach bakterii, ludzki gen insuliny musi zostać pozbawiony dwóch intronów, rozdzielających trzy eksony.
Ludzki gen ulega replikacji razem z plazmidem bakteryjnym i dzięki temu występuje w komórce bakteryjnej w dużej liczbie kopii, umożliwiającej syntezę białka na wysokim poziomie.
Na podstawie: U. Kasprzykowska i B.M. Sobieszczańska, Plastyczność bakteryjnych genomów – międzykomórkowy transfer informacji genetycznej, „Postępy Mikrobiologii” 53(2), 2014.
14.1. (0–1)
Do każdego z rodzajów przepływu informacji genetycznej przyporządkuj jeden właściwy opis spośród podanych poniżej (1.–4.).
Zachodzi z udziałem wirusów, które stają się wektorami przenoszącymi DNA z jednej bakterii do drugiej.
Polega na pobieraniu przez komórki bakteryjne materiału genetycznego ze środowiska.
Jest to proces płciowy polegający na przekazaniu materiału genetycznego z komórki dawcy do komórki biorcy. Może zachodzić pomiędzy różnymi gatunkami bakterii.
Polega na przepisaniu informacji genetycznej z RNA na DNA, dzięki czemu dochodzi do integracji takiego materiału genetycznego z genomem bakterii.
transformacja –
transdukcja –
koniugacja –
14.2. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego przed wprowadzeniem ludzkiego genu kodującego insulinę do genomu bakterii usuwa się z tego genu sekwencje intronów. W odpowiedzi uwzględnij znaczenie wycinania intronów u człowieka oraz przebieg ekspresji informacji genetycznej u bakterii.
14.3. (0–2)
Uzupełnij tabelę – dla każdego z enzymów określ jego funkcję w procesie replikacji plazmidowego DNA.
PET – poli(tereftalan etylenu) – to wielkocząsteczkowy polimer stosowany m.in. do produkcji włókien oraz butelek o wysokiej odporności na biodegradację.
Na składowisku ze sztucznymi tworzywami odkryto gatunek Gram-ujemnej bakterii Ideonella sakaiensis, który wykorzystuje produkty rozkładu PET jako źródło węgla i energii. Te bakterie wytwarzają enzym – PETazę, który rozkłada PET wydajniej niż inne enzymy – kutynazy, esterazy czy lipazy – występujące u innych saprobiontycznych bakterii oraz u grzybów. W środowisku naturalnym PET rozkłada się setki lat, ale PETaza może skrócić ten czas do zaledwie kilku tygodni.
Na podstawie: S. Yoshida i in., A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate), „Science” 351, 2016.
15.1. (0–2)
Uzupełnij poniższe zdania tak, aby w poprawny sposób opisywały właściwości bakterii I. sakaiensis. W każdym nawiasie podkreśl właściwe określenie.
Ściana komórkowa u bakterii Gram-ujemnych jest (cieńsza / grubsza) niż u bakterii Gram-dodatnich. Ściana komórkowa I. sakaiensis (jest / nie jest) przeszkodą w pobieraniu PET do wnętrza komórki, a rozkład PET rozpoczyna się (w komórce / poza komórką).
15.2. (0–2)
Oceń, czy poniższe stwierdzenia związane z rozkładem PET przez mikroorganizmy są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
1.
Biodegradacja PET przez bakterie I. sakaiensis przyczynia się do obiegu węgla w przyrodzie.
P
F
2.
Bakterie I. sakaiensis są jedynymi znanymi organizmami zdolnymi do rozkładu PET.
P
F
3.
Występowanie PET w środowisku jest przyczyną mutacji, dzięki którym u bakterii i u grzybów dochodzi do powstania genów kodujących PETazę.
Ekologiczna nisza podstawowa gatunku to nisza potencjalnie zajmowana przez ten gatunek
w warunkach optymalnych, natomiast nisza zrealizowana jest częścią niszy podstawowej,
zajmowaną przez gatunek w danych warunkach abiotycznych i biotycznych.
Drożdże Saccharomyces cerevisiae w środowisku naturalnym bytują m.in. na powierzchni
owoców winorośli, na której – mimo warunków tlenowych – głównie przeprowadzają
fermentację alkoholową. Na powierzchni owoców winorośli występują także różne bakterie,
które – podobnie jak S. cerevisiae – jako główne źródło energii wykorzystują glukozę.
Badania wykazały, że bakterie wydzielają kwas mlekowy, modyfikujący metabolizm komórek
drożdży. W obecności kwasu mlekowego drożdże wykorzystują do wzrostu związki, które nie
są substratami fermentacji alkoholowej, dzięki czemu ich wzrost i żywotność są lepsze.
Na podstawie: D. Jarosz i in., Cross-kingdom Chemical Communication […], „Cell” 158(5), 2014;
D.M. Garcia i in., A Common Bacterial Metabolite Elicits […], „eLife” 5, 2016.
Na podstawie przedstawionych informacji podaj dwa różne argumenty wskazujące
na to, że nisze ekologiczne opisanych drożdży i bakterii w znacznym zakresie się
pokrywają.
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.
Zdolność wiązania i redukcji azotu atmosferycznego mają m.in. bakterie z rodzaju Rhizobium
żyjące w brodawkach roślin bobowatych oraz wolnożyjące bakterie z rodzaju Azotobacter,
które występują w strefie korzeniowej roślin. Substancjami odżywczymi Azotobacter
chroococcum są węglowodany oraz inne związki organiczne (np. mannitol) wydzielane przez
korzenie roślin.
Sformułowano następujące pytanie badawcze: Czy obecność dwóch szczepów
A. chroococcum (AC1 i AC10) pozwala na ograniczenie podczas uprawy bawełny dawki
nawozu azotowego – mocznika?
W tym celu z wykorzystaniem sześciu donic uprawianej bawełny przeprowadzono
następujące badanie:
w pierwszych trzech donicach roślin bawełny stosowano nawożenie mocznikiem w różnych stężeniach – 100%, 75% albo 50% – w stosunku do dawki zalecanej przez producenta
w pozostałych trzech donicach roślin bawełny wprowadzano do gleby szczepy A. chroococcum oraz 50% dawkę nawozu w następujących kombinacjach: ‒ szczep AC1 oraz nawóz ‒ szczep AC10 oraz nawóz ‒ szczepy AC1 i AC10 wraz z nawozem.
Następnie zmierzono długości pędu i korzeni. Wykonano trzy niezależne powtórzenia
każdego z wariantów doświadczenia. Średnie wyniki przedstawiono na wykresach I i II.
W badaniu sprawdzano również obecność substancji wydzielanych do gleby przez bakterie
i wykazano obecność: auksyn, enzymów proteolitycznych oraz ureazy, rozkładającej
mocznik do jonów amonowych i dwutlenku węgla.
Na podstawie: F. Romero-Perdomo i in., Azotobacter chroococcum […],
„Revista Argentina de Microbiología” 49, 2017.
7.1. (0–1)
Na podstawie przedstawionych wyników badania sformułuj odpowiedź na postawione
pytanie badawcze.
7.2. (0–1)
Wykaż związek pomiędzy obecnością ureazy wydzielanej do gleby przez
A. chroococcum a wzrostem bawełny.
7.3. (0–2)
Uzupełnij poniższe zdania tak, aby zawierały informacje prawdziwe. W każdym
nawiasie podkreśl właściwe określenie.
Bakteria A. chroococcum jest (chemoautotrofem / heterotrofem). Prowadzi
(pasożytniczy / saprobiontyczny) tryb życia, ponieważ (wydziela enzymy proteolityczne /
pobiera substancje pokarmowe wydzielane przez korzenie roślin).
7.4. (0–1)
Określ, jaka zależność – mutualizm czy komensalizm – występuje między bakteriami
z rodzaju Rhizobium a roślinami bobowatymi. Odpowiedź uzasadnij, odwołując się do
definicji wybranej zależności oraz do przykładów korzyści lub strat odnoszonych
przez wymienione organizmy.
Na poniższym zdjęciu przedstawiono koniugację bakterii, polegającą na jednokierunkowym
transferze materiału genetycznego (plazmidowego DNA) z jednej komórki bakteryjnej
(dawcy) do drugiej komórki bakteryjnej (biorcy). Na zdjęciu zaznaczono strzałką połączenie
pomiędzy dwoma komórkami bakteryjnymi.
DNA plazmidowy jest rzadko przekazywany w całości, ponieważ koniugacja naturalnie jest
przerywana w losowym momencie. Dodatkowo w warunkach laboratoryjnych koniugację
bakterii można przerwać przez intensywne wstrząsanie zawartości probówki z hodowlą
bakteryjną, co jednocześnie zapobiega powstawaniu nowych par koniugacyjnych.
W celu określenia kolejności przekazywania czterech genów podczas koniugacji
przeprowadzono doświadczenie polegające na przerwaniu koniugacji w określonych
odstępach czasu. Na poniższym wykresie przedstawiono wyniki doświadczenia.
Na podstawie: M. Hüttener i in., Roles of Proteins Containing Immunoglobulin-Like Domains
in the Conjugation of Bacterial Plasmids, „mSphere” 7(1), 2022;
S. Srivastava, Genetics of Bacteria, Nowe Delhi 2013.
8.1. (0–2)
Oceń, czy poniższe stwierdzenia dotyczące wyników przedstawionego doświadczenia
są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
1.
Spośród badanych genów jako pierwszy jest przekazywany gen azi.
P
F
2.
Gen ton jest przekazywany po genie azi, ale przed genem lac.
P
F
3.
Gdy przerwano koniugację po 20 minutach, nie było wśród komórek będących biorcami takich komórek, które otrzymały gen gal.
P
F
8.2. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego intensywne wstrząsanie zawartością probówki prowadzi
do przerwania przekazywania materiału genetycznego między bakteriami.
W odpowiedzi odnieś się do mechanizmu koniugacji.
Złącze nerwowo-mięśniowe to synapsa znajdująca się między neuronem ruchowym
a włóknem mięśniowym. Warunkiem niezbędnym do uwolnienia w synapsie przekaźnika
nerwowego, np. acetylocholiny, jest połączenie pęcherzyków synaptycznych zawierających
neurotransmiter z błoną komórkową neuronu. Umożliwia je kompleks fuzyjny tworzony przez
kilka białek transbłonowych (SNARE).
Toksyna botulinowa jest wytwarzana przez beztlenowe bakterie Clostridium botulinum.
Po dostaniu się do organizmu człowieka toksyna botulinowa dociera do szczeliny
synaptycznej, gdzie łączy się z receptorami w błonie neuronu i wnika do jego wnętrza.
Forma aktywna toksyny składa się z dwóch podjednostek – łańcucha lekkiego oraz łańcucha
ciężkiego – które są połączone mostkiem disiarczkowym. Po rozłączeniu się tych
podjednostek łańcuch lekki rozkłada białka z grupy SNARE. Ostatecznie dochodzi do
zablokowania przewodzenia w złączu nerwowo-mięśniowym, w wyniku czego mięśnie
ulegają zwiotczeniu.
Na poniższych schematach przedstawiono mechanizm przekazywania pobudzenia
w synapsie nerwowo-mięśniowej osoby zdrowej (A) oraz mechanizm działania toksyny
botulinowej (B). Strzałkami oznaczono kolejność zdarzeń przedstawionych na schematach.
Na podstawie: P. Čapek, T.J. Dickerson, Sensing the Deadliest Toxin: Technologies for
Botulinum Neurotoxin Detection, „Toxins” 2(1), 2010;
A. Mazurkiewicz-Pisarek, A. Płucienniczak, Toksyna botulinowa – cudowna trucizna,
„Biotechnologia” 2(85), 2009.
12.1. (0–2)
Oceń, czy poniższe stwierdzenia dotyczące działania toksyny botulinowej są
prawdziwe. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
1.
W procesie porażania mięśni przez toksynę botulinową dochodzi do przemieszczenia jej łańcucha lekkiego do cytozolu neuronu.
P
F
2.
Po związaniu się z receptorem w szczelinie synaptycznej toksyna botulinowa wnika do neuronu na drodze endocytozy.
P
F
3.
Toksyna botulinowa po przedostaniu się do szczeliny synaptycznej blokuje receptory acetylocholiny w błonie komórki mięśniowej.
P
F
12.2. (0–1)
Na podstawie przedstawionych w tekście informacji określ najwyższą rzędowość
struktury białka – toksyny botulinowej. Odpowiedź uzasadnij, odwołując się do jednej
cechy budowy tego białka.
12.3. (0–1)
Uzupełnij tabelę – uporządkuj w odpowiedniej kolejności procesy fizjologiczne
zachodzące w synapsie nerwowo-mięśniowej u zdrowego człowieka. Wpisz numery
2.–4. w odpowiednie miejsca tabeli.
Proces fizjologiczny
Kolejność
Dotarcie impulsu nerwowego do synapsy nerwowo-mięśniowej i utworzenie kompleksu fuzyjnego przez białka transbłonowe (SNARE).
1
Depolaryzacja błony komórkowej komórki mięśniowej i powstanie potencjału czynnościowego.
Fuzja pęcherzyków synaptycznych z błoną presynaptyczną i uwolnienie acetylocholiny do szczeliny synaptycznej.
Wiązanie się acetylocholiny z mięśniowym receptorem błonowym.
Jeden z antybiotyków – streptomycyna – łączy się bezpośrednio z małą podjednostką
rybosomu. Zaburza to syntezę białek bakteryjnych. Jednak nie wszystkie bakterie są
wrażliwe na streptomycynę. U bakterii Mycobacterium tuberculosis oporność na
streptomycynę warunkuje mutacja w genie kodującym podjednostkę 16S rRNA.
W celu ustalenia właściwej dawki antybiotyku stosowanego w leczeniu chorób bakteryjnych
określa się wartości:
MIC (ang. minimum inhibitory concentration) – minimalne stężenie antybiotyku, które całkowicie hamuje wzrost szczepu bakterii w pożywce płynnej
MBC (ang. minimum bactericidal concentration) – najmniejsze stężenie w pełni bakteriobójcze dla danego szczepu.
W celu ustalenia wartości MIC i MBC przygotowano osiem probówek z pożywką zawierającą
taką samą, niewielką liczbę komórek pewnego szczepu bakterii. Po dodaniu do siedmiu
probówek różnych ilości streptomycyny wszystkie osiem umieszczono w inkubatorze.
Materiał z probówek, w których nie wykryto wzrostu bakterii, przeniesiono na pożywkę stałą
bez streptomycyny. Poniższy schemat ilustruje wyniki tego doświadczenia.
Na podstawie: J. Baj, Mikrobiologia, Warszawa 2018; W. Irving i in., Krótkie wykłady. Mikrobiologia medyczna, Warszawa 2008;
B. Springer i in., Mechanisms of Streptomycin Resistance: Selection of Mutations in the 16S rRNA Gene Conferring Resistance,
„Antimicrob Agents Chemother” 45, 2001.
6.1. (0–1)
Na podstawie przedstawionych wyników doświadczenia odczytaj wartości MIC oraz
MBC i wpisz je w wyznaczone poniżej miejsca.
wartość MIC: mg/l
wartość MBC: mg/l
6.2. (0–1)
Spośród podanych nazw chorób wybierz i zaznacz nazwy chorób bakteryjnych.
AIDS
borelioza
WZW typu C
gruźlica
tężec
6.3. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego mutacja w jednym z genów kodujących rRNA bakterii
M. tuberculosis może powodować nabycie przez szczep tych bakterii oporności na
streptomycynę.
6.4. (0–1)
Dokończ zdanie. Zaznacz odpowiedź A, B albo C oraz jej uzasadnienie 1., 2. albo 3.
Rozprzestrzenianie się antybiotykooporności bezpośrednio między komórkami bakterii jest
możliwe na drodze
A.
transformacji,
ponieważ
1.
geny antybiotykooporności w wyniku cyklu lizogenicznego bakteriofagów mogą być wbudowane do genomu bakterii.
B.
transdukcji,
2.
geny antybiotykooporności mogą znajdować się w plazmidach, które są przekazywane innym komórkom bakteryjnym.
C.
koniugacji,
3.
wśród pobranych egzogennych fragmentów DNA może znaleźć się taki, który zawiera geny antybiotykooporności.
6.5. (0–2)
Wykaż, że wirusy nie są wrażliwe na streptomycynę. W odpowiedzi uwzględnij różnicę
w budowie wirusów i bakterii oraz mechanizm działania streptomycyny.
