Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks (1)

Q: Mis ja milleks on biosensor?

Vastus leiad õppematerjalist: Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks

3 HALB

Esitatud küsimused

Mis ja milleks on biosensor?

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks

Rakendusbioloogia mõiste, valdkonnad. Näiteid rakendusbioloogia saavutustest. GMO, näiteid, ohud.
Rakendusbioloogia- erinevate haruteaduste avastatud seaduspärasuste kasutamine inimkonna huvides.
Biofüüsika- käsitleb organismides toimuvaid füüsikalisi protsesse.
Biokeemia - uurib organismide keemilist koostist, ainevahetusprotsesse, keemilisi muundumisreaktsioone, nende regulatsiooni jne.
Biomeetria - on matemaatiliste meetodite kompleks (statistika) organismide ja nendega seotud protsesside modelleerimiseks ning organismidega katsete planeerimiseks.
Biotehnoloogia- on organismidele omastel protsessidel põhinev tehnoloogia mitmesuguste ainete saamiseks tehistingimustes.
Geenitehnoloogia - kasutab organismide pärilikkuse muutmiseks DNA siirdamist, mille tagajärjel luuakse uut pärilike omadustega organismid (transgeensed organismid)
Looduskaitse- on elukeskkonna, loodusvarade ja bioloogilise mitmekesisuse säilitamine.
Meditsiin- tegeleb pärilike haiguste sünnieelse diagnoosiga ja hilisea raviga . Samuti päriliku eelsoodumusega haiguste profülaktikaga ja nakkushaiguste tekitajate uurimise ja raviga, inimese tervise kaitse ja tugevdamisega.
Taime- ja loomageograafia- uurib taimede ja loomade ning nende koosluste levikut Maal.
Tõu- ja sordiaretus- eesmärk on uute koduloomade tõugude ja kultuurtaimede sortide aretamine.
Veterinaaria ja taimekaitse - tegelevad koduloomade ja kultuurtaimede haiguste ennetamise ning raviga.
Paljude bakterite, taimede ja loomade pärilikkust on muudetud sellega, et neisse on viidud teiste organismide geene.
On konstrueeritud uute omadustega organisme, kes toodavad bioloogiliselt aktiivseid aineid: raviühendeid, antikehi, verehüüimisfaktoreid, kasvufaktoreid jne.
Transgeenseid loomi saab kasutada mudelitena inimese pärilike haiguste uurimiseks ja uute ravimeetodite rakendamiseks.
Püütakse konstrueerida loomi, kes kannaksid inimese koesobivusantigeene, et antud loomade organeid (südant, neere, maksa jm) siiradada inimese organismi, ilma et inimese organism koesobimatuse tõttu selle ära tõukaks.
Transgeensetel kultuurtaimedel on suurendatud nende haigus-, lamandumis-, põua- ja külmakindlust, saagikust ning säilivust. Samuti on parandatud nende maitseomadusi.
EELISED
PROBLEEMID

suurem saagikus leevendab inimkonna toiduprobleeme

kultuurtaimede suurem elujõulisus ja haiguskindlus

keskkonna saastatuse vähendamine, kasvatatakse kahjuritele mürgiseks muudetud transgeenseid kultuure

eetikaprobleemid- igale organismile jäägu oma normaalne genoom

võib olla kahjulik inimese organismile. Mõni allergiat põhjustav valk võib sattuda toitu, kus teda normaalselt ei leidu

võimalik negatiivne mõju keskkonnale. Kahjurid muutuvad looduslike toimeainete suhtes immuunseks

põllukultuuridesse kantud muundatud geenid võivad üle kanduda umbrohule, muutes need samuti elujõulisemaks

Mikroobide, seente ja viiruste kasutamine biotehnoloogias . Viirusvektori kasutamise skeem.
Põhilised biotehnoloogias kasutatavad organismid on bakterid ja seened. Paljud bakteri- ja seenetüved on majanduslikult tähtsad, sest neid kasutatakse laialdaselt toiduainetööstuses, antibiootikumide, vitamiinide, aminohapete jt ainete tootmisel.
Ensüümid
Toiduainetööstuses kasutatakse paljusid seent produtseeritud ensüüme toiduainete lõhna, värvi omaduste parandamiseks. Näiteks proteaase kasutatakse piima kalgendamiseks juustu tootmisel, õlle läbipaistuvuse suurendamiseks ja leiva omaduste parandamiseks. Pintselhalliku erinevate liikide baasil toodetakse valget ja sinist (rokfoori) hallitusjuustu ning salaamit. Bakterite ja hallitusseente toodetud amülaase rakendatakse tärklise hüdrolüüsiks siirupi tootmisel.
Taimekaitsevahendid - seeni kasutatakse taimepatogeenide tõrjeks.
Pesuvahendid sisaldavad bakterite ja seente sünteesitud ensüüme, millel on valke, lipiide ja polüsahhariide lagundav toime.
Tekstiilitööstuses kasutatakse amülaasi tärklise lagundamiseks.
Antibiootikumid
Antibiootikumid on ravimid, mida kasutatakse bakterhaiguste raviks.
Tootjateks on aktinomütseedid ja seened. Näiteks rohehallikutest saadakse penitsiliini, aktinomütseetidest tetratsükliini.
Alkaloidid
Tungalterast eraldatakse alkaloide, mida kasutatakse migreeni ja Parkinsoni tõve raviks.
Transgeensed organismid
Transgeensete kultuurtaimede ja koduloomade pärilikkust on muudetud, neisse on viidud teiste organismide geene eesmärgiga tõsta haiguskindlust ja suurendada saagikust.
Transgeensetest organismidest saadud toidus pole taimekaitsemürke. Toiduained on tervislikumad, odavamad ja maitsvamad. Kuna ei kasutata mürke, väheneb ka keskkonna saastatus .
Funktsionaalne toit
Biotehnoloogiliselt toodetakse ka funktsionaalset toitu, s.o toitu, mille komponendid mõjuvad positiivselt inimese organismile.
Funktsionaalne toit tõhustab inimese seedekulgla talitlust, aktiveerib immuunsüsteemi, vähendab haigusriske (kaaries, kõhulahtisus, kõhukinnisus, veresoonkonnahaigused), stabiliseerib organismi seisundit.
Piimatoodetele (biojogurtile, biokeefirile) on lisatud probiootilisi baktereid, mis parandavad inimese seedetegevust, tugevdavad imuunsüsteemi, soodustavad sooletegevuse taastumist pärast antibiootikumidega ravi, vähendavad piimavalkude allergeenset toimet.
Tervisejuust, mida toodetakse bakteri Lactobacillus fermentum ME-3 abil. Bakter hävitab seedetraktist düsenteeria ja salmonelloosi tekitajaid, aeglustab veresoonte lupjumist, aitab taastuda rakkudel, mida nakkus on kahjustanud.
Toiduainetele lisatakse teatud keemilisi elemente. Näiteks jodeeritud sool, kaltsiumiga rikastatud mahlad ja piimatooted, rauaga rikastatud maisihelbed jne.
Toiduainetest (näiteks riisist) eemaldatakse allergiat põhjustavad valgud ja kohvist kofeiin .
Funktsionaalne toit saadakse loomorganismi füsioloogilise seisundi mõjutamisel ( tervisemunad ) või valitakse bioaktiivse mõjuga toiduaine ( mesi , küüslaauk, astelpaju viljad jne).
Bioplasti tootmine
Teatud mikroobid võimaldaksid toota looduses lagunevat bioplasti.
DNA elementide trantspordiks kasutatakse viirusvektoreid, mis on saadud viiruste geneetilise materjali modifitseerimisel, asendades viiruse genoomis mõne geeni rakulise geeniga. Seejuures kasutatakse viiruse omadust tungida inimese rakkudesse ja viiruse nukleiinhappe seostumist peremeesraku DNA-ga. Seega on viiruse abil võimalik rakku toimetada vajalikud geenid ja muuta raku omadusi inimesele sobivas suunas. Viiruste ohtlikkuse vältimiseks eemaldatakse neist pärilik materjal, mis tagab viiruse paljunemise.

Molekulaarmeditsiin. Tsüstilise fibroosi kui geen ( kromosoom -) mutatsioonist tingitud haiguse näide.
1) Pärilikud haigused

Pärilikud haigused kombinatiivse muutlikkuse tagajärjel

Retsessiivsed alleelid satuvad homosügootsesse seisundisse.
Näiteks kurtus, lühinägelikkus, hemofiilia, daltonism .

Pärilikud haigused mutatsioonilise muutlikkuse tagajärjel

Geen-, kromosoom- või genoommutatsioonid tekivad sugurakkudes, mis võivad põhjustada ainevahetushäireid, väärarenguid, kasvajaid.
Näiteks Downi sündroom, Klinefelteri sündroom.
Pärilike haiguste profülaktika
Mutageenide vältimine, sest võimalikud kahjulikud tegurid võivad mõjutada munarakke.
Hoidumine sugulusabieludest.
Sünnieelne diagnostika - DNA diagnostika võimaldab uurida inimese kromosoome enne sündi ning leida mutatsioone . Kromosoomuuringud on soovitatavad peredele, kus on teada raske pärilik haigus, ja ka üle 35- aastastel last ootavatele naistele, sest naise vanuse suurenedes kasvab risk sünnitada genoomhaigusega laps.
Pärilike haiguste ravi
Asendusravi - organismi viiakse puuduvaid ensüüme või hormoone. Näiteks insuliini suhkruhaiguse korral.
Dieetravi- rakendatakse pärilike ainevahetushaiguste korral.
Kirurgiline ravi- kõrvaldatakse pärilikud väärarengud.
Geeniteraapia- organismis asendatakse defektne geen tervega.
2) Päriliku eelsoodumusega haigused (komplekshaigused)
Kujunevad välja pärilikkuse ja keskkonnategurite koostoimes.
Keskkonnategurid võivad soodustada või pidurdada päriliku eelsoodumusega haiguste teket.
Oluline on profülaktika. Tervislikud eluviisid saagu inimesele harjumuseks.
Päriliku eelsoodumusega on näiteks kõrgvererõhutõbi, suhkrutõbi, rasvtõbi, alkoholism , kopsuvähk jt.
Vähkkasvajad on samuti päriliku eelsoodumusega haigused. Vähkkasvajaid põhjustavad geeniregulatsiooni häired. Valede geenide avaldumine tuleneb genotüübi iseärasusest ja keskkonnategurite koosmõjust.
Meditsiinigeneetika
Pärilike haiguste sünnieelne diagnostika (lootevedeliku proovist analüüs, koeproov koorioni hattudest).
Suguvõsa uuringud.
Pärilike haiguste pröfülaktika.
Vähkkasvajate tekkepõhjuste uurimine ja mittekirurgiliste ravimeetodite väljatöötamine.
3) Mittepärilikud haigused
Sõltuvad keskkonnateguritest.
Loote väärarengud on tingitud last ootava naise haigustest või muudest kahjulikest keskkonnateguritest.
Nakkushaigused on mittepärilikud.
Mittepärilikud on ka organite ja organsüsteemide haigused.

Vähkkasvajate tekke mehhanism . Onkogeenid , onkosupressorgeenid.
Kasvajad.
Kasvaja tekkeks ca 6-7 mutatsiooni;
Kasvajate geenid:

onkogeenid (teada ca 50); neil on oluline roll organismi paljunemisstaadiumis, hiljem ei tohiks enam avalduda. Kiirelt arenevat loodet vaadeldaksegi mõnikord kasvajana.
onkosupressorgeenid (~12), nn allasurujad: geenid, mille produktid (valgud) takistavad onkogeenide avaldumist . Onkosupressoreid nimetatakse ka "vahimeesteks", tuntuim on p53 geen, st valku ( protein ) nr 53 määrav geen.

Rakkudes olemas mõlemad. Kui onkosupressor ei tööta, tekibki kasvaja.
Loote arengu käigus peavad onkosupressorgeenid tasapisi onkogeene pidurdama hakkama, täiskasvanul on onkogeenide talitlemist juba vähe tarvis (küll aga mõne koe taastamisel). Haigus tekib, kui onkogeenid ikkagi talitlevad (st onkosupressorid ei talitle).
Molekulaarse ravi (geeniteraapia) probleeme:

supressorite puudumist saaks asendada (viia supressorgeen rakku), kuid seda peaks ju tegema miljonitesse rakkudesse korraga - kasvaja-geenid on aktiivsed näiteks terves elundis (väga paljude rakkude kogum). Probleem on siis: kuidas muuta suurt hulka rakke? Lihtsam oleks (ja seda ka katsetatakse) vigane geen avastada varases lootestaadiumis, sest siis on veel vähe rakke, mis nn geenivahetust vajavad.

rekombinantse genoomiga viiruste kasutamisel - kuidas jõuab viirus õigesse kohta ja kõigi vajalike kohtadeni. Kas muudetud genoomiga viiruse sisseviimisel ei kaasne ebasoovitavaid nähtusi?
uurida, mis geenil viga on. St seostada viga geeni tasandil fenotüübilise efektiga . (Nt: kuidas aktiveerida promootorit).

Kloonimine , mõiste ja eesmärgid; kloonimise ajalugu ja näiteid. Kloonimise põhimõtteline skeem.
Kloonimine.
Kloonimine on sama geneetilise taustaga rakkude loomine.
Ajaloost:
Tavaline on olnud varases staadiumis loote (blastula) rakkude kloonimine. Diploidne tuum viiakse munarakku, millest on tuum (haploidne) enne välja võetud. Mäletatavasti on munarakk totipotentne. Munaraku tsütoplasmas olevad faktorid (valgud, RNA) hakkavad nüüd suunama ka "imporditud" tuuma geenide avaldumist.
Katse kuulsa lamba Dolly saamisel ei olnud teisiku (klooni) pärast ette võetud (Vt allpool - seda tehti ju varemgi!). Teadlasi huvitas hoopis, kas lõplikult diferentseerunud (eristunud) koe geene saab uuesti "äratada". Tuli välja, et saab - seda tegid munaraku tsütoplasma faktorid - mis ongi Dolly-katse teaduslik iva.
*1952 (Rana fipeks, (konn)) blastula raku tuum munarakku;
*1962 ( Xenopus sp, kannuskonn) soolestiku epiteeli raku tuum munarakku;
Reeglina õnnestumis-protsent (kui palju suudab areneda täiskasvanuks) väike, ca 12
*1993 suudeti lahutada inimese rakukobar paljunemisvõimelisteks osadeks;
*1997 DOLLY- rakutuum viidi lõplikult diferentseerunud koest munarakku, see oli ikkagi arenemisvõimeline ka ilma oma tuumata ja viljastamata.
*1998 transgeenne tuum munarakku. (Transgeenne - muudetud või lisatud geenidega).
Kloonimise vastu on praegu nimetatud järgmist:

inimese unikaalsus kaob;
mitmekesisus väheneb;
“jumala mängimine”;
kurjategijate jms kloonimine;
…
Kõiki neid saab demokraatlikus ühiskonnas ümber lükata: arvestada tuleb keskkonna mõju indiviidi kujunemisel jne. Ainus tõsiseltvõetav argument: kloonimise tulemus on teaduse praeguse arengutaseme juures bioloogiliselt väheväärtuslik/nõrk.

Kloonimine:
Identse genoomiga organismide loomine ( reproduktiivne kloonimine).

Võetakse tüvirakk, mis on võimeline määramatult paljunema
Rakust eemaldatakse geneetilist informartsiooni sisaldav rakutuum.
Munarakust eemaldatakse rakutuum ja asemele siiradakse tüviraku tuum.
Soodustatakse munaraku jagunemist ja kasvamist.
Saadud embrüo siirdatakse emaslooma emakasse.
Arenev organism sünnib tüviraku andja identse koopiana.

Tüvirakkudest samasuguse DNA- nukleotiidjärjestusega rakkude saamine ( ravikloonimine )
Tüvirakke saadakse mõne päeva vanusest embrüost.

Eraldatakse tüvirakud ja kultiveeritakse ( kasvatatakse ja paljundatakse) laboratooriumis.
Ravimiseks siirdatakse tüvirakke otse haigesse koesse, kus nad muunduvad vastava koe rakkudeks ning asendavad kahjustatud rakke.

Alternatiivina võib tüvirakkudest vajalikud rakud kasvatada ka laboris enne nende organismi siirdamist.
Kuna tüvirakud võivad areneda peaaegu igat tüüpi koe rakkudeks, saab neid edukalt kasutada võitluses haigustega. Näiteks kõhunäärme ( pankrease ) rakkudeks muudetud tüvirakud võivad taastuda suhkuhaigete pankrease funktsioonid, närvirakkudeks muundatud tüvirkaud asendada Alzheimeri ja Parkinsoni tõve kahjustatud kudesid .

Molekulaarbioloogia ja indiviidi areng. Pluripotentsus/totipotentsus. Nn ema-efekt. Rakkude proliferatsioon .

Rakkude programmeeritud suremine ( apoptoos )
Programmeeritud suremine ehk apoptoos.
Apoptoos on raku geenide poolt ettemääratud suremine. Oluline on, et niisugune rakkude surm toimub aeglaselt ja lagunevad rakuosad ning tekkinud jääkühendid hoitakse kinnistes põiekestes (membraaniga ümbritsetult). Nii ei kuhju mürgiseid vaheühendeid ja naaberrakke mingi raku surm ei häiri.
Apoptoosiga kaasnevad nähtused järjekorras:

raku ruumala väheneb;

osad rakuorganellid esialgu veel töötavad ;

edasi tekivad "apoptootilised kehad", st.1 või mitu membraaniga ümbritsetud struktuuri (sees laguproduktid);

DNA fragmenteerub(~150bp);

fagotsütoos spetsiaalsete rakkude poolt;
Algetappidest 1.-3. võib toimuda veel tagasipöördumine ellu, pärastpoole on protsess pöördumatu.
Vastandina toimub rakkude äkiline ehk juhuslik suremine: nekroos . Näiteks haavade tekkel vm keskkonnamõjutusel. Mingi raku nekroos häirib ka naaberrakkude arengut, kuni nende surma põhjustamiseni. Lagunemine ei toimu kinnistes põiekestes, jääkproduktid põhjustavad uute rakkude kahjustumist.

Molekulaarne neurobioloogia .

Biosensorid. Bioelektroonilise seadme tööpõhimõte glükoosi oksüdaasi kasutamise näitel.
Biosensorid. Bioelektroonilise seadme tööpõhimõte glükoosi oksüdaasi kasutamise näitel.
NB! Teave biosensorite kohta on saadud TÜ MRI prof Ants Kure konspektist üliõpilastele (A.Kurg, http://www.biotech.ebc.ee/ ). Kasutatud on ka Jeruusalemma Ülikooli Belmonte Science Laboratories Centre õpetajate töötoaks (workshop) välja antud materjale (EMBO International Practical Workshop for Science Teachers VII,2003).
Mis ja milleks on biosensor?
Biosensorid on analüüsivahendid, mis muudavad bioloogilise signaali elektriliseks signaaliks ja/või mõõdavad seda.
Biosensor koosneb bioloogilisest komponendist (nt rakk või antikeha /valk), mis on seostatud väiksele transduktorile. Transduktor on tehnika, mille abil muudetakse (edastatakse) bioloogilisel reaktsioonil toimuv töödeldavaks (füüsikaliseks) signaaliks.
Biosensorite töö põhineb rakkude ja molekulide spetsiifilisusel ära tunda ja mõõta juba väga väikseid ainekontsentratsioone.
Kui bioloogiline objekt (rakk, biomolekul) tunneb määratava aine ära, annab transduktor sellest märku elektroonilise signaaliga proportsionaalselt aine kontsentratsiooniga . Elektrooniline signaal on registreeritav.
Biosensorid võivad:

mõõta toidu toitainetesisaldust, värskust ja ohutust;
mõõta vere jm kehavedelike koostisainete sisaldust (meditsiinis);
määrata keskkonnasaaste asukohta ja mõõta saasteainete kontsentratsiooni;

Biosensorid kasutavad spetsiifilisi bioloogilisi protsesse, näiteks:

ensüüme nende substraatide määramiseks,
antikehasid nende antigeenide määramiseks,
nukleiinhappeid nende komplementaarsete järjestuste määramiseks.

Biosensori sensorelement koosneb õhukesest bioloogiliselt aktiivse materjali kihist, mis on võimalikult tihedas kontaktis elektronide transduktoriga. Üldjuhul on bioloogilise protsessi muundamine elektrooniliseks signaaliks kõige efektiivsem siis, kui kaugus bioloogilise reaktsiooni toimumiskoha ja transduktsioonikoha vahel on minimaalne. Selle saavutamine on biosensorite valmistamisel tihti ka kõige keerukam .
Milliseid biosensoreid on?
Tuntakse näiteks elektrokeemilisi, termokeemilisi ja optilisi biosensoreid. Sensorelemendi töö aluseks on ikka bioloogiline reaktsioon. Edasise transduktsiooni (reaktsiooni muutmisel signaaliks) tagajärjel mõõdetakse näiteks:

voolutugevust ( elektrokeemiline );
elektroodide potentsiaalide vahet (elektrokeemiline);
muutunud elektrijuhtivust, mis tulenes ioonide sisalduse muutumisest reaktsiooni käigus (elektrokeemiline);
reaktsiooni soojusefekti (termomeetriline);
fluorestsentsi kustumist/teket (optiline).

Enim kasutatakse elektrokeemilisi biosensoreid.
Elektrokeemilise biosensori lihtsustatud tööpõhimõte.
Vaatleme siinkohal elektrokeemilise, täpsemalt amperomeetrilise – voolutugevuse mõõtmisel põhineva – biosensori üldist tööpõhimõtet.
Tegemist on nn ensüümelektroodiga, kus kasutatakse ensüümide poolt katalüüsitud redoksreaktsioonide käigus tekkiva redokselektronide voo mõõtmist.
Tavaliselt rakendatakse elektroodidele konstantne pinge ja määratakse voolutugevust, mis tekib elektroodreaktsioonil. Niisugune biosensor on abiks näiteks glükoosisisalduse määramisel biovedelikes jm.
Tuletagem meelde, et:

oksüdeerumine tähendab elektronide loovutamist, redutseerumine elektronide liitmist ning et oksüdeerija redutseerub (st liidab elektrone) ja redutseerija oksüdeerub (st loovutav elektrone);
anood on positiivse laenguga elektrood ja katood negatiivse laenguga elektrood. Ja taas “segadusttekitavalt” vastupidi: katioon on positiivse laenguga, anioon aga negatiivse laenguga osake. Seega anioonid liiguvad anoodile ja katioonid katoodile.

Glükoosi kontsentratsiooni määravas biosensoris kasutatakse ensüümi nimega glükoosi oksüdaas (GOx ehk GOD). Nagu ensüümide puhul ikka, vajavad nad tööks (ensüümreaktsiooniks) kindlaid tingimusi, nt pH ja temperatuuri mõttes. See asjaolu muudab nende kasutamise keerukamaks (tundlikuks välismõjudele).
GOx leidub looduses näiteks mee’s (“kuivatab” mee pinda), kuid see pole praegu oluline. Tähtsam on selle ensüümi ülesande mõistmine: ta katalüüsib glükoosi oksüdeerumist hapniku toimel glükonaadiks (glükoonhappe jääk) ja vesinikperoksiidks (muide, viimase, nn vesinikülihapendi tõttu on mesi antibakteriaalsete omadustega):
glükoos + O2 (+H2O)→ (ens. GOx) → glükoonhape + H2O2,
Nagu reaktsioonide puhul ikka, saame selle kiiruse üle otsustada lähteainete kulumise või produktide tekke järgi. Reaktsiooni kulgemise tingimused valitakse näiteks nii, et hapniku tarbimise kiirus on proportsionaalne glükoosi kontsentratsiooniga. Seega saame glükoosi hulka määrata lahustunud hapniku kontsentratsiooni vähenemise kaudu ülaltoodud redoksreaktsiooni tagajärjel.
Alternatiivina võib määrata tekkiva vesinikperoksiidi (st reaktsiooni produkti) hulka.
Ent kuidas see keemiline info – aine kontsentratsioon – muuta registreeritavaks elektriliseks signaaliks?
Üheks võimaluseks on mediaatorite ehk nn vahendajate kasutamine. Teadusliku uurimise, eksperimentide tulemuste tagajärjel on sobivaks mediaatoriks peetud nt ferrotseeni (R.Blonder, Belmonte Science Laboratories Centre, The Hebrew University of Jerusalem).
See ühend suudab ühtaegu nii oksüdeerida (elektrone loovutada), kui redutseeruda (elektrone liita). Seega ferrotseen vahendab ensüümi (GOx) aktiivtsentris toimuvat elektroodile, ise oksüdeerudes ja redutseerudes:
a) Glükoos + ensüüm (oksüdeeritud vorm) → glükoonhape + ensüüm (redutseeritud)
b) Ensüüm (red.) + mediaator (ferrotseen, oks.) → ensüüm (oks.) + mediaator (red.)
c) Mediaator (red.) → mediaator (oks.) + e -
Pangem tähele, et ensüüm GOx ei suuda “tööle asuda ” redutseeritud vormis, ta vajab taastumist. Antud juhul võimaldab seda mediaator, mis liidab “liigsed” elektronid (taastades ensüümi “töövõime”).
Elektronide voog antakse aga mediaatori poolt elektroodile, mille abil see on voolutugevusena registreeritav.
Järelikult: mida aktiivsemalt ensüüm glükoosi muundab, seda suurem on voolutugevuse muutus (peab aga arvestama käesolevat lihtsustust – tegelikkuses toimib see teatud ( teadlaste selgitatud ) kontsentratsiooni jm tingimuste piirides).
Omaette probleem on veel ensüümi, mediaatori ja elektroodi tegelik seostamine (ülal oli juttu , et biosensori tööks peab ensüümreaktsioon toimuma võimalikult elektroodi lähedal). Ensüümi otse elektroodile kinnitada ei õnnestu, see rikuks ka tema aktiivtsentri töö. Võime aga ette kujutada, et ensüüm kui valk koosneb peale aktiivtsentri suuresti nn ülejäänud osast (aminohappelised järjestused, mille juures reaktsiooni ei toimu). Selle “kestaga” saabki teda mediaatoriga seostuda, aktiivtsentri tööd häirimata.
*** Keskkonnas muutuval ioonide kontsentratsiooni muutumise mõõtmisel põhineva biosensori näiteks on uurea (kusiaine ehk karbamiid ) sensor, mis kasutab ensüüm ureaasi ja mida kasutatakse neeruoperatsioonide ja dialüüsi jälgimiseks. Reaktsiooni tulemusel muutub keskkonna ioonide kontsentratsioon, mis võimaldab seda tüüpi biosensoriga jälgida uurea kontsentratsiooni.
NH2CONH2 + 3H2O ureaas 2NH4 + + HCO3 - + OH-
Meetodit saab edukalt laiendada kasutades teisi ensüüme ja ensüümikombinatsioone, mis produtseerivad erinevaid ioone näit. amidaasid, dekarboksülaasid, esteraasid, fosfataasid ja nukleaasid.
*** Optiliste biosensorite hulka kuuluvad ka mitmesugused ühekordse kasutamisega testribad. Näiteks glükoosi hulga mõõtmiseks veres ja ka uriini analüüsideks. Esimesel juhul on testribale immobiliseeritud ensüümid: glükoosi oksüdaas ja mädarõika peroksidaas koos kromogeeniga (värvust muutva ainega).

Bioinformaatika . Proteoom; proteiinide andmepank (Protein Data Pank )
Bioinformaatika on suhteliselt uus interdistsiplinaarne teadussuund, mida võib määratleda kui ühenduslüli bioloogia ja arvutiteaduste vahel. Selle alaga tegelevad inimesed omavad enamasti kas bioloogia või arvutialast baas-haridust. Teist ala nad õpivad tavaliselt lahendades konkreetseid ülesandeid ja kasutades teise valda jäävaid töövahendeid. Mõiste "bioinformaatika" ei ole hästi defineeritud. Sellega seondub igasugune arvutialane töö, mis on seotud bioloogilise informatsiooni töötlemisega. Siia mahub töö geenide ja nende produktidega kuni ökosüsteemideni välja. Enamuse tööst mida selles valas tehakse jaotub bioloogiliste andmete analüüsi ja kasva arvu projektide, mis on seotud bioloogiliste andmete korrastamisega vahel.
Tulenevalt suurtest andmehulkadest, mida molekulaarbioloogia toodab, on enamus bioinformaatika projekte keskendunud geenide ja valkude struktuursete ja funktsionaalsete aspektide uurimisele. Paljud neist projektidest on seotud inimese genoomi projektiga (vaata ka Weizmann Institute Genome Project ).
Esmalt tuleb tuhandete teadlaste poolt produtseeritud andmed koguda ja süstematiseerida ühtseks andmebaasiks. Head näited oleksid GDB , SWISS -PROT , GeneBank ja PDB. Edasised huvid on tihti seotud biomolekulide 3-D struktuuridega (PDB andmebaasi uus konseptsioon Jaime Prilusky ( email : lsprilus -at weizmann dot weizmann dot ac.il).
Järgmise astmena analüüsitakse kogutud ja sorditud andmeid kasutades arvutustehnilisi vahendeid. Näitena võib tuua geenide ja valkude bioloogilise funktsiooni ennustamise kasutades siis analüüsi primaar - või ruumilise struktuuri tasemel, Hydrophobicity Search and Comparison Server ja CINEMA . Tarkvara kohta saab lähemat teavet David Hansen (email: cidaveh -at bioinfo dot weizmann dot ac.il) käest.
Viimastel aastatel on ilmunud palju uusi bioloogilist informatsiooni sisaldavaid andmebaase. See on üldiselt hea aga paljud teadlased kaebavad, et selline dendents killustab andme allikad ja raskendab vajalike andmete otsimist eksitades otsija "andmebaaside labürinti". Informatsioon, mis on eeltoodud põhjustel laiali paisatud tuleb bioinformaatikaga tegelejatel taas kokku koguda ja kasutades arvutustehnilisi vahendeid integreerida asjakohased andmebaasid WWW abil lihtalt hõlmatavaks tööruumiks teistele kasutajatele. Sellistel webi lehekülgedel on kajastatud juurdetulev informatsioon ja uued andmebaasid ning see võimaldab kiire ülevaate saamise hetke seisust.
Sellise lähenemise näitena tahaks tuua 17 kromosoomi andmebaasi (koostatud: Vered Chalifa-Caspi poolt email: lhchalif -at bioinformatics dot weizmann dot ac.il). Siia on kogutud teadaolev informatsioon inimese 17 kromosoomi kohta, kaasa-arvatud genid, markerid, kromosoomi kaart. Seda ideoloogiat kavatsetakse laiendada kogu inimese genoomile.
Teiseks näiteks võib tuua Geeni kaartide entsüklopeedia mis on koostatud Michael Rebhan poolt.
Informatsiooni vahetamiseks bioloogide vahel on loodud BioMOO - bioloogide virtuaalne kohtumise ruum. Autoriks on Gustavo Glusman. Kui soovid kaugel oleva kolleegiga mõtteid vahetada, siis on see viis palju efektiivsem kui E-mail.
Proteoom on valkude valmistamise eeskirjade raamatukogu. Valgud moodustavad teatavasti imepäraselt keerukaid silmuseid, spiraale ja volte, nad on biomaailma mootorid.

Eesti Geenivaramu projekt.
Lühikokkuvõte Eesti Geenivaramu (EGV) projekti kandvaks ideeks on Eesti rahvastiku tervise- ja geeniandmeid sisaldavate andmekogude loomine eesmärgiga teha geeni- ja terviseuuringuid haigusi põhjustavate ning mõjutavate geenide leidmiseks. Teiseks, luua eeltingimused inimeste geneetilist eripära arvesse võtvate diagnooosimis- ja ravimeetodite rakendamiseks lähemal kümnendil. Lisaks on projekti visioonist tulenevalt eesmärgiks arendada ja aktiviseerida kohaliku geenitehnoloogia- ja meditsiinisektori infrastuktuuri integreeritud arengut kvaliteetsema ja efektiivsema teenuse suunas, kasutades selleks nüüdisaja tehnoloogilisi ja infotehnoloogilisi vahendeid.
Sihtasutuse Geenikeskus eestvedamisel on mitmete erialaspetsialistidest moodustatud töörühmade koostöös valminud käesolev EGV projekti loomise tegevuskava, mille rakendamine loob võimalused EGV projekti käivitamiseks kohe pärast geeniuuringute seaduse jõustumist.
Käesoleva plaani kohaselt luuakse EGV andmebaas 1 miljoni inimese osavõtul viie aasta jooksul, kusjuures 70-80% osalejatest kaasatakse esimese kolme aasta jooksul.
Geenivaramus osalemine on geenidoonoritele vabatahtlik. Vaba tahte väljenduseks on geenidoonori kirjalik nõusolek, mille geenidoonor annab pärast seda, kui andmekoguja on teda informeerinud EGV olemusest ja võimalustest.
Fenotüpiseerimise e. terviseandmete kaardistamise eesmärk on koguda EGV-sse olulisemad andmed Eesti elanike tervisliku seisundi (terviseandmed), sugupuude (genealoogilised andmed) ja eluviisi ning keskkonnafaktorite kohta. Fenotüpiseerimiseks vajaliku andmekogumisega paralleelselt võetakse projektis osalejalt ka vereproov .
Genotüpiseerimiseks vajalik DNA eraldatakse verest. Täiskasvanutelt võetakse 50 ml veeniverd (7-18 a. lastelt 20 ml), mis toimetatakse kesklaboratooriumisse, kus eraldatakse DNA ja plasma . Genotüpiseerimiseks DNA amplifitseeritakse ja määratakse markerlookused (SNP), kasutades primeri pikendamise (primer extension) tehnoloogiat. Genotüpiseerimise tulemusena tekib andmebaas e. geneetiline kaart 60 000 - 100 000 markerlookuse kohta miljonil isikul, mida oleks võimalik kasutada linkage disequilibriumi (geneetilise lookuse tasakaalustamata aheldatus) baasil assotsiatsiooniuuringuteks.
Pärast analüüside tegemist ja andmete sisestamist andmebaasi analüüsitakse genotüüpide andmebaasi lähtuvalt fenotüüpide andmebaasist ja vastupidi, kasutades kõiki võimalikke statistilisi, geneetilisi jm. meetodeid ja geneetiliste uuringute plaane (study design). Andmebaasi sisestatavad isikuandmed on turvaliselt kodeeritud ning kasutamisel isikutega mitteseostatavad. Andmete hilisemal kasutamisel ja assotsiatsiooniuuringute teostamisel on päringutega võimalik andmebaasidest saada teatud tunnuste alusel koostatud andmevalimeid.
Geenivaramusse kogutavad andmed on delikaatsed isikuandmed. Seega nõuab infosüsteemi projekteerimisel suurt tähelepanu kirjeldatud andmehulga kaitse. Andmekaitse osas tuleb lisaks tehnilistele vahenditele rakendada ka administratiivseid vahendeid.
EV Sotsiaalministeerium ja õiguseksperdid on ette valmistanud inimgeeni uuringute seaduse eelnõu, mille eesmärgiks on tagada inimgeneetikaalaste teadusuuringute areng Eestis, reguleerida Geenivaramu loomist vabatahtlikkuse põhimõttel, kindlustada geenidoonori isiku saladus ning teha võimatuks geenidoonori diskrimineerimine ja tema geeniandmete kuritarvitamine. Seaduseelnõu kohaselt on teatud põhjustel lubatud andmeid tagasi kodeerida. Tagasikodeerimine on geenidoonori tervise- ja sugupuuandmete ning vajadusel geeniandmete seostamine tema isikuandmetega eelkõige tema enda soovil.
Geenivaramu projekti koostamisel üleskerkivate eetikaprobleemide käsitlemiseks on moodustatud kuueliikmeline nõuandva rolliga eetikakomitee, mille liikmed on juba varasemalt meditsiinieetika - ja seadusandlusega seotud asjatundjad. Projekti elluviimisel ning hilisemate tegevuste ja uuringute käivitamisel saab seadusest tulenevalt määrava rolli sõltumatu eetikakomisjon, kes hindab meditsiiniuuringute läbiviidavuse kohasust riigi tasandil.
Suhetes avalikkusega on Geenivaramu projekti lähtekohaks olla aktiivne osapool ja anda ise võimalikult palju infot kõikidele sihtrühmadele, kes puutuvad kokku Geenivaramu projektiga. Teavitamisel lähtutakse põhimõttest, et Geenivaramu loomise ja toimimisega seonduv informatsioon on avalik ja kõigile kättesaadav, geenivaramu andmebaas ja geenianalüüsi tulemused on rangelt konfidentsiaalsed.
EGV projektil on väga oluline hariv aspekt - iga inimene, sõltumata sellest, kas ta osaleb projektis või mitte, saab meedia vahendusel või otse arsti käest põhiteadmisi geneetikast. Samuti on projekti haridusliku aspekti tähtsaks komponendiks vajadus valmistada veelgi sihipärasemalt ette vastavate oskuste ja teadmistega kaadrit. See haarab mitte ainult geenitehnoloogiat, vaid ka arstiteadust, biomeditsiini ning bioinformaatikat, samuti projekti eduks relevantseid aspekte teistes loodus- ning sotsiaalteadustes.
Geenivaramu eelarve on koostatud kulueelarve põhimõttel ja rajaneb real oletustel, olles seega hinnanguline, mistõttu tuleb arvestada võimalike korrektiividega projekti arengu käigus.
Kogu Geenivaramu projekti elluviimise kulud on esialgsete prognooside kohaselt 1,5 miljardit Eesti krooni 5 aasta kohta, umbes kaks kolmandikku kuludest hõlmab genotüpiseerimise maksumus. Käesoleva nägemuse kohaselt oleks Eesti riigi osa EGV projekti finantseerimisel kuni kolmandik, mis on seotud eelkõige vajaliku keskkonna kujundamisega, andmebaaside loomisega ning terviseandmete kaardistamisega esmatasandi tervishoiu sektori poolt. Selle kolmandiku sees näeme võimalust vähendada riigi osa ning kaasata Eesti erakapitali. Genotüpiseerimise kui kõige mahukama osa finantseerimiseks tuleb kaasata üks või mitu strateegilist partnerit, kes tagaksid lisaks finantseerimisele ka juurdepääsu vajalikule oskusteabele, tehnoloogiale ja loodava informatsiooni turgudele.
12. Bioeetika .

.DOC Laadi alla originaalfail 19 lk · .doc · 157 allalaadimist

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #1

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #2

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #3

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #4

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #5

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #6

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #7

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #8

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #9

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #10

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #11

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #12

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #13

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #14

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #15

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #16

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #17

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #18

Rakendusbioloogia teemad üldbioloogia ja biotehnoloogia kursusteks #19

100 punkti Autor soovib selle materjali allalaadimise eest saada 100 punkti.

~ 19 lehte Lehekülgede arv dokumendis

2008-08-28 Kuupäev, millal dokument üles laeti

157 laadimist Kokku alla laetud

1 arvamus Teiste kasutajate poolt lisatud kommentaarid

Kadike Õppematerjali autor

rakendusbioloogia mõiste, Mikroobide, seente ja viiruste kasutamine biotehnoloogias. Viirusvektori kasutamise skeem, molekulaarmeditsiin, vähkkasvajate tekke mehhanismid, kloonimine, rakkude programmeeritud suremine, biosensor

Sarnased õppematerjalid

rtf

Rakendusbioloogia

KT nr2 (Rakendusboiloogia) 1)Biotehnoloogia mõiste (Seened ja bakterid) Rakendusbioloogiaon bioloogia haru mis tegeleb bioloogia seaduspärasuste ja teadmiste rakendamisega praktikas Rakendus alad: *meditsiin *veterinaaria *põllumajandus *aiandus *metsamajandus *biotehnoloogia *geenitehnologia *tõu ja sordiaretus Rakendus bioloogiat toetavad: *biokeemia *biofüüsika *biogeograafia *jt Ka looduskaitses on vajalik tunda elusloodust. Biokeemia uurib organismide keemilist koostist ainevahetusprotsesse,biokeemilisi reaktsioone. Meditsiin ja veterinaaria ei saaksläbi ilma biokeemiata.

Bioloogia

doc

Geenivaramu

Viljastunud munarakke kasvatatakse inkubaatoris maksimaalselt 5 päeva. Seejärel valitakse emakasse siirdamiseks 1-2 embrüot Kehavälise viljastamise tulemuslikkust mõjutab mitu tegurit: · siiratud embrüote kvaliteet · viljatust põhjustavad faktorid · naise vanus ja kaasnevad haigused. Lisaks kliiniku tehniline varustus, ravimid ja spetsialistide kogemused. Bioonika Mis on bioonika? Bioonika on tuletis mõistetest BIOloogia ja tehNIKA ning tähendab "õppimist looduselt tehnoloogia jaoks" Mida uurib bioonika? Bioonikateadus uurib, kuidas saaks seadmeid ja masinaid konstrueerides ja materjale arendades rakendada loodusest pärit põhimõtteid Kuidas loodus tehnikaga sobib? Loodusel on olnud sadu miljoneid aastaid aega, et arendada välja otstarbekaid lahendusi. Loodusel on õnnestunud suurepäraselt toime tulla kõige erinevamate nõuetega. Tehnikal on selles osas veel palju arenguruumi.

Bioloogia

docx

Kordamisküsimused Geenitehnoloogia I

DNA sünteesi käigus, mille läbi viivaks ensüümiks on DNA polümeraas. DNA paljundamiseks kasutab see PCR- meetodit. Reaktsiooni keskkonnaks on veetilga sarnane emulsioon(õlitilk), kus igas üksikus tilgas paljundatakse DNA lõiku. Iga nukleotiidi lisandumisel uude ahelasse vabaneb prüofosfaat. Pürosfaat on substraadiks erinevate reaktsioonide toimumiseks, mille tulemusel vabaneb valguskiirus, mis registreeritakse ja tänu millele saab järjestada terve ahela. Illumina Solexa tehnoloogia puhul algab töö genoomse DNA fragmeteerimisega ultraheli vahendusel, mille tulemusel saadakse suhteliselt ühtlase pikkusega DNA segu. Seejärel liidetakse nende DNA lõikude otstesse adapteroligonukleotiidid ja puhastatakse. Nüüd järgneb DNA amplifitseerimine, mis Illumina platvormi puhul toimub tahkele kandjale seotult. Selleks kasutatakse nn. Flow-Cell-i, kus paiknevad adapteritega komplementaarsed oligonukleotiidid, millele liidetakse DNA fragmendid

Geenitehnoloogia

docx

Biotehnoloogia õpimapp

Õpimapp bioloogias Koostaja: Helena Tomson 12. A klass Juhendajad: Leili Järv Tallinn 2013 SISUKORD MÕISTETELEHT Antigeen mis tahes kehavõõras aine, mis põhjustab vastureaktsioonina antikehade tekke. Antikeha erilise koostise ja struktuuriga valk, mis tekib vastureaktsioonina mingi antigeeni. Biotehnoloogia rakendusbioloogia valdkond, kus kasutatakse organisme, et toota inimesele vajalikke aineid. Blastotsüst imetajate (ka inimese) lootelise arengu varajane staadium, mis vastab alamate selgroogsete põislootele. Embrüokloonimine varase embrüo lõhestamise teel saadud kloonembrüote kasutamine identsete genotüübiga järglaste saamiseks. Embrüoplast blastotsüsti ühel poolusel moodustunud tihe rakukobar, millest

Biotehnoloogia

docx

Rakendusbioloogia 3. kursuse mõisted

Kloonimine DNA-fragmentide, rakkude või organismide geneetiliselt identsete järglaste tekitamine. Kloon isendi, raku või DNA-fragmendi kloonimisel tekkiv geneetiliselt identne järglaskond. Meristeem algkude, mis asub taimedel võrsete tippudes, pungades jm. Meristeempaljundus üks taimede kloonimise meetod, kus kasutatakse ühe taime meristeemrakke, et saada suur arv vegetatiivseid järglaseid. Totipotentne rakk on arenguliselt täisvõimeline. Hübridoomitehnoloogia tehnoloogia, mis põhineb B-lümfotsüütide ühendamisel kasvajarakkudega, et luua hübridoome. Hübridoom B-lümfotsüüdi ja kasvajaraku hübriid, mis toodab monokloonseid antikehi. Antikehad B-lümfotsüütide poolt toodetud valgud, millel on omadus ,,ära tunda" ja seonduda antigeenidega. Superovulatsioon hormonaalmõjutustega kunstlikult esile kutsutud polüovulatsioon imetajatel, kes normaalsetel tingimustel ovuleerivad 1-2 munarakku korraga.

Bioloogia

docx

Fundamentaalteadused

Fundamentaalteadused- põhiteadused, mis uurivad objektide ja nähtuste olemust, nendega seotud seaduspärasusi Rakendusteadus otsivad avastatud loodusteadusetele kasutusvõimalusi Rakendusbioloogia- bioloogia haruteaduste poolt avastatud praktilise kasutamise võimaluste ja lahenduste uurimine ning teostamine' Üldbioloogilised teadused:geneetika, molekulaarbioloogia, rakubioloogia, arengubioloogia Eribioloogilised teadused:botaanika, zooloogia, loomafüsioloogia, taimegeograafia Bioloogia seos teiste teadustega:1)teoreetline seos- nähtuste seletamine;psühholoogia, pedagoogika, 2)rakenduslik seos- meditsiin, veterinaaria, toiduainete töötlus

Bioloogia

doc

Pärilikkus ja muutlikus

Sest nii on kombeks. Viljar Veidenberg Pärilikkus ja muutlikkus Universaalsed biokeemilised protsessid DNA replikatsioon DNA ahela kahekordistumine, mida viib läbi ensüüm nimega DNA polümeraas. Selle protsessiga tagatakse rakkude jagunemisel täpne päriliku info jagunemine tütarrakkudesse. Transkriptsioon (ehk mahakirjutamine) protsess, mille käigus pärilik info DNA ahelalt kirjutatakse geenide kaupa maha RNA molekuliks, et see viia tuumast välja ribosoomidesse. Läbiviijaks on ensüüm RNA polümeraas. Et alustada RNA sünteesi, kinnitub ensüüm geeni algusossa, mida nimetatakse promootorpiirkonnaks. Seejärel algab komplementaarsuse alusel RNA süntees. Geeni lõppu tähistab terminaatorpiirkond ja ensüümi sinna jõudes lõppeb transkriptsioon. mRNA (infoRNA) ja rRNA (ribosoomiRNA) liiguvad ribosoomi, tRNA (transportRNA) liigub tsütoplasmasse. RNA molekulide süntee

Bioloogia

doc

Konspekt pärilikkus, muutlikkus, viirused

Liis Pärilikkus ja muutlikkus Universaalsed biokeemilised protsessid DNA replikatsioon DNA ahela kahekordistumine, mida viib läbi ensüüm nimega DNA polümeraas. Selle protsessiga tagatakse rakkude jagunemisel täpne päriliku info jagunemine tütarrakkudesse. Transkriptsioon (ehk mahakirjutamine) protsess, mille käigus pärilik info DNA ahelalt kirjutatakse geenide kaupa maha RNA molekuliks, et see viia tuumast välja ribosoomidesse. Läbiviijaks on ensüüm RNA polümeraas. Et alustada RNA sünteesi, kinnitub ensüüm geeni algusossa, mida nimetatakse promootorpiirkonnaks. Seejärel algab komplementaarsuse alusel RNA süntees. Geeni lõppu tähistab terminaatorpiirkond ja ensüümi sinna jõudes lõppeb transkriptsioon. mRNA (infoRNA) ja rRNA (ribosoomiRNA) liiguvad ribosoomi, tRNA (transportRNA) liigub tsütoplasmasse. RNA molekulide süntees geenidelt tähendab, et toimub geeni avaldumine ehk ekspresseerumine. Seda valikut j

Bioloogia

Rohkem sarnaseid