Zadanie 14
Matura z biologii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: III.6 — inżynieria genetyczna, wektory, organizmy transgeniczne (GMO).
Treść zadania
Na poniższym schemacie przedstawiono w uproszczeniu sposób metody otrzymywania roślin transgenicznych. W tej metodzie wykorzystuje się bakterie Agrobacterium tumefaciens, mogące infekować rośliny. Podczas infekcji fragment plazmidu bakterii, tzw. T-DNA, wraz do komórki roślinnej i integruje się z jej chromosomem. Symbolami E1 i E2 oznaczono dwa różne enzymy wykorzystywane podczas otrzymywania rośliny transgenicznej.
Schemat: Agrobacterium tumefaciens z plazmidem i T-DNA → E1 (enzym tnie plazmid + obcy DNA) → zrekombinowany plazmid → E2 (enzym łączy) → zrekombinowana komórka bakteryjna z plazmidem → infekcja komórki roślinnej → wbudowane T-DNA z transgenem do chromosomu → hodowla komórek in vitro → transgeniczna roślina.
Na podstawie: G.J. Tortora i in., Microbiology: An Introduction, Harlow 2021.
Zadanie 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 |
Zadanie 14.2. (0-1)
Wykaż, że w przedstawionej metodzie otrzymywania roślin transgenicznych bakteria A. tumefaciens pełni funkcję wektora.
Źródło: arkusz CKE MBIP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
14.1.
| Enzym | Nazwa | Funkcja |
|---|---|---|
| E1 | restryktaza (endonukleaza restrykcyjna) | Tnie nić DNA (plazmid + obcy DNA) w swoistej sekwencji, generując lepkie końce umożliwiające połączenie obcego fragmentu z plazmidem. |
| E2 | ligaza DNA | Łączy wolne końce obcego DNA z otwartym plazmidem wiązaniem fosfodiestrowym → powstaje zamknięty, kolisty zrekombinowany plazmid. |
(Helikaza odpada — rozplata podwójną helisę, używana w replikacji, nie w klonowaniu in vitro.)
14.2. Wektor = nośnik obcego DNA, który przenosi gen do komórki gospodarza i włącza go do jej genomu (lub utrzymuje stabilnie).
Agrobacterium tumefaciens spełnia tę funkcję:
- Naturalnie infekuje komórki roślinne (powodując guzy korzeniowe — crown gall).
- Posiada plazmid Ti, którego fragment T-DNA jest wbudowywany do genomu rośliny.
- W zrekombinowanym plazmidzie T-DNA niesie transgen (zastąpione onkogeny).
- Po infekcji T-DNA z transgenem integruje się z chromosomem roślinnym → roślina wyraża transgen.
Bakteria działa więc jak "kurier" przenoszący obcy gen z probówki do genomu rośliny — definicja wektora.
Pułapka 14.1 — pomieszanie ról: restryktaza tnie, ligaza łączy. Helikaza w klonowaniu nie występuje (rozplata DNA w replikacji).
Pułapka 14.2 — odpowiedź "bo infekuje rośliny" bez wskazania integracji T-DNA z genomem. Klucz: A. tumefaciens wbudowuje obcy gen (z T-DNA) do chromosomu rośliny → przenosi obcy DNA do genomu gospodarza = wektor.
Strona arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — enzymy inżynierii genetycznej
| Enzym | Funkcja | Gdzie występuje naturalnie |
|---|---|---|
| Restryktaza (endonukleaza restrykcyjna) | Tnie DNA w sekwencji rozpoznania (4–8 nt) — lepkie lub tępe końce | Bakterie (ochrona przed wirusami — system R-M) |
| Ligaza DNA | Łączy wolne końce DNA wiązaniem fosfodiestrowym | Wszystkie komórki — naprawa DNA, replikacja (fragmenty Okazaki) |
| Helikaza | Rozplata podwójną helisę | Replikacja DNA — nie w klonowaniu in vitro |
| Polimeraza DNA | Syntezuje nową nić DNA | Replikacja, PCR |
| Odwrotna transkryptaza | RNA → cDNA | Retrowirusy, klonowanie genów |
Mechanizm: tworzenie zrekombinowanego plazmidu (E1 + E2)
Krok 1 — wycięcie: E1 (restryktaza) rozpoznaje specyficzną sekwencję (np. 6 nt) w plazmidzie Ti i w obcym DNA zawierającym transgen. Tnie OBA w tym samym miejscu sekwencji → powstają lepkie końce (komplementarne 1-niciowe wystające fragmenty).
Krok 2 — hybrydyzacja: lepkie końce obcego DNA pasują do lepkich końców plazmidu (komplementarne pary zasad) → łączą się wiązaniami wodorowymi.
Krok 3 — zszycie: E2 (ligaza DNA) tworzy wiązanie fosfodiestrowe między grupą 3’-OH a 5’-fosforanem → zamyka pierścień plazmidu. Powstaje zrekombinowany plazmid (Ti z transgenem).
Krok 4 — transformacja: zrekombinowany plazmid wprowadzany do A. tumefaciens (transformacja bakterii).
Krok 5 — infekcja rośliny: bakteria zaraża komórki roślinne. T-DNA (z transgenem) zostaje wbudowane do chromosomu komórki rośliny.
Krok 6 — hodowla in vitro: pojedyncze komórki transgeniczne → wzrost na pożywce → cała transgeniczna roślina (totipotencja roślin).
Dlaczego A. tumefaciens to wektor? (14.2)
Definicja wektora: nośnik DNA, który przenosi obcy gen do komórki docelowej i powoduje, że ten gen jest stabilnie utrzymywany / replikowany / włączony do genomu gospodarza.
A. tumefaciens — naturalny wektor roślin:
- Bakteria glebowa, infekuje rośliny dwuliścienne przez rany.
- Plazmid Ti (tumor-inducing) zawiera region T-DNA (transferred DNA, ~20 kb).
- Po infekcji T-DNA zostaje wycięte z plazmidu i wbudowane do genomu rośliny (rekombinacja kierowana białkami bakteryjnymi VirD1/D2).
- Naturalnie T-DNA niesie geny powodujące namnażanie komórek roślinnych (guz) + syntezę opin (pokarm dla bakterii).
- W inżynierii genetycznej te geny zastępujemy transgenem (np. odporność na herbicyd, witamina A — “złoty ryż”, białko Bt). T-DNA staje się “koniem trojańskim” — nadal wbudowuje się do genomu, ale teraz niesie nasz gen.
Funkcja wektora spełniona:
- Przenosi obcy gen do komórki rośliny ✓
- Włącza go do chromosomu (stabilna integracja) ✓
- Roślina dziedziczy transgen i wyraża go ✓
Punktacja CKE
- 14.1. 1 pkt — poprawnie obie nazwy (restryktaza + ligaza) + funkcje. (Jedna błędna = 0 pkt — bo enzymy są skorelowane.)
- 14.2. 1 pkt — wskazanie wbudowania T-DNA z transgenem do genomu rośliny (lub równoważnie: integracja obcego DNA z chromosomem).
- Suma: 2 pkt (część “0–2” + “0–1”).
Po co to umieć
Agrobacterium tumefaciens to pierwszy odkryty naturalny wektor roślin (lata 70. XX w.). Dzięki niemu powstały:
- Złoty ryż (witamina A — walka z ślepotą w Azji).
- Bawełna Bt (odporna na szkodniki).
- Kukurydza odporna na herbicydy (Roundup Ready).
- Pomidory FlavrSavr (pierwsza komercyjna GMO żywność, 1994).
To narzędzie biotechnologii — pozwala wprowadzać dowolny gen do roślin uprawnych. Dla zwierząt analogiczne wektory: retrowirusy, lentiwirusy, AAV (adeno-associated virus — terapia genowa).
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „inżynieria genetyczna, Agrobacterium tumefaciens, T-DNA, restryktaza, ligaza, wektor" zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl