Медицинские биотехнологии и стволовые клетки: практикум ЕГЭ

Заключительная статья серии собирает воедино медицинские применения биотехнологии — от вакцин и антител до стволовых клеток и генной терапии — и даёт итоговое повторение всего элемента 3.7 кодификатора: словарь, сводные таблицы, алгоритмы ответов, разбор типов заданий и 20 итоговых задач. Здесь же — карта серии, чтобы легко вернуться к любой теме.

• 1. Что такое медицинские биотехнологии
• 2. Вакцины: сводка
• 3. Стволовые клетки
• 4. Биотехнология в диагностике
• 5. Устойчивость к антибиотикам — вызов биотехнологии
• 6. Лекарства, созданные биотехнологией
• 7. Что впереди в медицинской биотехнологии
• 8. Немного об иммунитете: без него не понять вакцины и антитела
• 9. Словарь всего элемента 3.7
• 10. Сводная таблица: объект — продукт
• 11. Сводная таблица: метод — суть — результат
• 12. Алгоритмы ответов на типовые вопросы
• 13. Как тема встречается в заданиях
• 14. Хронология всей темы
• 15. Имена, которые нужно знать
• 16. Как тема связана с остальным курсом
• 17. Все частые ошибки элемента 3.7 в одном списке
• 18. Разбор сюжетов части 2
• 19. Тренировочный блок 1: объясните одной фразой
• 20. Тренировочный блок 2: расчёты
• 21. Тренировочный блок 3: найдите ошибку
• 22. Тренировочный блок 4: сопоставьте
• 23. Тренировочный блок 5: продолжите мысль
• 24. Карта серии «Биотехнология»
• 25. Конспект всего элемента 3.7
• 26. Частые ошибки этой статьи
• 27. Интересные факты
• 28. Частые вопросы
• 29. Этика: что нужно понимать
• 30. Как готовиться к этой теме
• 31. Итог серии
• 32. ЕГЭ
• 33. Для олимпиад
• 34. Итоговые задания
• Литература

1. Что такое медицинские биотехнологии

Кодификатор называет: «Медицинские биотехнологии. Использование стволовых клеток» [1]. Это широкая область: всё, где живые клетки и их продукты служат для диагностики, лечения и профилактики болезней.

Многие из этих направлений уже разобраны в предыдущих статьях серии; здесь мы соберём их вместе и дополним темой стволовых клеток.

2. Вакцины: сводка

Вакцина — препарат, вызывающий формирование иммунной памяти к возбудителю без самой болезни. После введения организм вырабатывает антитела и клетки памяти; при встрече с настоящим возбудителем ответ развивается быстро и болезнь не возникает или протекает легко.

Как работает мРНК-вакцина: липидная частица доставляет мРНК в клетки, те синтезируют по ней белок возбудителя и выставляют его на поверхность; иммунная система отвечает на этот белок. Сама мРНК быстро разрушается и в ядро не проникает, в геном не встраивается. Преимущество — скорость разработки: достаточно знать последовательность гена нужного белка.

3. Стволовые клетки

Стволовая клетка — клетка, обладающая двумя свойствами: способностью делиться, сохраняя себя (самоподдержание), и способностью давать начало специализированным клеткам (дифференцировка).

Классификация по потенциалу

Где они в организме

• Красный костный мозг — кроветворные стволовые клетки, дающие все клетки крови; и мезенхимные клетки, дающие кость, хрящ, жировую ткань.
• Кишечник — стволовые клетки крипт, полностью обновляющие эпителий за несколько дней.
• Кожа — клетки базального слоя эпидермиса и волосяных фолликулов.
• Мышцы — клетки-сателлиты, восстанавливающие волокна после нагрузки и травм.
• Роговица — клетки лимба, обновляющие её эпителий.
• Печень — восстанавливается в основном за счёт деления самих гепатоцитов.
• Головной мозг — нейрогенез у взрослого человека ограничен немногими областями и является предметом научных споров.

Чем чаще обновляется ткань, тем активнее в ней стволовые клетки: кровь, эпителий кишечника и кожа обновляются постоянно, а нервная и мышечная ткань — очень ограниченно. Это объясняет, почему порез на коже заживает бесследно, а повреждение спинного мозга — нет.

Эмбриональные и индуцированные

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) получают из внутренней клеточной массы бластоцисты; первые линии клеток человека получены в 1998 г. [4]. Они плюрипотентны и делятся в культуре неограниченно. Их получение связано с разрушением зародыша, что вызывает этические возражения.

Индуцированные плюрипотентные клетки (iPS) получают из обычных клеток взрослого организма, вводя в них четыре гена-регулятора [5]. По свойствам они близки к эмбриональным, но не требуют зародыша и могут быть получены от самого пациента — а значит, полученные из них ткани не будут отторгаться.

Что уже применяется в клинике

• Пересадка кроветворных стволовых клеток (костного мозга или клеток крови) — при лейкозах, тяжёлых иммунодефицитах, наследственных болезнях крови. Применяется с 1960-х гг., спасает десятки тысяч жизней ежегодно.
• Выращенная кожа при обширных ожогах.
• Пересадка клеток лимба при повреждении роговицы.
• Редактирование кроветворных клеток пациента при серповидноклеточной анемии и бета-талассемии — первые одобренные препараты на основе редактирования генома.
• CAR-T-терапия — изменённые лимфоциты против опухолей крови.

Что пока не работает

Большинство громких обещаний — лечение стволовыми клетками «всего», от артрита до старения — не имеет доказательной базы. Клиники, предлагающие такие услуги за деньги, нередко работают вне научной медицины. Трудности на пути: направленная дифференцировка клеток в нужный тип, их приживление и правильное встраивание в ткань, риск образования опухолей из недифференцированных клеток, иммунный ответ на чужие клетки.

Честная картина такова: клеточные технологии уже дали несколько прорывных методов лечения, но каждое новое применение требует долгих исследований и клинических испытаний.

4. Биотехнология в диагностике

С продуктами биотехнологии человек чаще всего встречается именно в поликлинике — в виде анализов.

Обратите внимание: почти везде «рабочей частью» служат либо ферменты, либо моноклональные антитела, либо ПЦР — то есть ровно те инструменты, которые разбирались в этой серии.

Как работает тест-полоска

На полоске есть зона с антителами к искомому веществу, помеченными окрашенными частицами, и две линии: тестовая с другими антителами к тому же веществу и контрольная с антителами к первым антителам. Жидкость движется по мембране. Если вещество есть, оно связывается с мечеными антителами, комплекс задерживается на тестовой линии — появляется полоса. Избыток меченых антител доходит до контрольной линии и окрашивает её, подтверждая, что тест исправен. Поэтому отсутствие контрольной полосы означает, что результат недействителен.

5. Устойчивость к антибиотикам — вызов биотехнологии

Антибиотики — главное достижение медицины XX в., и оно оказалось под угрозой.

Как возникает устойчивость

• Мутации в генах мишеней антибиотика или в генах, управляющих проницаемостью клетки.
• Приобретение готовых генов устойчивости: бактерии обмениваются плазмидами (конъюгация), получают ДНК из среды (трансформация), переносят гены с помощью фагов (трансдукция). Поэтому устойчивость распространяется быстрее, чем возникают мутации.
• Отбор. Антибиотик не создаёт устойчивость, а отбирает уже существующих устойчивых. Чем чаще и неправильнее применяют антибиотики, тем сильнее отбор.

Механизмы устойчивости

• ферменты, разрушающие антибиотик (например, бета-лактамазы, расщепляющие пенициллины);
• изменение мишени, к которой антибиотик присоединяется;
• насосы, выкачивающие антибиотик из клетки;
• снижение проницаемости оболочки;
• образование биоплёнок, куда антибиотик плохо проникает.

Что делает биотехнология

• Поиск новых антибиотиков в необычных местах и среди невыращиваемых микроорганизмов.
• Создание полусинтетических производных, которых не узнают ферменты устойчивости.
• Ингибиторы бета-лактамаз, которые вводят вместе с антибиотиком.
• Быстрая диагностика: определить возбудителя и его чувствительность за часы, а не за дни, — чтобы не назначать антибиотик «вслепую».
• Фаготерапия — лечение бактериофагами, избирательно уничтожающими бактерии.
• Вакцины: предупреждённая инфекция не потребует антибиотика вовсе.

Важная часть решения — не биологическая: правильное назначение антибиотиков, соблюдение курса лечения, ограничение их использования в животноводстве. Ни один новый антибиотик не поможет, если его будут применять так же, как предыдущие.

6. Лекарства, созданные биотехнологией

Биотехнологические препараты называют биологическими в отличие от химически синтезируемых. Их отличает крупная и сложная молекула, чувствительность к нагреву (поэтому хранение в холодильнике), введение инъекцией, а также зависимость свойств от процесса производства.

7. Что впереди в медицинской биотехнологии

• Персональная медицина: подбор лечения по генотипу пациента и по мутациям в опухоли; модели болезни на клетках конкретного человека.
• Расширение генной терапии: доставка редактирующих инструментов прямо в организм, лечение более распространённых болезней.
• Клеточные препараты нового поколения: «универсальные» донорские клетки, не вызывающие отторжения; клетки, вырабатывающие инсулин, при диабете.
• Тканевая инженерия с сосудами — главный нерешённый вопрос выращивания органов.
• Ксенотрансплантация — органы генетически изменённых свиней.
• Вакцины нового типа: быстро перенастраиваемые мРНК-платформы, вакцины против опухолей, универсальные вакцины против гриппа.
• Антибиотики и альтернативы им: новые классы веществ, фаготерапия, вещества, подавляющие вредные свойства бактерий, а не убивающие их.
• Диагностика у постели больного: компактные приборы, определяющие возбудителя и его устойчивость за минуты.

При всех успехах важно помнить: самые массовые достижения медицины связаны не с дорогими технологиями, а с простыми вещами — чистой водой, вакцинацией, гигиеной и доступностью базовой помощи. Биотехнология дополняет их, а не заменяет.

8. Немного об иммунитете: без него не понять вакцины и антитела

Вакцины, антитела и клеточная терапия опираются на работу иммунной системы, поэтому повторим главное.

Два уровня защиты

• Неспецифический (врождённый) иммунитет действует одинаково против любых чужеродных частиц: барьеры кожи и слизистых, фагоциты, воспаление, система комплемента, интерфероны. Он срабатывает немедленно, но не оставляет памяти.
• Специфический (приобретённый) иммунитет узнаёт конкретный антиген. Его обеспечивают лимфоциты: B-лимфоциты вырабатывают антитела, T-лимфоциты уничтожают заражённые клетки и управляют ответом. Он развивается медленнее, зато оставляет клетки памяти.

Как работает антитело

Антитело (иммуноглобулин) — белок из четырёх цепей, по форме напоминающий букву Y. Концы «рогов» — переменные участки, они и узнают антиген; «ножка» одинакова у антител одного класса и служит для связи с фагоцитами и комплементом. Каждый B-лимфоцит производит антитела одной специфичности — именно поэтому клон такого лимфоцита, соединённый с опухолевой клеткой, даёт моноклональные антитела.

Почему вакцинация работает

При первой встрече с антигеном ответ медленный: нужно время, чтобы нужный клон лимфоцитов размножился. Остаются клетки памяти. При повторной встрече ответ развивается быстро и мощно — возбудитель уничтожается до того, как вызовет болезнь. Вакцина создаёт первую встречу безопасной.

Коллективный иммунитет

Когда привита значительная часть населения, возбудителю трудно найти восприимчивого хозяина, и цепочки передачи обрываются. Это защищает и тех, кому вакцинация противопоказана: младенцев, людей с тяжёлыми болезнями иммунной системы. Доля, необходимая для прерывания передачи, зависит от заразности болезни: для кори она очень высока (около 95 %), для других инфекций ниже.

Что отсюда следует для биотехнологии

• Вакцина должна содержать антиген, узнаваемый лимфоцитами, и часто адъювант — вещество, усиливающее ответ.
• Лекарственные антитела делают «человеческими», иначе иммунная система больного ответит уже на них.
• При пересадке клеток и органов главная трудность — иммунное отторжение; отсюда интерес к клеткам самого пациента и к iPS-клеткам.
• CAR-T-терапия использует механизм узнавания: лимфоцит получает искусственный рецептор к белку опухолевой клетки.

9. Словарь всего элемента 3.7

10. Сводная таблица: объект — продукт

Эту таблицу стоит выучить: соответствия «объект — продукт» встречаются в заданиях чаще всего.

11. Сводная таблица: метод — суть — результат

12. Алгоритмы ответов на типовые вопросы

«Почему микроорганизмы удобны для биотехнологии?»

Отвечайте по схеме: скорость размножения → интенсивность обмена → дешёвое сырьё и отходы → разнообразие обмена → простота генетических изменений → выращивание в больших объёмах.

«Почему белок человека получают в бактериях (или в клетках млекопитающих)?»

Назовите: 1) какой организм используется и почему (простота и дешевизна у бактерий; обработка белка у клеток млекопитающих); 2) что именно нужно белку — углеводные цепи, укладка, сборка; 3) вывод о выборе продуцента.

«Почему культура меристем даёт безвирусные растения?»

Схема: нет проводящих пучков → клетки делятся быстрее, чем распространяется вирус → в верхушке вируса мало или нет → обязательная проверка результата анализом.

«Почему потомок похож на донора, а не на вынашивающую самку?»

Схема: наследственная информация в ядрах клеток зародыша → зародыш получен от донора (и производителя) → реципиент только вынашивает → влияние условий вынашивания не наследуется.

«Какие преимущества даёт метод?»

Перечисляйте по группам: скорость, количество, качество (чистота, однородность), независимость от внешних условий, новые возможности, которых не было раньше. Для каждого преимущества — одно короткое пояснение.

«Найдите ошибки в тексте»

Проверяйте по контрольному списку: перепутаны ли бактерии и грибы; приписано ли клеткам животных свойство тотипотентности; назван ли уксус продуктом брожения; указано ли правильное число АТФ при брожении; не сказано ли, что ядро пересаживают в оплодотворённую яйцеклетку; не назван ли ГМО «новым видом».

13. Как тема встречается в заданиях

14. Хронология всей темы

Полезно заметить ритм: до середины XIX в. — тысячелетия эмпирики; затем столетие научной микробиологии; и всего полвека молекулярной биотехнологии, изменившей медицину и сельское хозяйство.

15. Имена, которые нужно знать

В заданиях чаще всего встречаются Пастер, Флеминг, Гёрдон, Уилмут (Долли), Эдвардс (ЭКО), а также отечественные имена — Ивановский, Мечников, Иванов, Ермольева.

16. Как тема связана с остальным курсом

Поэтому задания по биотехнологии часто оказываются «комбинированными»: один вопрос требует знаний сразу из нескольких разделов. Это стоит учитывать при подготовке: повторяя биотехнологию, вы одновременно повторяете цитологию, обмен веществ и генетику.

17. Все частые ошибки элемента 3.7 в одном списке

• Биотехнология = генная инженерия. Генная инженерия — лишь одно из направлений.
• Дрожжи — бактерии. Дрожжи — одноклеточные грибы, эукариоты.
• Стрептомицин получают из плесневых грибов. Его образуют актиномицеты — бактерии.
• Уксус — продукт брожения. Уксуснокислые бактерии — аэробы, они окисляют спирт кислородом.
• При брожении образуется 36–38 АТФ. Брожение даёт 2 АТФ на глюкозу.
• Антибиотики — первичные метаболиты. Они вторичные и образуются в основном при замедлении роста.
• Штамм — это вид. Штамм — культура внутри вида.
• Клетки животных тотипотентны. Тотипотентность сохраняют многие клетки растений, а не специализированные клетки животных.
• Каллус состоит из специализированных клеток. Он состоит из дедифференцированных клеток.
• Микроклональное размножение даёт новые сорта. Оно даёт клоны исходного растения.
• Меристемная культура «убивает» вирусы. Она позволяет получить растение из клеток, где вируса мало или нет; результат проверяют анализом.
• Нормальные клетки делятся в культуре вечно. Есть предел Хейфлика (40–60 делений).
• Гибридома — гибрид двух организмов. Это клетка от слияния лимфоцита и миеломной клетки.
• Моноклональные антитела берут из крови. Из крови получают поликлональные; моноклональные — от клона клеток.
• Реципиент передаёт зародышу свои признаки. Не передаёт: наследственность определяется генотипом зародыша.
• ЭКО меняет наследственность ребёнка. Ребёнок получает гены своих биологических родителей.
• Ядро пересаживают в оплодотворённую яйцеклетку. В неоплодотворённую, лишённую своего ядра.
• Клон — точная копия во всём. Совпадают ядерные гены; митохондрии, эпигенетика, окраска и поведение могут отличаться.
• Рестриктазы режут ДНК где попало. Каждая узнаёт свою последовательность.
• Ген человека можно просто вставить в бактерию. Нужны кДНК без интронов и регуляторные участки, понятные бактерии.
• ГМО — любой организм, изменённый человеком. Только изменённый методами генной инженерии.
• ДНК из пищи встраивается в наш геном. Она расщепляется при пищеварении.
• Стволовые клетки лечат всё. Доказанных применений немного: кроветворные клетки, кожа, роговица, несколько генно-клеточных препаратов.
• Органоид — это выращенный орган. Это миниатюрная модель размером в миллиметры, без сосудов.

18. Разбор сюжетов части 2

Ниже — типичные сюжеты развёрнутых вопросов по теме и образцы полных ответов.

1. Почему микроорганизмы используют для получения лекарств?

1) Быстро размножаются и дают большую биомассу за короткое время. 2) Способны синтезировать сложные вещества (антибиотики, витамины, белки), которые трудно получить химически. 3) Растут на дешёвых средах, в том числе на отходах. 4) Их легко изменить методами генной инженерии, чтобы они производили белки человека. 5) Производство идёт в контролируемых условиях круглый год.

2. Почему при микроклональном размножении получают одинаковые растения?

1) Размножение идёт бесполым путём — делением клеток (митозом). 2) При митозе дочерние клетки получают точную копию наследственного материала. 3) Поэтому все растения — клоны исходного и сохраняют его признаки. 4) Половой процесс с перекомбинацией генов отсутствует.

3. Чем культура клеток животных отличается от культуры клеток растений?

1) Клетки растений тотипотентны, из них можно вырастить целое растение; клетки животных — нет. 2) У растительных клеток есть клеточная стенка, которую при работе удаляют ферментами. 3) В среду для растений добавляют фитогормоны и сахарозу, для животных — глюкозу и сыворотку. 4) Клетки животных требуют 37 °С и 5 % CO₂, многим необходимо прикрепление к поверхности.

4. Почему клонированное животное похоже на донора ядра?

1) Наследственная информация содержится в ядре. 2) Из яйцеклетки удалён её собственный наследственный материал. 3) Зародыш развивается с ядром донора, значит, его признаки определяются генотипом донора. 4) Суррогатная мать не передаёт потомку генов. 5) Полного совпадения нет: митохондрии получены от яйцеклетки.

5. Какие преимущества имеет генно-инженерный инсулин?

1) Он полностью идентичен человеческому и не вызывает аллергии, в отличие от животного. 2) Его можно получать в неограниченных количествах, не завися от поголовья скота. 3) Продукт чище и дешевле. 4) Возможно создание аналогов с нужной скоростью действия.

6. Почему необходимо соблюдать стерильность при культивировании?

1) Питательная среда пригодна и для посторонних микроорганизмов. 2) Они размножаются быстрее культивируемых клеток. 3) Они потребляют питательные вещества и выделяют вредные продукты. 4) В результате культура или партия продукта гибнет.

19. Тренировочный блок 1: объясните одной фразой

Самая частая потеря баллов в части 2 — расплывчатый ответ без механизма. Потренируйтесь объяснять каждое явление одной точной фразой.

1. Почему при брожении расходуется больше сахара, чем при дыхании?
2. Почему кисломолочные продукты дольше хранятся, чем молоко?
3. Почему дрожжи не сбраживают крахмал?
4. Почему ген человека с интронами не работает в бактерии?
5. Почему клетки растений в культуре питаются гетеротрофно?
6. Почему нормальные клетки человека перестают делиться в культуре?
7. Почему антитела от одного клона называют моноклональными?
8. Почему телёнок не похож на корову-реципиента?
9. Почему клон не идентичен донору ядра полностью?
10. Почему для отбора трансформированных клеток используют антибиотик?

20. Тренировочный блок 2: расчёты

1. Из 1 т глюкозы при спиртовом брожении получили 450 кг этанола. Какую долю от теоретического выхода это составляет?
2. Бактерия делится раз в 20 мин. Во сколько раз вырастет число клеток за 4 часа?
3. На чашке с разведением 10⁻⁵ при посеве 0,1 мл выросло 120 колоний. Какова концентрация живых клеток?
4. Коэффициент размножения в культуре — 5 за цикл. Сколько растений получится за 6 циклов из одного побега?
5. Теломеры укорачиваются на 70 пар нуклеотидов за деление; запас — 5000 пар. Сколько делений это допускает?
6. За 20 циклов ПЦР из одной молекулы получилось 10⁵ копий. Какова средняя эффективность за цикл?
7. У коровы за одну суперовуляцию получают 7 зародышей, обработок 3 в год, приживаемость 55 %. Сколько телят в год?
8. Из 200 реконструированных яйцеклеток получено 4 живых детёныша. Какова эффективность клонирования?

21. Тренировочный блок 3: найдите ошибку

В каждом предложении есть одна ошибка. Найдите и исправьте.

1. Пекарские дрожжи — прокариоты, размножающиеся делением.
2. Пенициллин получают с помощью актиномицетов.
3. При молочнокислом брожении всегда выделяется углекислый газ.
4. Каллус — ткань растения, состоящая из специализированных клеток.
5. Моноклональные антитела получают из сыворотки иммунизированных животных.
6. При клонировании ядро вводят в зиготу, лишённую ядра.
7. Трансгенные растения получают, вводя ген в семена.
8. Эмбриональные стволовые клетки мультипотентны.

22. Тренировочный блок 4: сопоставьте

Задания на соответствие — самый частый формат по этой теме. Потренируйтесь, закрыв правый столбец.

23. Тренировочный блок 5: продолжите мысль

Допишите предложение так, чтобы получилось верное и полное высказывание.

1. Дрожжи при доступе кислорода…
2. Молочная кислота свёртывает молоко, потому что…
3. Антибиотики образуются в стационарной фазе, так как…
4. Из каллуса можно вырастить растение благодаря…
5. Меристемная культура даёт безвирусные растения, поскольку…
6. Белки с углеводными цепями получают в клетках млекопитающих, потому что…
7. При клонировании ядро пересаживают именно в яйцеклетку, так как…
8. Для работы гена человека в бактерии нужна кДНК, потому что…
9. Реципиент не влияет на наследственность потомка, поскольку…
10. Эффективность клонирования низка из-за…

24. Карта серии «Биотехнология»

Серия разбирает элемент 3.7 кодификатора ЕГЭ по биологии. Вот все её статьи — к любой можно вернуться для повторения.

1. Биотехнология: что это, её объекты и этапы развития — определение, традиционная и современная биотехнология, направления, обзор объектов, этапы производства и ферментёр, история от Пастера до CRISPR, биобезопасность.
2. Микроорганизмы как объекты биотехнологии — бактерии, археи, дрожжи, плесневые грибы, микроводоросли, вирусы; питание и отношение к кислороду, фазы роста культуры, питательные среды, чистая культура, требования к продуценту.
3. Традиционная биотехнология: хлеб, кисломолочные продукты, сыр, вино — химия брожения, хлебопечение, кисломолочные продукты и сыроделие, виноделие, пиво, квас, уксус, квашение.
4. Микробиологический синтез: белок, аминокислоты, витамины — белок одноклеточных, лизин и глутамат, витамины B₁₂ и B₂, органические кислоты, антибиотики, ферменты, рекомбинантные белки.
5. Культуры клеток и тканей растений — тотипотентность, каллус, фитогормоны, микроклональное размножение, оздоровление от вирусов, протопласты, гаплоиды, вещества в культуре, криобанки.
6. Культуры клеток животных и человека — условия культивирования, предел Хейфлика, клеточные линии, вакцины, гибридомы и моноклональные антитела, белки-лекарства, органоиды.
7. Искусственное оплодотворение и репродуктивные технологии — искусственное осеменение, суперовуляция и трансплантация зародышей, ЭКО и ИКСИ, криоконсервация, преимплантационная диагностика.
8. Клонирование животных: реконструкция яйцеклеток и пересадка ядер — опыты Гёрдона, Долли, перепрограммирование ядра, эффективность метода, репродуктивное и терапевтическое клонирование.
9. Генная и хромосомная инженерия — рестриктазы и лигазы, векторы, рекомбинантная ДНК, искусственный синтез гена, трансгенные организмы, редактирование генома, хромосомная инженерия.
10. Медицинские биотехнологии и стволовые клетки: практикум ЕГЭ — эта статья.

25. Конспект всего элемента 3.7

Короткая выжимка для повторения накануне экзамена.

• Биотехнология — использование живых организмов, их клеток и биологически активных веществ для получения продуктов. Традиционная (хлеб, кефир, вино, сыр, уксус) существует тысячи лет; современная (генная и клеточная инженерия) — с 1970-х.
• Объекты: микроорганизмы (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, микроводоросли), культуры клеток и тканей растений и животных, ферменты, трансгенные организмы.
• Микроорганизмы удобны: быстро размножаются, интенсивно обмениваются веществами, растут на дешёвом сырье, разнообразны по обмену, легко изменяются генетически.
• Брожение: спиртовое (дрожжи, этанол и CO₂) и молочнокислое (молочнокислые бактерии, молочная кислота); 2 АТФ на глюкозу. Уксус — аэробное окисление спирта.
• Микробиологический синтез даёт кормовой белок, аминокислоты (лизин, глутамат), витамины (B₁₂, B₂), органические кислоты, антибиотики, ферменты, рекомбинантные белки.
• Культура растительных клеток: тотипотентность, каллус, соотношение ауксинов и цитокининов, микроклональное размножение, оздоровление через меристему, протопласты и соматические гибриды, гаплоиды из пыльников.
• Культура животных клеток: 37 °С, 5 % CO₂, сыворотка, прикрепление и контактное торможение, предел Хейфлика; вакцины, гибридомы, белки-лекарства, выращенные ткани.
• Репродуктивные технологии: искусственное осеменение, суперовуляция, трансплантация зародышей, ЭКО и ИКСИ, криоконсервация; наследственность определяется генотипом зародыша, а не реципиентом.
• Клонирование: пересадка ядра соматической клетки в яйцеклетку без ядра; опыты Гёрдона, овца Долли (1996); клон не полная копия.
• Генная инженерия: рестриктазы (режут), лигаза (сшивает), обратная транскриптаза (кДНК), ПЦР; вектор-плазмида с маркёром; трансформация; примеры — инсулин, вакцина против гепатита B, Bt-растения.
• Редактирование генома: разрыв в заданном месте и починка клеткой; разрешено для соматических клеток, запрещено для зародышей человека.
• Хромосомная инженерия: тритикале, замещённые и дополненные линии, транслокации устойчивости.
• Стволовые клетки: тотипотентные, плюрипотентные (ЭСК, iPS), мультипотентные (кроветворные), унипотентные; в клинике — пересадка кроветворных клеток, кожа, роговица, генно-клеточные препараты.

26. Частые ошибки этой статьи

• «Вакцина содержит антитела». Вакцина содержит антиген (ослабленный или убитый возбудитель, его белок, вектор, мРНК); антитела вырабатывает сам организм. Готовые антитела содержит сыворотка, применяемая для срочной помощи.
• «мРНК-вакцина изменяет гены». мРНК не проникает в ядро и не встраивается в ДНК; она служит временной матрицей для синтеза белка и быстро разрушается.
• «Стволовые клетки есть только у зародыша». Они есть и у взрослого: в костном мозге, кишечнике, коже, мышцах, роговице.
• «Эмбриональные стволовые клетки тотипотентны». Они плюрипотентны: дают клетки всех зародышевых листков, но не внезародышевые оболочки.
• «iPS-клетки получают из зародыша». Их получают из обычных клеток взрослого, вводя гены-регуляторы.
• «Пересадка костного мозга — это пересадка кости». Пересаживают кроветворные стволовые клетки — из костного мозга или из крови донора.
• «Клеточная терапия вылечивает любые болезни». Доказанных применений немного; большинство громких предложений не имеет научных подтверждений.
• «Генная терапия изменяет наследственность человека». Она изменяет соматические клетки пациента; потомству эти изменения не передаются.

27. Интересные факты

• Первую вакцину — против натуральной оспы — Эдвард Дженнер применил в 1796 г., за сто лет до открытия вирусов; само слово «вакцина» происходит от латинского названия коровы, ведь использовался коровий возбудитель.
• Натуральная оспа — единственная болезнь человека, полностью уничтоженная вакцинацией: последний естественный случай зарегистрирован в 1977 г.
• Пересадку костного мозга между однояйцевыми близнецами впервые выполнили в 1950-х гг.; за работы в области трансплантации присуждена Нобелевская премия 1990 г.
• В пуповинной крови новорождённого достаточно кроветворных стволовых клеток, чтобы восстановить кроветворение ребёнку; существуют банки пуповинной крови.
• Моноклональные антитела в составе лекарств узнают по названию: оно оканчивается на «-маб» (от monoclonal antibody).
• Первый препарат генной терапии в Европе был одобрен в 2012 г.; он оказался коммерчески неуспешным и был снят с рынка, но проложил путь последующим.
• Из клеток кожи человека сегодня можно получить iPS-клетки, а из них — бьющиеся клетки сердечной мышцы: в чашке Петри они сокращаются в собственном ритме.
• Самое дорогое лекарство в мире на момент одобрения — препарат генной терапии; его цена объясняется единственным введением, рассчитанным на всю жизнь, и крошечным числом пациентов.

28. Частые вопросы

Чем вакцина отличается от сыворотки?

Вакцина содержит антиген и формирует собственный иммунитет — это занимает недели, зато защита долгая. Лечебная сыворотка содержит готовые антитела: она действует сразу, но недолго, и применяется при уже случившемся заражении (например, при укусе ядовитой змеи или при подозрении на столбняк).

Почему вакцины надо повторять?

Уровень антител со временем снижается, а клетки памяти сохраняются не для всех возбудителей одинаково долго. Кроме того, некоторые возбудители (вирус гриппа) быстро изменяются, и вакцину обновляют под текущие варианты.

Можно ли вырастить орган из стволовых клеток?

Пока нет. Удаётся выращивать тонкие ткани (кожу, роговицу, хрящ) и миниатюрные органоиды. Главное препятствие — создание сосудистой сети: без неё ткань толще нескольких миллиметров не получает кислорода.

Чем iPS-клетки лучше эмбриональных?

Их получают из клеток взрослого человека, поэтому не нужен зародыш и не возникает этических возражений; кроме того, клетки пациента дают ткани, которые не будут отторгаться его иммунной системой. По свойствам они близки к эмбриональным, но требуют тщательной проверки на безопасность.

Почему лекарства-белки нельзя принимать в таблетках?

Белок в желудке и кишечнике расщепляется протеазами до аминокислот, как любая пища, и не попадает в кровь в активном виде. Поэтому инсулин, антитела и гормон роста вводят инъекциями.

Что такое биосимиляр?

Аналог биологического препарата, выпускаемый другим производителем после истечения патента. В отличие от обычного дженерика, точную копию белка воспроизвести невозможно: он зависит от клеточной линии и условий производства. Поэтому биосимиляры проходят отдельные сравнительные испытания.

Почему разработка биотехнологического лекарства занимает годы?

Нужно создать и проверить клеточную линию, отработать производство и очистку, доказать безопасность на клетках и животных, провести три фазы клинических исследований, подготовить документы для регистрации, наладить контроль качества каждой партии. Каждый из этапов занимает месяцы и годы.

29. Этика: что нужно понимать

Биотехнология постоянно ставит вопросы, на которые наука сама по себе не отвечает. Сведём главные из них.

Общий принцип: наука отвечает на вопрос «что возможно и чем это грозит», а решение «что допустимо» принимается обществом через законы, профессиональные правила и общественное обсуждение. Задача образованного человека — уметь разобраться в фактической стороне дела, чтобы участвовать в этом обсуждении осмысленно.

30. Как готовиться к этой теме

1. Начните с понятий. Выучите определения из словаря: биотехнология, продуцент, штамм, культура клеток, тотипотентность, рекомбинантная ДНК, вектор, клон, стволовая клетка. Половина заданий проверяет именно их.
2. Выучите две сводные таблицы этой статьи: «объект — продукт» и «метод — результат».
3. Разберите шесть схем: производство в ферментёре; микроклональное размножение; оздоровление через меристему; получение гибридомы; ЭКО; клонирование пересадкой ядра; получение рекомбинантной ДНК. Умейте рассказать каждую по шагам.
4. Повторите смежные темы: брожение и дыхание, митоз и мейоз, оплодотворение, строение ДНК и генетический код, иммунитет.
5. Отработайте формат части 2: отвечайте элементами, обязательно с механизмом.
6. Прорешайте задания этой и предыдущих статей серии; возвращайтесь к той статье, где тема разобрана подробно.
7. Следите за точностью терминов: осеменение и оплодотворение, клонирование и генная инженерия, плюрипотентность и тотипотентность.

И последнее: биотехнология — тема, где легко увлечься подробностями. Для экзамена важнее уверенно знать основное, чем помнить детали отдельных технологий. Подробности же делают тему понятной и интересной — ради этого они и собраны в серии.

31. Итог серии

Десять статей прошли путь от определения биотехнологии до редактирования генома. Если свести всё к нескольким мыслям, они будут такими.

• Биотехнология — это поручение работы живому. Клетка умеет то, чего не умеет химик: строить сложнейшие молекулы при обычной температуре, из дешёвого сырья, безошибочно выбирая нужную форму.
• Всё держится на единстве живого. Универсальность генетического кода, одинаковое строение ДНК, общие механизмы транскрипции и трансляции — вот почему ген человека работает в бактерии, а фермент бактерии режет ДНК человека.
• Технология всегда следует за биологией. Тотипотентность растительных клеток дала микроклональное размножение; способность яйцеклетки перепрограммировать ядро — клонирование; бактериальная защита от вирусов — редактирование генома. Человек не изобретал эти механизмы, а нашёл и приспособил.
• Масштаб решает многое. Разница между опытом в пробирке и производством — это задачи перемешивания, аэрации, стерильности, очистки; именно они часто определяют, станет ли открытие технологией.
• Ограничения столь же важны, как возможности. Предел Хейфлика, низкая эффективность клонирования, нестабильность продуцентов, отсутствие сосудов в выращенных тканях — всё это не временные трудности, а следствия биологических закономерностей.
• Границы применения задаёт общество. Наука говорит, что возможно и чем это грозит; решение о допустимости принимается законами и общественным обсуждением.

Для экзамена достаточно уверенно знать основные понятия, объекты и схемы. Но сама тема стоит того, чтобы понять её глубже: она показывает, как фундаментальное знание о клетке и гене превращается в хлеб, лекарства и урожай.

32. ЕГЭ

Статья завершает разбор элемента 3.7 кодификатора [1]: «Объекты, используемые в биотехнологии, – клеточные и тканевые культуры, микроорганизмы, их характеристика. Традиционная биотехнология: хлебопечение, получение кисломолочных продуктов, виноделие. Микробиологический синтез. Объекты микробиологических технологий. Производство белка, аминокислот и витаминов. Искусственное оплодотворение. Реконструкция яйцеклеток и клонирование животных. Метод трансплантации ядер клеток. Хромосомная и генная инженерия. Искусственный синтез гена и конструирование рекомбинантных ДНК. Достижения и перспективы хромосомной и генной инженерии. Медицинские биотехнологии. Использование стволовых клеток».

Минимум, который нужно знать наизусть

• Определение биотехнологии и её объекты; разница между традиционной и современной.
• Соответствия «объект — продукт» (таблица выше).
• Уравнения спиртового и молочнокислого брожения и их энергетический итог.
• Почему микроорганизмы удобны (не менее трёх причин).
• Тотипотентность клеток растений и её отсутствие у специализированных клеток животных.
• Схемы: микроклональное размножение, оздоровление через меристему, получение гибридомы, ЭКО, клонирование пересадкой ядра, получение рекомбинантной ДНК.
• Ферменты генной инженерии и их функции.
• Типы стволовых клеток и примеры их применения.

Как отвечать на часть 2

1. Прочитайте вопрос дважды: что именно спрашивают — причину, механизм, преимущества, последствия?
2. Определите, сколько элементов требуется (обычно 3–4).
3. Пишите каждый элемент отдельным предложением, начиная с главного.
4. Обязательно указывайте механизм, а не только следствие.
5. Используйте точные термины: «тотипотентность», «рекомбинантная ДНК», «вектор», «плюрипотентность».
6. Не пишите лишнего: ошибка рядом с верным элементом может его обнулить.
7. Если просят примеры — приводите их: инсулин, тритикале, Долли, кефир, пенициллин.

33. Для олимпиад

Сквозная задача: от идеи до лекарства

Представим, что нужно наладить выпуск нового белкового лекарства. Пройдём весь путь, повторяя материал серии.

1. Ген. По известной последовательности белка синтезируем ген, оптимизировав кодоны под клетку-хозяина.
2. Выбор продуцента. Если белок простой — кишечная палочка; если нужны углеводные цепи — клетки CHO.
3. Конструкция. Ген + промотор + терминатор + маркёр; сборка рестриктазами и лигазой или современными методами сборки.
4. Трансформация и отбор. Электропорация, отбор на селективной среде, клонирование отдельных клеток.
5. Банк клеток. Лучший клон замораживают в жидком азоте: главный и рабочий банки.
6. Масштабирование. Колба → биореактор 50 л → 500 л → 2000 л; подбор среды, подпитки, аэрации.
7. Очистка. Отделение клеток, хроматография, удаление вирусов, концентрирование.
8. Контроль. Структура, активность, чистота, стерильность, отсутствие посторонних веществ.
9. Испытания. Клетки → животные → три фазы клинических исследований.
10. Регистрация и выпуск с контролем каждой партии.

Полезное упражнение: для каждого шага ответить, какие знания из школьного курса он использует. Ответ: строение ДНК и генетический код, транскрипция и трансляция, строение клетки, обмен веществ, ферменты, иммунитет.

Количественные соотношения, которые стоит помнить

Вопросы на понимание

• Почему универсальность генетического кода — необходимое условие генной инженерии? (Иначе ген одного организма в клетках другого кодировал бы иной белок.)
• Почему при промышленном выращивании продуцента его продуктивность со временем падает? (Отбор в пользу мутантов, не тратящих ресурсы на продукт.)
• Почему клетки животных выращивают в меньших объёмах, чем микроорганизмы? (Медленнее растут, ниже плотность и концентрация продукта, но продукт намного дороже.)
• Почему перепрограммирование ядра при клонировании идёт с ошибками? (Механизмы яйцеклетки рассчитаны на ядро сперматозоида, а не на соматическое ядро с его эпигенетической настройкой; нарушается импринтинг.)
• Почему в тканевой инженерии главная преграда — сосуды? (Диффузия кислорода обеспечивает жизнь клеток лишь на глубине долей миллиметра.)

34. Итоговые задания

Задание 1

Дайте определение биотехнологии. Назовите две группы её объектов и по два примера продуктов для каждой.

Задание 2

Установите соответствие между продуктом и объектом: А) кефир; Б) пенициллин; В) лизин; Г) моноклональные антитела; Д) безвирусный картофель; Е) инсулин. Объекты: 1) молочнокислые бактерии; 2) пеницилл; 3) коринебактерия; 4) гибридома; 5) культура меристем; 6) генно-инженерная кишечная палочка.

Задание 3

Выберите три верных утверждения. 1) Антибиотики — вторичные метаболиты. 2) Клетки животных тотипотентны. 3) При брожении образуется 2 АТФ на глюкозу. 4) Уксус — продукт брожения. 5) Вектором в генной инженерии часто служит плазмида. 6) ЭКО изменяет генотип ребёнка.

Задание 4

Назовите не менее четырёх особенностей микроорганизмов, благодаря которым их используют в биотехнологии.

Задание 5

Расположите в правильном порядке этапы получения трансгенного растения: 1) регенерация растения; 2) получение гена и сборка конструкции; 3) отбор трансформированных клеток; 4) введение конструкции в клетки; 5) проверка признака у потомства.

Задание 6

Почему клетки растений позволяют получить целое растение, а клетки животных — нет?

Задание 7

Что такое гибридома и какие свойства она сочетает?

Задание 8

Почему телёнок, полученный пересадкой зародыша, похож на корову-донора?

Задание 9

Опишите этапы получения бактерии, производящей белок человека.

Задание 10

Найдите ошибки и исправьте: 1) Дрожжи — прокариоты. 2) Каллус состоит из дедифференцированных клеток. 3) Ядро при клонировании пересаживают в оплодотворённую яйцеклетку. 4) Эмбриональные стволовые клетки плюрипотентны. 5) ГМО — любой организм, изменённый селекцией.

Задание 11

Перечислите типы стволовых клеток по потенциалу и приведите пример каждого.

Задание 12

Назовите три применения стволовых клеток, доказавших эффективность в клинике.

Задание 13

Чем мРНК-вакцина отличается от живой ослабленной? Почему она не изменяет гены человека?

Задание 14

Сравните традиционную и современную биотехнологию по трём признакам.

Задание 15

Почему при культивировании клеток и микроорганизмов необходима стерильность?

Задание 16

Установите соответствие между методом и результатом: А) культура пыльников; Б) слияние протопластов; В) пересадка ядра; Г) суперовуляция; Д) редактирование генома. Результат: 1) гаплоиды; 2) соматический гибрид; 3) клон; 4) много яйцеклеток у одной самки; 5) изменение собственного гена в заданном месте.

Задание 17

Какие преимущества даёт микроклональное размножение по сравнению с черенкованием?

Задание 18

Почему разработка биотехнологического лекарства занимает годы? Назовите не менее четырёх этапов.

Задание 19 (олимпиадное)

Завод выпускает лизин. В ферментёре с рабочим объёмом 120 м³ за 48 ч накапливается 110 г/л продукта; израсходовано 26 т сахара. Рассчитайте массу лизина за цикл, выход (г/г) и производительность (г/(л·ч)). Сколько циклов нужно для выпуска 2000 т лизина в год и реально ли это для одного аппарата?

Задание 20 (олимпиадное)

Предложите, как получить растение картофеля, устойчивое к вирусу и свободное от него, и объясните роль каждого этапа. Какие методы серии вы используете?

Литература

1. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
2. Köhler G., Milstein C. Continuous cultures of fused cells secreting antibody of predefined specificity // Nature. 1975. Vol. 256, № 5517. P. 495–497. DOI: 10.1038/256495a0.
3. Jinek M., Chylinski K., Fonfara I., Hauer M., Doudna J. A., Charpentier E. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity // Science. 2012. Vol. 337, № 6096. P. 816–821. DOI: 10.1126/science.1225829.
4. Thomson J. A., Itskovitz-Eldor J., Shapiro S. S. et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts // Science. 1998. Vol. 282, № 5391. P. 1145–1147. DOI: 10.1126/science.282.5391.1145.
5. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors // Cell. 2006. Vol. 126, № 4. P. 663–676. DOI: 10.1016/j.cell.2006.07.024.