Fra Darwin til bioteknologi

Introduktion: Velkommen til projektet Fra Darwin til Bioteknologi. Projektet er sponsoreret af Novozymes A/S og Institut for Systembiologi. Formålet med dette undervisningsmateriale er at give en forståelse af hvad evolution og diversitet er. Undervisningsmaterialet består af fem teoretiske artikler samt en eksperimentel del med 2 forsøg der knytter sig til teorien.

 

Der tages udgangspunkt i industriens gavn af naturens diversitet, og ud fra dette vil der blive gennemgået teori der ligger til grund for evolution. Dette inkluderer mutationer og genetisk rekombination samt selektion. Der vil også være en gennemgang af nogle af de bioteknologiske værktøjer der er tilgængelige i dag.

Bioteknologien kan give et billede af evolutionsforløbet, idet det er blevet muligt at sekventere organismers DNA og dermed se, hvor nært beslægtede de er ved at opbygge fylogenetiske træer.

God fornøjelse med projektet!

Teori:

Nedenfor kan de fem teoriafsnit tilgås ved at trykke på knapperne.

Øvelser og ordliste:

Nedenfor kan de fem teoriafsnit tilgås ved at trykke på knapperne.

  • Øvelser

    Der er to eksperimenter knyttet til dette projekt: “Isolering og identifikation af cellulaseproducerende bakterier”, og “Evolutionseksperiment”. De to forsøg er uafhængige af hinanden.

    Forsøgsvejledninger til de to forsøg findes her:

    Forsøgsvejledning: Isolering og identifikation af cellulaseproducerende bakterier

    Forsøgsvejledning: Evolutionseksperiment

    En gennemgang af de anvendte laboratorieteknikker, heriblandt renstrygning og gelelektroforese, findes her. 

     

    En lærervejledning og andre relevante dokumenter kan findes her

    Adgang til lærervejledningssiden kræver et kodeord, der tilsendes efter henvendelse til biotech@bio.dtu.dk

     

    Evolutionseksperiment

    Det første eksperiment går ud på at illustrere evolution af jordbakterien Pseudomonas fluorescens når P. fluorescens dyrkes op i et statisk medie. Et statisk medie fører til at der opstår et heterogent miljø med forskellige oxygenkoncentrationer (høj oxygenkoncentration ved overfladen og lav oxygenkoncentration ved bunden). Der vil derved opstå mutanter med forskellige niche-specificiteter. Dette kan observeres via forskellige kolonimorfologier.

     

    Forsøget går ud på at opsamle jordprøver fra området omkring gymnasiet. Fra jordprøven isoleres cellulaseproducerende bakterier ved en screening på specielle agarplader. Der laves PCR på bakteriernes DNA, hvor udvalgte gener opformeres.

    Projektet illustrerer en stor del af teorien i de tilknyttede artikler. Både gennem isoleringen af bakterier ved screening og opformering af DNA ved hjælp af PCR.

    En vejledning til brug af fotoudstyr, til visualisering af PCR fragmenter, kan findes her. 

  • Ordliste

    Herunder er en alfabetisk ordliste med forklaring til mange af de ord, der optræder i artiklerne, og som måske ikke er kendt på forhånd.

    Antibiotikaresistens
    Ved antibiotikaresistens forstås tolerance overfor antibiotika. Antibiotikaresistente bakterier kan dermed ikke slås ihjel med de pågældende antibiotika.

     

    Baseparing
    I DNA parrer A med T og C med G, mens der for RNA gælder, at A parrer med U og C med G. Baseparingen sker ved hydrogenbindinger mellem de forskellige baser i DNA- eller RNA-molekylet. DNA eksisterer som en dobbelthelix af to DNA-strenge, hvor baseparring sker mellem de to strenge (intermolekylært). RNA er enkeltstrenget og baseparring sker derfor mellem baser indenfor samme streng (intramolekylært), ved at RNA-strengen folder tilbage så molekylet i nogle områder bliver dobbeltstrenget.

     

    Biodiversitet
    Ved biodiversitet forstås mangfoldigheden af levende organismer.

     

    Cellulose
    Cellulose er et organisk stof sammensat af lange kæder af glukose ved hjælp af β-1,4-glucosidbindinger. Cellulose er hovedbestanddelen i planters cellevæg.

     

    Cellulase
    Cellulaser er enzymer, der spalter cellulose til glukoseenheder. Cellulaser virker normalt uden for cellerne, idet cellulose molekylet i modsætning til glukose er for stort til at blive optaget af cellerne.

     

    Denaturering
    Kemisk proces hvormed DNA eller proteiner mister sin rummelige struktur. Dette kan for eksempel ske ved udsætning for syre eller opvarmning. Hvis et protein mister sin rummelige struktur mister det sin funktion.  

     

    Det centrale dogme
    Informationsflowet går fra DNA til protein via mRNA. Dette betyder at DNA koder for RNA, som koder for protein. I enkelte tilfælde kan RNA kode for DNA for eksempel i en retrovirus som HIV, men protein koder aldrig tilbage til RNA eller DNA.

     

    Deletion
    Tab af et eller flere nukleotider i DNA.

     

    DNA-replikation
    Kopiering af DNA. En proces der katalyseres af enzymet DNA-polymerase.

     

    Enzym
    Et enzym er et protein med katalytisk aktivitet. Enzymer katalyserer de mange biokemiske processer i levende celler. En del enzymer bliver udskilt /sekreteret fra de levende celler, og virker udenfor cellerne.

     

    Essentielle gener
    Gener, der er nødvendige for at cellen kan overleve.

     

    Excision repair
    En reparationsmekanisme under DNA-replikation, som fjerner abnorme baser.

     

    Favoriseres
    Ved at bestemte organismer favoriseres menes, at de har en overlevelsesmæssig fordel i forhold til andre organismer.

     

    Frame-shift mutation
    Mutation som fører til ændring af læserammen.

     

    Fylogenetisk træ
    Illustration af evolutionære forhold i et diagram, hvor hvert punkt viser en opdeling.

     

    Fænotype
    Den måde hvorpå arveegenskaberne i kombination med miljøet kommer til udtryk i en organisme.

     

    Genetisk rekombination
    Genoverførsel mellem organismer.

     

    Genotype
    Arveegenskaberne i en organisme.

     

    Hydrogenbindinger
    Tiltrækningskræfter mellem et elektropositivt hydrogenatom og et elektronegativt atom (f.eks. oxygen).

     

    Insertion
    Indsættelse af et eller flere nukleotider i DNA.

     

    Inverted repeat
    Når to områder på RNA-strengen er komplementære, kan RNA-strengen folde tilbage og danne baseparring mellem de to områder. Dette kaldes inverted repeat.

     

    Konjugation
    Overførsel af genmateriale mellem to bakterier ved hjælp af plasmider.

     

    Krydset evolution
    (her) Genoverførsel mellem bakterier.

     

    Loop
    Hvis RNA-strengen danner en enkeltstrenget del som bliver sluttet sammen igen ved inverted repeat.

     

    Læserammer
    De tre måder, hvorpå en enkelt DNA-streng kan læses, da den genetiske information bliver læst i blokke af tre basepar.  

     

    Mismatch repair
    En reparationsmekanisme under DNA-replikation, som tjekker at alle baserne passer sammen.

     

    Missense mutation
    Mutation i gen som fører til ændring af en aminosyre i det protein genet koder for.

     

    Messenger RNA, mRNA
    RNA der koder for proteiner. mRNA bringer koden for proteiner fra arvematerialet til cytoplasmaet.

     

    Mutagener
    Stoffer, der forårsager mutationer.

     

    Mutationer
    Ændring af en eller flere baser i DNA-arvematerialet.

     

    Niche
    Ved en niche forstås et miljø bestående af faktorer, der er afgørende for, at en bestemt art kan overleve.

     

    Nonsense mutation
    Mutation i gen som resulterer i et stopkodon og dermed medfører, at translationen stopper før tid.

     

    Nukleotider
    Byggesten i DNA eller RNA Nukleotider består af en sukkerenhed, en phosphatgruppe og en af baserne A (adenin), C (cytosin), G (guanin), T (thymin) og U (uracil), hvor T kun findes i DNA og U kun findes i RNA. Sukkerenhederne i DNA-nukleotiderne er deoxyribose mens de består af ribose i RNA-nukleotiderne.

     

    Plasmider
    Genelementer, der eksisterer frit inde i bakterieceller. Typisk små og cirkulære.

     

    Primer
    Et kort stykke RNA eller DNA, der fungerer som udgangspunkt for DNA-replikation. En primer er nødvendig for DNA-replikation , da de involverede enzymer kun kan tilsætte nukleotider til en allerede eksisterende nukleotid-streng. I PCR benyttes syntetisk fremstillede primere, der er specifikke for den DNA-sekvens, der ønskes opformeret.

     

    Ribosomal RNA, rRNA
    RNA, der indgår i ribosomer. Findes i forskellige typer f.eks 16S i prokaryoter og 18S i eukaryoter.

     

    Sekventering
    Sekventering er opklaring af basernes rækkefølge i DNA eller RNA.

     

    Silent mutation
    Mutation i gen som ikke fører til nogen ændring af aminosyrer i det protein genet koder for.

     

    Subunit
    Et enkelt molekyle, som i samspil med andre molekyler udgør en funktionel enhed. Bruges typisk om proteiner (enzymer), der kan bestå af 2 eller flere forskellige proteiner, der tilsammen udgør det aktive enzym. Bruges også om ribosomer (stor og lille subunit).

     

    Toxiner
    Giftstoffer. Stoffer der er skadelige for nogle celler.

     

    Transduktion
    Overførsel af DNA fra en bakteriecelle til en anden ved hjælp af en bakteriofag (viruspartikel).

     

    Transformation
    En bakteries optag af frit DNA fra det omkringliggende miljø.

     

    Transkription
    Processen hvor DNA-strengens sekvens omskrives til RNA. Produkter fra transkription kan være mRNA, rRNA og tRNA.  

     

    Translation
    Processen hvor mRNA sekvensen oversættes til protein. Translation er en kompliceret enzymatisk process, der katalyseres af ribosomet.

     

    Van der Waals kræfter
    Tiltrækningskræfter mellem to hydrofobe molekyler.

Kildehenvisning:
Dette projekt blev udgivet i januar 2014. Det er udarbejdet af Biotech Academy og er blevet opdateret løbende.

null

Projektet er udarbejdet af Juliane C. Thøgersen. Juliane er færdig som civilingeniør i Bioteknologi fra DTU.

Juliane C. Thøgersen

null

Hans Henrik Stærfeldt er ansat ved Center for biologisk sekvensanalyse, DTU. Hans Henrik har været sparringspartner på denne artikel.

Hans Henrik Stærfeldt

null

Preben Nielsen er science manager på Novozymes. Preben har været med til udviklingen af dette undervisningsprojekt og især forsøget Isolering af cellulaseproducerende bakterier.

Preben Nielsen

null

Institut for Systembiologi har Danmarks største biovidenskabelige og bioteknologiske forskning på universitetsniveau.
Instituttet har været partner og sponsor på projektet.

Institut for Systembiologi