Собрать модель днк из шариков. ДНК-оригами: как из ДНК делают интересные штуки нанометрового размера. Трехмерные структуры из ДНК

Содержимое:

Создание модели ДНК - отличный способ больше узнать о том, каким образом эта замечательная молекула образует наши гены. Используя обычные бытовые материалы, вы сможете сделать собственную модель, в которой будут сочетаться ваши знания в области науки и умение мастерить, а в итоге вы получите отличный проект.

Шаги

1 Создание модели из бусинок и трубоочистителей

1. 1 Соберите материалы и инструменты. Вам понадобится минимум четыре 30-см трубоочистителя и различные бусинки по меньшей мере шести цветов.
   • Для этого проекта больше всего подходит крупный пластиковый бисер, однако вы можете использовать любые бусины, отверстие в которых достаточно большое, чтобы сквозь него прошел трубоочиститель.
   • Каждая пара трубоочистителей должна быть определенного цвета, что даст вам суммарно четыре трубоочистителя двух разных цветов.
2. 2 Нарежьте трубоочистители. Возьмите два трубоочистителя одинакового цвета и разрежьте их на полоски длиной 5 см. Вы будете использовать их, чтобы нанизывать на них пары бусин Ц-Г и Т-А. Другие два трубоочистителя не разрезайте.
3. 3 Нанизывайте бусины на трубоочиститель, который будет нитью двойной спирали. Выберите бусины двух цветов, представляющие фосфатную группу и сахар, и нанизывайте их попеременно на каждый трубоочиститель.
   • Удостоверьтесь, что две длинные нити, которые формируют двойную спираль, соответствуют заданному порядку расположения цветов.
   • Оставьте немного места между бусинами для того, чтобы прикрепить туда остальные куски трубоочистителя.
4. 4 Нанизывайте азотистые основания. Возьмите бусинки оставшихся четырех цветов и разберите их на пары. Одна и та же пара цветов должна всегда быть вместе, чтобы соответствовать парам цитозин-гуанин и тимин-аденин.
   • Разместите по одной бусине из каждой пары на концах 5-сантиметрового куска трубоочистителя. Оставьте немного места на концах, чтобы обернуть их вокруг нитей двойной спирали.
   • Не важно, в каком порядке бузины размещены на трубоочистителях, главное - соблюдать правильные пары.
5. 5 Соедините трубоочистители с нанизанными на них бусинами. Возьмите 5-сантиметровые куски трубоочистителя и оберните их концы вокруг нитей длинной двойной спирали.
   • Разделяйте короткие куски таким образом, чтобы они всегда прикреплялись над бусинами одного и того же цвета. Бусины другого цвета на нити двойной спирали следует пропускать.
   • Порядок коротких кусков не важен, лишь вам решать то, как вы хотите организовать их на нитях двойной спирали.
6. 6 Изогните двойную спираль. Прикрепив все мелкие куски трубоочистителя с бусинами, изогните концы двойных спирали против часовой стрелки, чтобы получился вид настоящей нити ДНК. Ваша модель готова!

2 Создание модели из пенопластовых шариков

1. 1 Соберите материалы. Для этой версии проекта вам понадобятся небольшие шарики пенопласта, иголка с ниткой, краска и зубочистки.
2. 2 Покрасьте пенопластовые шарики. Выберите шесть разных цветов, которые будут представлять сахар, фосфатную группу и четыре азотистых основания. Это могут быть шесть любых цветов на ваш выбор.
   • Вам нужно будет покрасить 16 шариков сахара,14 фосфатных групп и подобрать 4 разных цвета для каждого азотистого основания (цитозин, гуанин, тимин и аденин).
   • Вы можете выбрать таким образом, чтобы один из цветов был белым, так вам не придется красить весь пенопласт. Это рациональнее всего применить к шарикам сахара, поскольку в этом случае общий объем вашей работы значительно уменьшится.
3. 3 Разберите азотистые основания по парам. Как только краска высохнет, назначьте каждому азотистому основанию цвет. Цитозин всегда связан с гуанином, а тимин - с аденином.
   • Порядок расположения цветов не имеет значения, важна только правильность пары.
   • Воткните зубочистку в каждую пару шариков, оставив немного места у концов зубочистки.
4. 4 Сделайте двойную спираль. Отрежьте кусок нити достаточной длины, чтобы пройти сквозь 15 пенопластовых шариков. Завяжите узел на одном конце веревки и проденьте иглу в другой.
   • Выстройте пенопластовые шарики сахара и фосфатов так, чтобы они чередовались в двух рядах по 15 шариков. Шариков сахара должно быть больше, чем фосфатных.
   • Убедитесь, что в обоих нитях сахар и фосфаты находились в одинаковом порядке, а если положить их рядом, то можно увидеть, что они совпадают.
   • Проденьте нитку сквозь центры каждой цепочки пенопластовых шариков сахара и фосфатов. Завяжите нитку на концах, чтобы предотвратить выпадение шариков.
5. 5 Прикрепите азотистые основания к двойной спирали. Возьмите зубочистки с парами азотистых оснований и прикрепите их острыми концами к соответствующим шарикам сахара на обоих длинных нитях.
   • Прикрепляйте пары пенопластовых шариков только к тем шарикам, которые представляют сахар, поскольку именно такое строение имеет реальная ДНК.
   • Убедитесь, что зубочистка достаточно прочно прикреплена к нити, и что пары оснований не будут отпадать.
6. 6 Изогните двойную спираль. Прикрепив все пары оснований на зубочистках, изогните двойную спираль в направлении против часовой стрелки, чтобы сымитировать внешний вид настоящей двойной спирали ДНК. Ваша модель готова!

3 Создание модели из конфет

1. 1 Выберите сорт конфет. Чтобы сделать боковые нити из сахара и групп фосфатов, используйте полые полоски черной и красной лакрицы. В качестве азотистых оснований возьмите конфеты "мармеладные мишки" четырех разных цветов.
   • Какие конфеты бы вы ни использовали, они должны быть достаточно мягкими, чтобы их можно было проткнуть зубочисткой.
   • Если у вас под рукой есть цветной зефир, он будет прекрасной альтернативой мармеладным мишкам.
2. 2 Приготовьте остальные материалы. Возьмите веревку и зубочистки, которые вы используете при создания модели. Веревку нужно будет нарезать на куски длиной около 30 сантиметров, но вы можете сделать их длиннее или короче - в зависимости от выбранной вами длины модели ДНК.
   • Чтобы создать двойную спираль, используйте два куска веревки одинаковой длины.
   • Убедитесь, что у вас есть хотя бы 10-12 зубочисток, хотя вам может понадобиться немного больше или меньше - опять же в зависимости от размера вашей модели.
3. 3 Нарежьте лакрицу. Вы будете вешать лакрицу, поочередно меняя ее цвет, длина кусков должна составлять 2,5 сантиметра.
4. 4 Разберите мармеладных мишек по парам. В нити ДНК в парах расположены цитозин и гуанин (Ц и Г), а также тимин и аденин (Т и А). Выберите мармеладных мишек четырех различных цветов - они будут представлять разные азотистые основания.
   • Не важно, в какой последовательности располагается пара Ц-Г или Г-Ц, главное другое - чтобы в паре были именно эти основания.
   • Не делайте пары с несоответствующими цветами. Например, нельзя объединять Т-Г или А-Ц.
   • Выбор цветов может быть абсолютно произвольным, он полностью зависит от личных предпочтений.
5. 5 Повесьте лакрицу. Возьмите два куска веревки и завяжите каждую в нижней части, чтобы предотвратить соскальзывание лакрицы. Затем нанизывайте на веревку сквозь центральные пустоты кусочки лакрицы чередующихся цветов.
   • Два цвета лакрицы символизируют сахар и фосфат, которые образуют нити двойной спирали.
   • Выберите один цвет, который будет сахаром, ваши мармеладные мишки будут прикрепляться к лакрице именно этого цвета.
   • Убедитесь, что на обеих нитях кусочки лакрицы расположены в одинаковом порядке. Если вы положите их рядом, то цвета на обеих нитях должны совпасть.
   • Завяжите другой узел на обоих концах веревки сразу после того, как вы закончите нанизывать лакрицу.
6. 6 Прикрепите мармеладных мишек с помощью зубочисток. Как только вы распределили по парам всех мишек, получив группы Ц-Г и Т-А, воспользуйтесь зубочисткой и прикрепите по одному мишке из каждой группы на оба кончика зубочисток.
   • Протолкните мармеладных мишек на зубочистку так, чтобы торчало хотя бы полсантиметра острой части зубочистки.
   • У вас может получиться больше одних пар, чем других. Количество пар в реальной ДНК определяет различия и изменения генов, которые они образуют.
7. 7 Прикрепите мишек к лакрице. Разложите ваши лакричные нити на гладкой поверхности и прикрепите зубочистки с мармеладными мишками к лакрице, вставляя в нее острые концы зубочисток.
   • Вставлять зубочистки нужно только в молекулы"сахара". Это - все кусочки лакрицы одного цвета (например, все красные кусочки).
   • Используйте все зубочистки с мармеладными мишками, не старайтесь сэкономить.
8. 8 Изогните двойную спираль. Прикрепив все зубочистки с мармеладными мишками к лакрице, изогните нити в направлении против часовой стрелки, чтобы придать модели вид двойной спирали. Наслаждайтесь видом выполненной вами модели ДНК!

Несущей нашу генетическую информацию) можно создавать всякие хитрые, плоские и трехмерные штуки нанометрового размера. Та самая нано-технология, как она есть. В этом обзоре я хочу рассказать о развитии ДНК-оригами: двухмерные смайлики из ДНК, трехмерные фигуры, кристаллы из ДНК с запрограммированной структурой, ДНК-«коробочки» с крышкой, способные нести молекулы нужных веществ и выпускать их после сигнала об открытии крышки, и, наконец, динамические структуры типа ДНК-шагохода (walker), гуляющего по подложке (создатели гордо говорят, что это уже наноробот!). Кто хочет узнать больше о том, зачем все это нужно, почитать о технологиях изготовления красивых нанометровых штук из ДНК или просто посмотреть красивые картинки, добро пожаловать под кат.

Так выглядит ДНК-наноробот

Немного теории

В конце двадцатого - начале двадцать первого века встал вопрос о конструировании объектов нанометрового размера. Для чего? Общий вектор на миниатюризацию существует достаточно давно, причем исторически это всегда было движение «сверху вниз» - например, в 70-х годах при изготовлении микросхем минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, далее это значение стремительно уменьшалось и сейчас в серийном производстве находятся чипы, выполненные по 22-нм технологическому процессу. Тут у думающих людей возник вопрос: а нельзя ли двигаться «снизу вверх»? Нельзя ли заставить атомы и молекулы собираться в нужные структуры и затем эти структуры использовать в технике? Очевидны требования к такой «самособирающейся» системе: материалы для нее должны быть достаточно дешевыми и доступными, самосборка сложной пространственной структуры системы должна легко и очевидно «программироваться», система должна быть способна нести полезный функционал. Тут же вспомнили, что в природе такие самособирающиеся системы уже существуют и прекрасно работают - это макромолекулы всех живых организмов, например, белки. Здесь приходит и первое разочаровние - белки слишком сложно устроены, их трехмерная структура задается совершенно неочевидным образом множеством нековалентных взаимодействий и получить белок с произвольной структурой - до сих пор абсолютно нетривиальная и нерешаемая задача. То есть использовать белки для конструирования нужных объектов нано-размеров технически невозможно. Что же делать? Оказывается, есть и другие макромолекулы, чья структура устроена гораздо проще структуры белков.

В 1953 году Уотсон и Крик опубликовали свою модель структуры ДНК , оказавшейся абсолютно верной. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - это интересно устроенный линейный полимер. Одна нить ДНК состоит из монотонно повторяющегося сахаро-фосфатного остова (он асимметричен и имеет направление, различают 5" и 3" конец цепи), однако к каждому сахару (дезоксирибозе в случае ДНК) прикреплен один из четырех нуклеотидов (синоним слова нуклеотид - «основание») - аденин, либо тимин, либо цитозин, либо гуанин. Обычно их обозначают одной буквой - А, Т, Ц, Г. Таким образом, в ДНК есть только 4 типа мономеров, в отличие от 20 аминокислот в составе белка, что делает структуру ДНК намного проще. Дальше становится еще веселей - есть так называемое «Уотсон-Криковское спаривание оснований»: аденин может специфично связываться с тимином, а гуанин - с цитозином, образуя пары А-Т и Г-Ц (и еще Т-А и Ц-Г, разумеется), другие взаимодействий между нуклеотидами в упрощенном случае можно считать невозможными (они возможны в виде исключения при некоторых редких условиях, но для нас это не важно). Уотсон-Криковское спаривание оснований еще называется комплементарностью.

Две цепи ДНК, последовательность оснований которых комплементарна, немедленно «слипаются» в двойную спираль.Возникает вопрос: а что, если на одной цепи ДНК находятся две комплементарные области? Ответ: цепь ДНК может согнуться и комплементарные области смогут образовать двойную спираль, а вместе с местом изгиба эта структура будет называться «шпилькой» (DNA hairpin):

На чем же основано «слипание» двух комплементарных цепей ДНК (или, аналогично, двух комплементарных участков одной цепи)? Это взаимодействие держится на водородных связях . Пара А-Т соединяется двумя водородными связями, пара Г-Ц - тремя, поэтому эта пара более энергетически устойчива. Про водородные связи надо понимать следующее: энергия одной водородной связи (5 ккал/моль) не намного превосходит энергию теплового движения, а значит, одна отдельно взятая водородная связь может быть с высокой вероятностью тепловым движением разрушена. Однако, чем больше водородных связей, тем более устойчивой становится система. Это значит, что короткие участки комплементарных оснований ДНК не могут образовать устойчивую двойную спираль, она будет легко «плавиться», однако более длинные комплементарные участки уже смогут образовать стабильные структуры. Стабильность двухцепочечной структуры выражается одним параметром - температурой плавления (Тм, melting temperature). По определению, температура плавления - это температура, при которой в равновесии 50% молекул ДНК с данной длиной и последовательностью нуклеотидов находятся в двухцепочечном состоянии, а другие 50% - в расплавленном одноцепочечном состоянии. Очевидно, что температура плавления напрямую зависит от длины комплементарной области (чем длиннее - тем выше температура плавления) и от нуклеотидного состава (так как в паре Г-Ц три водородные связи, а в паре А-Т - две, то чем больше пар Г-Ц, тем выше температура плавления). Температура плавления для данной последовательности ДНК легко считается по эмпирически выведенной формуле .

От теории к практике

Итак, теорию мы изучили. Что же мы можем сделать на практике? С помощью химического синтеза мы можем напрямую синтезировать цепи ДНК длиной до 120 нуклеотидов (просто потом выход продукта резко падает). Если же нам нужна более длинная цепь, то ее без проблем можно собрать из тех самых химически синтезированных фрагментов длиной до 120 нуклеотидов (например, дядюшка Крейг Вентер отличился тем, что из кусочков собрал ДНК длиной аж 1,08 миллиона пар оснований). То есть в 21 веке мы можем легко и дешево делать ДНК любой последовательности, какой только захотим. А хотим мы, чтобы потом ДНК сворачивалась во всякие хитрые и сложные структуры, которые мы потом сможем использовать. Для этого у нас есть принцип комплементарности - как только в последовательности ДНК появляются комплементарные зоны, они слипаются и образуют двухцепочечный участок. Очевидно, мы хотим делать структуры, стабильные при комнатной температуре, значит мы хотим рассчитать температуру плавления для данных участков и сделать ее достаточно большой. При этом на одной цепи ДНК мы можем делать много разных областей с разными последовательностями и слипаться будут только комплементарные. Так как комплементарных областей может быть несколько, в результате молекула может свернуться достаточно сложным образом! Как-то так, например:

Двухмерные структуры из ДНК

Методологический прорыв устроил Paul Rothemund (Калифорнийский Технологический Институт) в 2006 году, именно он и придумал термин «ДНК-оригами». В своей статье в «Nature» он представил множество забавных двухмерных объектов, сделанных из ДНК. Принцип, предложенный им, достаточно прост: взять длинную (примерно 7000 нуклеотидов)«опорную» одноцепочечную молекулу ДНК и затем с помощью сотни коротких ДНК-скрепок, образующих двухцепочечные области с опорной молекулой, согнуть опорную ДНК в нужную нам двухмерную структуру. Вот рисунок из оригинальной статьи, представляющий все стадии разработки. Для начала (а) нарисуем нужную нам форму красным цветом и прикинем, как заполнить ее ДНК (представим ее на этом этапе в виде труб). Далее (b) представим, как провести одну длинную опорную молекулу по нужной нам форме (показана черной линией). На третьем этапе (с) подумаем, где мы хотим разместить «скрепки», стабилизирующие укладку длинной опорной цепи. Четвертый этап (d): больше деталей, прикидываем, как будет выглядеть вся нужная нам структура ДНК и, наконец, (e) мы имеем схему нужной нам структуры, можно заказывать ДНК нужной последовательности!

Как же из химически синтезированных ДНК собрать нужную нам структуру? Здесь на помощь приходит процесс плавления. Мы берем пробирку с водным раствором, бросаем в нее все фрагменты ДНК и нагреваем до 94-98С, температуры, которая гарантировано плавит всю ДНК (переводит ее в одноцепочечную форму). Далее мы просто очень медленно (в течении многих часов, в некоторых работах - в течении нескольких дней) охлаждаем пробирку до комнатной температуры (эта процедура называется «отжиг», annealing). При этом медленном охлаждении, когда температура оказывается достаточно низкой, постепенно образуются нужные нам двухцепочечные структуры. В оригинальной работе в каждом эксперименте примерно 70% молекул успешно собирались в нужную структуру, остальные имели дефекты.

Далее, после того, как структура рассчитана, неплохо бы доказать, что она собирается именно так, как нам надо. Для этого чаще всего используют атомно-силовую микроскопию, которая как раз прекрасно показывает общую форму молекул, но иногда используют и cryo-EM (электронную микроскопию). Автор сделал множество веселых форм из ДНК, на картинках представлены расчетные структуры и результат экспериментального определения структур с помощью атомно-силовой микроскопии. Наслаждайтесь!

Трехмерные структуры из ДНК

После того, как разобрались с конструированием сложных плоских объектов, почему бы не перейти к третьему измерению? Здесь пионерами была группа ребят из Института Скриппса в Ла-Холле, Калифорния, которые в 2004 году придумали, как из ДНК сделать нано-октаэдр . Хотя эта работа и сделана на 2 года раньше плоского ДНК-оригами, в тот раз был решен лишь частный случай (получение октаэдра из ДНК), а в работе по ДНК-оригами было предложено общее решение, поэтому именно работа 2006 года по ДНК-оригами считается основополагающей.

Октаэдр был сделан из одноцепочечной молекулы ДНК длиной примерно 1700 нуклеотидов, имеющей комплементарные области и к тому же скрепленой пятью 40-нуклеотидными ДНК-адаптерами, в результате был получен октаэдр с диаметром 22 нанометра.
На рисунке обратите внимание на цветовую кодировку на двухмерной развертке октаэдра. Видите области, отмеченные одинаковым цветом? Они содержат как комплементарные зоны (параллельные участки соединенные поперечными связями), так и некомплементарные (на схеме они изображены в виде пузырьков), при этом зоны одного цвета, расположенные в разных частях двухмерной развертки, взаимодействуют друг с другом, образуя сложную структуру, изображенную на рисунке 1с и образующую грань трехмерного тетраэдра. Наслаждайтесь красивыми картинками!

В 2009 году ученые из Бостона и Гарвардского Университета опубликовали принципы построения трехмерного ДНК-оригами , как они сами говорят, по подобию пчелиных сот. Одно из достижений этой работы - люди написали для конструирования трехмерных структур ДНК (она работает на Autodesk Maya). С этой программой даже неспециалист может собрать нужную структуру из готовых блоков с использованием простенького графического интерфейса, а программа рассчитает необходимую последовательность (или последовательности) ДНК, в эту структуру сворачивающуюся.

PPS: в личке спросили, почему ДНК, а не РНК. Ответ такой: я вижу две основные причины: (1) ДНК - химически более стабильна. Все живые организмы синтезируют огромное количества РНКаз, ферментов, уничтожающих РНК. Если Вы случайно залезете голым пальцем в пробирку с РНК, от РНК ничего не останется - все сожрут РНКазы. Поэтому с РНК работают в специальных помещениях и тд - мороки гораздо больше, чем при работе с ДНК. С ДНК таких проблем нет, палец в пробирку сунешь - ничего ДНК не будет. (2) Стоимость химического синтеза РНК в разы превышает стоимость синтеза ДНК. Думаю, поэтому народ и развлекается с ДНК - дешевле и проще.

Теги: Добавить метки

Вы хотите сделать свою собственную модель ДНК - основного структурного элемента жизни? Тогда выпустите на волю своего внутреннего творца и создайте модель ДНК из полимерной глины или проволоки с бусинками, чтобы у вас получилась модель, которая обязательно займет первое место на любой научной выставке.

Метод 1 из 2: Создание модели из глины

Приобретите материалы и инструменты. Чтобы сделать модель ДНК из глины, для начала понадобится купить любую понравившуюся вам глину. Вы сможете сделать модель, если у вас будет полимерная глина минимум шести цветов, а также инструменты, которыми вы будете формовать глину (например, пластиковый нож или скалка).

• Если вы планируете экспонировать вашу модель на выставке, подготовьте подставку, на которую вы сможете поставить ее. Это может быть небольшая деревянная доска со стержнем, выходящим из ее центра, к которому будет крепиться нить ДНК.
• После того как вы закончите формовать полимерную глину, вам нужно будет запечь ее, поэтому убедитесь, что у вас есть также духовка в рабочем состоянии.
• Чтобы обеспечить дополнительную поддержку для модели ДНК, вы можете использовать в ней гибкую проволоку.
1. 
   

   Создайте две длинные нити, которые будут представлять собой двойную спираль. Выберите полимерную глину одного из выбранных вами цветов и скатайте ее в два куска длиной 30 сантиметров и толщиной полтора сантиметра. Из них будут сформированы боковые нити ДНК, поэтому необходимо обеспечить их прочность, чтобы можно было надежно прикреплять к нитям другие детали.

   • Чтобы добавить дополнительную устойчивость модели, можно обернуть глину вокруг двух длинных кусков гибкой проволоки.
   • Вы можете свободно изменять размер нити вашей модели ДНК, чтобы она соответствовала всем вашим требованиям. Для того, чтобы создать более короткую модель, просто уменьшите размер нитей двойной спирали.
2. 
   

   Добавьте сахар и фосфатные группы. Нити двойных спиралей ДНК состоят из групп двух типов: сахара и фосфатов. Используйте одну из ваших цветных полимерных глин чтобы сформовать фосфатные группы на двойной спирали.

   • Раскатайте глину выбранного для фосфатных групп цвета до тех пор, пока она не станет плоской. Нарежьте полоски глины длиной и шириной по полтора сантиметра.
   • Начиная с нижней части длинных полосок двойной спирали, оборачивайте вокруг нити куски плоской фосфатной глины.
   • Убедитесь, что они хорошо вдавлены в нить спирали и не отпадут.
   • Пропускайте между кусками фосфатной глиной на нити по полтора сантиметра пустого места. Пустое пространство в нитях двойной спирали представляет собой группы сахаров.
   • Продолжайте чередовать глину сахаров и фосфатов на расстоянии полтора сантиметра друг от друга, пока вы не заполните обе нити двойной спирали.
3. 
   

   Это - четыре азотистых основания, которые составляют нить ДНК: цитозин, гуанин, аденин и тимин. Они образуют перекладины "лестницы" между двумя нитями двойной спирали. Выберите по одному цвету полимерной глины для каждого из четырех оснований.

   • Скатайте глину каждого цвета в куски по полтора сантиметра длиной и полсантиметра шириной. Используйте нож, чтобы отрезать края и придать поверхности гладкость.
   • Подсчитайте количество созданных вами групп сахаров на нити двойной спирали. Это - количество пар азотистых оснований, которое вам нужно будет сделать.
   • Распределите ваши цвета попарно на соответствующие группы. Цитозин и гуанин всегда должны находиться вместе (в любом порядке), так же как и тимин с аденином.
   • Если вы хотите дать вашим азотистым основаниям большую устойчивость, нарежьте кусочки гибкой проволоки длиной около двух с половиной сантиметров и используйте их как центральные части глиняных оснований.
   • Объединяйте пары цветов, защипывая края ваших полуторасантиметровых кусочков. Как только цветные кусочки будут соединены посередине, аккуратно скатайте их в один гладкий цельный кусок глины.
4. 
   

   Прикрепите азотистые основания к двойной спирали. Как только вы сделаете все 2,5-сантиметровые отрезки азотистых оснований, вы должны будете прикрепить их к двойной спирали.

   • Начинайте с первой группы на двойной спирали. Используйте маленькие кусочки глины размером с горошину того же цвета, что и группа сахара.
   • Прикрепите одно из азотистых оснований к сахару с использованием небольшого кусочка глины. Защипните кусочки глин и разгладьте края, скатав их пальцами.
   • Легче всего будет прикрепить все кусочки азотистых оснований на одной стороне только одной из нитей двойной спирали. Затем, когда из одной нити двойной спирали будут выходить все 2,5-сантиметровые основания, прикрепите вторую нить к противоположной стороне.
   • Убедитесь, что все детали прочно скреплены. Если вы вдели в ваши азотистые основания в проволоку, то вы можете воткнуть концы проволоки в нити двойной спирали, чтобы лучше закрепить их.
5. 
   

   Изогните двойную спираль. Чтобы придать вашей модели ДНК классическую спиральную форму, удерживайте вашу двойную спираль за оба конца и поверните их против часовой стрелки.

6. 
   

   Запеките вашу модель. Придерживайтесь инструкций, которые приведены на упаковке полимерной глины, а затем запеките вашу модель, чтобы отвердить ее.

   • Если у вас есть вощеная бумага, запекайте модель на ней, чтобы модель не прилипла к противню.
   • Всегда давайте модели остыть, перед тем как вытаскивать ее, иначе можно обжечься.
7. 
   

   Как только модель запечется и остынет, продемонстрируйте плоды своего труда! Повесьте ее на потолок с помощью лески, или прикрепите ее к деревянной подставке.

Метод 2 из 2: Создание модели из проволоки и бусин

1. 
   

   Соберите материалы. Для этого проекта вам понадобится несколько метров гибкой проволоки, кусачки и бусинки на ваш выбор.

   • Если вы хотите повысить уровень качества своей модели, ту для прочного присоединения деталей друг к другу вы можете использовать паяльник.
   • Вы можете использовать любые бусинки, однако стеклянные бусины придадут модели более красивый вид. Если хотите, вы можете добавить бисер в качестве разделителя между большими бусинами.
   • Чтобы соответствовать желаемому размеру модели, вам необходимы будут бусинки в достаточном количестве минимум шести цветов.
   • Если вы собираетесь выставить вашу модель на обозрение, то сделайте подставку из дерева, к которой можно будет прикрепить вашу модель.
2. 
   

   Сделайте двойную спираль. Она представляет собой две длинные боковые нити, которые удерживают всю молекулу ДНК и придают ей форму лесенки. Отрежьте два куска проволоки равной длины. Эти куски послужат остовом модели ДНК, поэтому их длину выбирайте в зависимости от длины всей модели.

   • Выберите бусины двух цветов и прикрепите по одной на каждый конец проволоки. Проденьте проволоку сквозь бусину второй раз, создав петлю на концевой части проволоки. Это предотвратит соскальзывание бусинок.
   • Попеременно прикрепляйте бусины двух цветов на проволоку. Два цвета представляют сахар и фосфатные групп, которые образуют длинную часть двойной спирали.
   • Вы можете вдевать одну или много бусин каждого цвета, однако проверьте, чтобы у на проволоке у вас было одинаковое количество бусин каждого цвета из двух.
   • Сделайте то же самое для второго куска проволоки для двойной спирали, внимательно следя за тем, чтобы цвета двух бусинок (сахар и фосфаты) на двух лежащих рядом проволочных нитях совпадали.
   • Оставьте сверху проволоки 2,5 см незаполненного пространства, чтобы вы смогли прикрепить "перекладины лестницы" в зазоры между бусинами.
3. 
   

   Добавьте "перекладины лестницы". Подсчитайте количество групп сахара, которые вы сделали на двойной спирали, а затем нарежьте кусочки проволоки длиной 2,5 сантиметра в том же количестве.

   • Оберните концы одного куска проволоки вокруг нити двойной спирали у бусины сахара. Сделайте это для всех кусков проволоки, чтобы у вас получилась полная нить двойной спирали с торчащими из нее кусками проволоки.
   • Если вы хотите сделать более декоративную и прочную модель ДНК, воспользуйтесь паяльником, чтобы припаять кусочки проволоки к нити двойной спирали.
4. 
   

   Сделайте азотистые основания. Выберите четыре других цвета и присвойте каждому из них азотистое основание. Гуанин и цитозин всегда располагаются в паре, так же как и тимин с аденином.

   • Чтобы заполнить каждый мелкий кусок проволоки, вам скорее всего понадобится много бусинок, поэтому прикрепляя бусинки к проволоке, выбирайте их равные количества, относящихся к каждому азотистому основанию.
   • Убедитесь, что вы соблюдаете группировку пар бусинок. Всегда нанизывайте цитозин и гуанин вместе, как и тимин с аденином. Однако вы можете размещать их в любом порядке и делать одних пар больше, чем других.
5. 
   

   Нанизайте ваши азотистые основания. Как только вы разделите все ваши бусины, разместите их на проволочных ответвлениях, которые выходят из нити двойной спирали. Обязательно оставьте 1,5 сантиметра на конце проволоки для прикрепления ее к другой нити двойной спирали.

6. 
   

   Прикрепите вторую нить двойной спирали. Добавив все бусины азотистых оснований, приготовьте и прикрепите вторую нить двойной спирали. Сориентируйте боковую сторону, чтобы она отражала первое азотистое основание, и прикрепите кусочки проволоки.

   • Вы можете обернуть кусочки проволоки вокруг двойной спирали с помощью тонкогубцев. Прикрепите эти мелкие кусочки проволоки в том же месте, где вы сделали это для противоположной нити двойной спирали.
   • Если можете, воспользуйтесь паяльником, чтобы спаять между собой последние кусочки проволоки, при этом модель получится более гладкой на вид.
7. 
   

   Запечатайте концы модели. Чтобы бусинки не выпадали из модели, закрутите проволоку на каждом конце нитей двойной спирали в петлю. Вы также можете запаять проволоку в форме узлов, чтобы предотвратить рассыпание бусин.

8. 
   

   Изогните двойную спираль. Чтобы создать классическую спиральную форму нити ДНК, возьмите ее за концы и аккуратно проверните против часовой стрелки.

9. 
   

   Выставьте вашу модель на обозрение. Как только вы добавите все последние штрихи, ваша модель завершена! Повесьте ее на подвесном приспособлении или на потолке, или прикрепите ее к деревянной подставке, использовав немного проволоки или клея. Покажите всем дело ваших рук!

• Если для создания модели ДНК вы используете духовку или паяльник, то будьте осторожны, чтобы не обжечься.
• Оба эти метода слишком сложны для детей, поэтому, если вы делаете модель для школьного проекта, убедитесь, что ваши помощники достигли достаточного возраста, чтобы не навредить себе при работе с материалами.

• Обучающая: сформировать первоначальные знания о строении, химическом составе и функциях молекулы ДНК.
• Развивающая: способствовать росту активной жизненной позиции, развивать умение анализировать и применять полученные знания в жизни.
• Воспитательная : воспитать чувство ответственности за свою жизнь, жизнь будущих детей; привить любовь к природе.

Учебно-наглядные пособия:

• индивидуальные карточки-задания для проверки пройденного материала в трех вариантах
• аудиомагнитофон
• карточки с терминами
• демонстрационная модель ДНК
• набор цветной проволоки для изготовления "своей" ДНК
• набор цветных мелков

Ход урока

1. Вступительное слово учителя.

"Природа - самое главное, и все делается по её законам, а мы являемся частицей самой природы и живем тоже по её законам, и те же самые силы действуют внутри нас". Это слова из книги, автора знаменитой "Системы закалки - тренировки человека" - П.К.Иванова.

Попробуем определить здесь ключевые слова:

ПРИРОДА, ЗАКОНЫ "СИЛЫ" ВНУТРИ НАС.

С этими понятиями мы знакомы по курсам физики, химии, биологии. А вот какие силы есть внутри нас, как они действуют - предстоит узнать в ходе урока.

2. Разминка.

Как вам уже известно, в составе клеток около 80 различных химических элементов.

Они оказывают самые разные действия на свойства и процессы в живых организмах

Итак, задание:

I вариант - влияние элементов на организм:

Ca, Fе, Мd, I, Zn.

II вариант - назовите макроэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы (химические знаки, % содержания).

III вариант - ответьте на вопросы:

Какие вещества относят к неорганическим

Какие вещества относят к органическим

Что значит "неорганические"?

Что значит "органические"?

Все живые организмы состоят из... (включается спокойная музыка)

3. Изучение нового материала.

Известно, что сказка ложь, да в ней намек и получается необычный урок. Урок без темы.

Проблемное задание:

Определить в ходе объяснения название темы урока. Итак, я буду сказку сказывать, а вы "намёки" в тетради фиксировать.

В некотором царстве, внутриклеточном государстве жило-было ядро. Такое округлое, симпатичное. А имя такое простое - Ядро (на доске по ходу рассказа составляется схема). (Рисунок 1)

Жило не тужило. Государство хоть маленькое, но как положено границы были (оболочка) и ров с вязкой жидкостью (цитоплазма). Пираньи там жили (лизосомы). Когда купцы заморские, лукавые, через границу товар везли (обмен веществ), лизосомы строго следили за качеством, некачественные продукты сразу переваривали: вместе с купцами.

Загордилось ядро, что оно такое важное. Купцы перед ним "шапку ломали" и звание ему свое, заморское присвоили. Стали с тех пор ядро мудрено звать - НУКЛЕУС (по ходу урока на доске крепятся карточки с заданиями).

Шло время. Грустно Нуклеусу, поговорить не с кем, наследство передать думал он думал и решил создать из своего тела (нуклеотидов) дитя малое.

Раскладывает нуклеотиды:

Вот сюда адениловый (А), сюда цитидиловый (Ц), здесь тиминовый (Т), ну а тут гуаниловый (Г).

Да не получается ничего. К счастью гости заявились. Пришел друг закадычный - фермент, и сестры двоюродные - водородная и ковалентная связь. Потом АТФ прибежала. Все хвасталась, какая она универсальная.

Все дружно взялись за дело - нуклеотиды раскладывают.

Ковалентная связь самая умная, крепкая, стала попарно нуклеотиды складывать, не как попало, а с чувством. А чувство это "комплиментарность " называется. (Рисунок 2)

Тут вмешалась водородная связь: "Я хоть и слабельная, но тоже помогу; давайте-ка, я всё как следует закручу". И "закрутила". Красиво получилось. (Рисунок 3)

Фермент сразу имя дал новорожденному - полинуклеотид , А тут АТФ как закричит (уж очень энергичная особа):

"Это ведь девочка! Смотрите, у нее есть талия!" Делать нечего. Стали еще одно имя подбирать. Вспомнили. Была у ядра бабка, звали её - Дезоксирибоза . Вот и решили новорожденную назвать - дезоксирибонуклеиновая кислота, короче - ДНК. Тут и сказке конец, а кто слушал: тот назовет тему урока:

"Рождение ДНК"

4. Закрепление - "Построй свою ДНК".

(Из цветной проволоки каждый изготавливает "свою" ДНК)

получается двухцепочная суперспираль

5. Выводы.

А когда ДНК подросла, паспорт получила, вошла в состав хромосомы, на работу там устроилась: хранит и передает генетическую информацию.

Наверное, это и есть "силы внутри нас".

6. Домашнее задание.

а) устное - мое сегодняшнее открытие

Что изменилось в моем мировоззрении

б) письменное - написать правила поведения по отношению ко всему живому от имени: волка, зайца, морковки.

Крайне малые размеры ДНК не позволяют увидеть ее. Вот почему для некоторых она предстает сугубо отвлеченным понятием, а не действительно существующей молекулой. Лучшему пониманию ДНК может помочь собственноручная сборка ее физической модели.

Детские конструкторы прекрасно подходят для сборки моделей молекул, включая ДНК. Один из авторов этой книги (Артур Уиггинз) воспользовался набором конструктора K"NEX для сборки модели ДНК, которую на рис. 1.4 держат в руках дети, помогавшие ему в этом деле.

Данная модель собрана на основе набора K"NEX 32 Model Building Set в коробке Blue Value Tub (34006), который можно приобрести за 30 или 40 долларов (см. www.knex.com).

Рис. 1.4. Модель ДНК, которую держат в руках Рей, Мелисса и Тим Ноу (внуки А. У. Уиггинза)

Руководство по сборке молекулы ДНК можно посмотреть на узле Всемирной Паутины http://c3.biomath.mssm.edu/knex/dna.models.knex.html

По завершении работы вы получите часть молекулы ДНК, содержащую 48 пар оснований. В длину она составит около 1 м.

Получившаяся модель немного отличается от настоящей ДНК. В модели каждый синий стержень находится под углом 20° к предыдущему стержню, тогда как водородные связи в настоящей ДНК параллельны в пределах 6°. Однако модель показывает отдельные повороты спирали, большую и маленькую бороздки и парные основания А-Т и Ц-Г Уотсона-Крика.

При сборке данной модели вы сможете увидеть действие lac-оперона по расщеплению двух нитей ДНК в ходе репликации и работу рестрикционных ферментов, разрезающих ДНК в определенных местах благодаря «подгонке» этих ферментов к молекулам.

Кодоны

Почти все формы жизни на Земле используют один и тот же генетический код, ключом к которому служат кодоны. Если нуклеотидные основания в ДНК представить в виде букв генетического кода, то кодоны будут словами, а ген - последовательностью кодонов, образующих предложение. Согласно основному посылу (центральная догма) [занесенного] в ген выражения (экспрессии гена), сообщение от ДНК записывается на мРНК (матричную РНК), которое затем переносится на белки.

Для уяснения работы кодонов рассмотрим ее подробно.

♦ Последовательность содержащихся в ДНК нуклеотидных оснований задается чередованием аденина, тимина, цитозина и гуанина, обычно обозначаемых буква ми А, Т, Ц и Г.

♦ мРНК переписывает нуклеотидные основания ДНК в том же порядке на рибосому, лишь заменив тиминна урацил. В рибосоме происходит сборка белков нанизыванием друг на друга аминокислот (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Порядок следования аминокислот в белке определяет тРНК (транспортная РНК), передающая исходный порядок следования нуклеотидных оснований в ДНК.

Но каким образом четыре нуклеотидных основания определяют, какую из 20 аминокислот необходимо брать при построении белка?

♦ Если бы каждое нуклеотидное основание задавало одну аминокислоту, можно было бы собрать лишь четыре аминокислоты.

♦ Если бы два нуклеотидных основания совместно зада вали одну аминокислоту, выходило бы 4 2 = 16 аминокислот.

♦ Если бы три нуклеотидных основания совместно задавали одну аминокислоту, можно было бы получить 4 3 = 64 аминокислоты, а этого более чем достаточно. Таким образом, кодон должен представлять собой триплет - три идущих вместе основания.

Троичная природа кодона нашла опытное подтверждение в 1961 году благодаря работе Фрэнсиса Крика.

Выяснением вопроса, какие триплеты нуклеотидных оснований определяют аминокислоты, занялся в 1961 году американский биохимик Маршалл Ниренберг, установивший, что УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин.

Последующие опыты Ниренберга и других ученых к 1966 году помогли установить полное соответствие между кодона-ми и аминокислотами.

В таблицах приводятся трехбуквенные кодоны и соответствующие им аминокислоты, присоединяемые к выстраиваемой РНК белковой молекуле, а также нуклеотидные основания РНК (У, Ц, А и Г), а не ДНК (Т, Ц, А и Г). Инициирующий [АУГ или ГУГ] и терминирующий [сокр. терм; это УАА (охра-кодон), УАГ (янтарь-кодон) и УГА (опал-кодон)] [трансляцию] кодоны указывают на начало и завершение транскрипции РНК.

	У	Ц	А	Г
У	УУУ = фен УУЦ = фен УУА = лей УУГ = лей	УЦУ = сер УЦЦ = сер УЦА = сер УЦГ = сер	УАУ = тир УАЦ = тир УАА = стоп УАГ = стоп	УГУ = цис УГЦ = цис УГА = стоп УГЦ = трп	У Ц А Г
Ц	ЦУУ = лей ЦУЦ = лей ЦУА = лей ЦУГ = лей	ЦЦУ =про ЦЦЦ = про ЦЦА = про ЦЦГ = про	ЦАУ = хиз ЦАЦ = хиз ЦЦА = глн ЦАГ = глн	ЦГУ = арг ЦГЦ = арг ЦГА = арг ЦГГ = арг	У Ц А Г
A	АУУ = иле АУЦ = иле АУА = иле АУГ = мет	АЦУ = тре АЦЦ = тре АЦА = тре АЦГ = тре	ААУ = асн ААЦ = асн ААА = лиз ААГ = лиз	АГУ = сер АГЦ = сер АГА = арг АГГ = арг	У Ц А Г
Г	ГУУ = вал ГУЦ = вал ГУА = вал ГУГ = вал	ГЦУ = ала ГЦЦ = ала ГЦА = ала ГЦГ = ала	ГАУ - асп ГАЦ = асп ГАА = гл ГАГ = глу	ГГУ = гли ГЦЦ = гли ГГА = гли ГГГ - гли	У Ц А Г

Заметим, что большинство аминокислот задается не одним кодоном. Такая избыточность нередко означает, что одна и та же аминокислота задается независимо от того, какое азотистое основание находится на третьем месте в кодоне. Поскольку именно третье положение часто неверно считывается, подобная избыточность сводит к минимуму последствия от ошибок в считывании.

СТАРТ		АУГ,	ГУГ	Лей	УУА,	УУГ,
ЦУУ,	ЦУЦ,
ЦУА,	ЦУГ
Ала	ГЦУ, ГЦЦ,	ГЦА, ГЦГ	Лиз	ААА,	ААГ
Apr	ЦГУ, ЦГЦ,	ЦГА, ЦГГ,	Мет	АУГ
	АГА, АГГ
Асн	ААУ, ААЦ		Фен	УУУ,	УУЦ
Асп	ГАУ, ГАЦ		Про	ЦЦУ,	ЦЦЦ,	ЦЦА,	ццг
Цис	УГУ, УГЦ		Сер	УЦУ,	УЦЦ,	УЦА,	УЦГ,
				АГУ,	АГЦ
Глн	ЦАА, ЦАГ		Тре	АЦУ,	АЦЦ,	АЦА,	АЦГ
Глу	ГАА, ГАГ		Три	УГГ
Гли	ГГУ, ГГЦ,	ГГА, ГГГ	Тип	УАУ,	УАЦ
Хиз	ЦАУ, ЦАЦ		Вал	ГУУ,	ГУЦ,	ГУА,	ГУ1
Иле	АУУ, АУЦ,	АУА	СТОП	УАГ,	УГА,	УАА