Тема 10. ІННОВАЦІЇ

матеріал 34

204. Генетична інженерія. Механізми редагування геному.

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок №204. Генетична інженерія. Механізми редагування геному.

Очікувані результати навчання:

Пояснює, як досягнення природничих наук, техніки і технологій можуть впливати на життя і здоров’я людини – [12 ПРО 3.4.1]
Наводить приклади впливу сучасних біотехнологій на суспільство та довкілля – [12 ПРО 3.4.1-1]
Оцінює потенційні ризики та переваги застосування сучасних технологій у медицині, сільському господарстві, промисловості – [12 ПРО 3.4.1-2]
Установлює причинно-наслідкові зв’язки між діяльністю людини у сфері біотехнологій та змінами в екосистемах – [12 ПРО 3.3.1-1]
Обґрунтовує власне ставлення до етичних дилем, пов’язаних із використанням досягнень природничих наук – [12 ПРО 4.4.1]
Пропонує у співпраці з іншими можливі шляхи вирішення проблем, пов’язаних з використанням генетичної інженерії, з урахуванням принципів сталого розвитку – [12 ПРО 3.4.1-1 П]

Місце уроку в темі: Це продовження теми «Генетична інженерія». Якщо перший урок дав загальне уявлення і приклади, цей урок є глибшим занурення у те як саме працюють сучасні інструменти (на концептуальному рівні), які існують типи застосувань (медицина, контроль шкідників), і розмови про те як суспільство має регулювати ці технології.

Проблема уроку: Як знайти баланс між науковим прогресом (лікування хвороб, продовольча безпека) і етичними, екологічними та соціальними ризиками, коли інструменти редагування геному стають простішими та потужнішими?

Цілі сталого розвитку:

Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:

ЦСР 3. Міцне здоров’я і благополуччя
ЦСР 2. Подолання голоду
ЦСР 15. Збереження екосистем суші
ЦСР 16. Мир і справедливість

Ключові слова: CRISPR–Cas9, Cas12, соматична терапія – гермінальна терапія, біоетика, регулювання.

План уроку:

Мотивація (5 хв)
Теоретичний блок (10 хв)
Життєва ситуація (15 хв)
Самостійна практика (10 хв)
Рефлексія (5 хв).
Додаткові джерела (після уроку).

Очікувані результати для учнівства:

Я пояснюю відмінності між соматичною і гермінальною редагуванням геному та навожу приклади, де кожен підхід може бути застосований.
Я аналізую потенційні вигоди й ризики конкретного застосування і вмію сформулювати аргументи «за» і «проти».
Я пропоную практичні заходи з мінімізації ризиків та оцінюю їх доцільність у конкретному прикладі.

Очікувані результати для вчителя:

Учнівство розрізняє соматичні й гермінальні підходи та правильно пов’язує їх з практичними прикладами застосувань і наслідків.
Учнівство вміє зважено оцінювати наукові, екологічні й етичні аргументи в реалістичному прикладі та формулювати збалансовану рекомендацію для прийняття рішення.
Учнівство демонструє навички критичного мислення: виявляє ключові джерела ризику, пропонує заходи контролю та аргументовано відстоює вибір політики.

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 2 хвилин

Мотивація:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 5 хв.
🎯Мета:

Підвести учнів до усвідомлення, що генетична інженерія – це не тільки питання розвитку технологій, а й питання етики, політики та довгострокових наслідків.

Показати відмінність між соматичним і гермінальним підходами, а також ризики застосування ген-драйвів.

Створити емоційний та інтелектуальний «гачок» для подальшого занурення у тему.

🛠 Як провести:

Розкажіть про кожен приклад без наукових деталей протоколів – акцент на ідеї та потенційних наслідках.

Запропонуйте учням об’єднатись у пари або малі групи для швидкого обговорення запитань.

Попросіть кілька груп озвучити свої висновки, не розкриваючи «правильної» відповіді – головне підкреслити різні точки зору.

❓ Запитання для дискусії:

Чи повинна держава дозволяти зміни ДНК ембріонів?

Як би ви пояснили різницю між лікуванням і «покращенням» геному людини?

Чи мають вчені право запускати в природу генетично змінених організмів без згоди на це всього світу?

Уявіть, що ви члени міжнародної біоетичної комісії.
На стіл лягають три пропозиції:

Вилікувати спадкову хворобу у дитини за допомогою редагування ДНК у клітинах її організму (соматична терапія) – ефект буде лише для цієї дитини.
Внести зміни у ДНК ембріонів, щоб майбутні покоління не мали цієї хвороби (гермінальна терапія) – зміни передадуться нащадкам.
Запустити у природу комарів із ген-драйвом, щоб знищити тих комах, які переносять збудника малярії (малярійного плазмодія) – технологія може змінити всю популяцію у дикій природі.

Кожен проєкт має на меті врятувати життя. Але кожен несе свої ризики, і ніхто не може передбачити все.

Рис. 1. Порівняння соматичного і гермінального редагування геному. Джерело: TheGist

Рис. 2. Схема поширення ген-драйву в популяції комарів.
Джерело: Wikimedia Commons

💬 Обговоріть у парах:

Який із цих трьох проєктів ви б підтримали в першу чергу?
Які запитання треба поставити, перш ніж ухвалити рішення?
Чи можна виміряти «користь» і «ризик» у таких ситуаціях?

Тобі може знадобитися:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 10 хв.
🎯 Мета:

Ознайомити учнів із ключовими інструментами редагування геному на зрозумілих прикладах.

Пояснити відмінності між методами та їх можливі наслідки.

Підготувати базу для дискусій про етичні аспекти і регулювання.

Як провести:

Пояснюйте, уникаючи складних деталей – наголосіть на принципі роботи і сферах застосування.

Використайте порівняння для узагальнення (метод – принцип – застосування – приклад).

Поставте уточнюючі запитання після кожного пункту, щоб переконатись, що учні розуміють різницю між технологіями.

Запитання для обговорення:

Чому не всі методи підходять для клінічного застосування?

Як ви думаєте, який із методів матиме найбільший вплив на сільське господарство?

Сучасні можливості генетичної інженерії – це набір інструментів, здатних змінювати ДНК з точністю, яка ще 20 років тому здавалась фантастикою. Кожен метод має свої сильні сторони, ризики і межі застосування.

1. CRISPR–Cas9 – «молекулярні ножиці»

Система, «запозичена» у бактерій, що розпізнає конкретні ділянки ДНК і «розрізає» їх.
Далі клітина сама «лататиме» розрив – або з помилками (вимкнення гена), або з вбудованим новим фрагментом (виправлення чи додавання гена).

Використовується для:

лікування спадкових хвороб (дослідні проєкти для серповидно-клітинної анемії);
вивчення функцій генів;
створення ГМО-рослин з підвищеною стійкістю.

2. Base editing – «точкові редактори»

Технологія, яка дозволяє змінити одну «букву» (нуклеотид) ДНК без розрізання подвійної спіралі.
Це значно зменшує ризик небажаних змін.

Використовується для:

виправлення точкових мутацій;
дослідження дрібних змін, що впливають на роботу білків.

Рис. 3. Порівняння CRISPR–Cas9 і base editing. Джерело: Labroots

3. Prime editing – «пошук і заміна»

Сучасніша модифікація, яка дозволяє не лише точково змінювати ДНК, а й вставляти чи видаляти фрагменти з великою точністю – як функція «find&replace» у текстовому редакторі типу Microsoft Word.

Використовується для:

складних генетичних виправлень без розривів подвійної спіралі ДНК;
корекції хвороботворних мутацій у лабораторних моделях.

Рис. 4. Механізм prime editing. Джерело: CloudFront

🦟 4. Ген-драйви – «ефект доміно» в природі

Технологія, яка змушує певний ген поширюватися у популяції набагато швидше за звичайні закони спадковості. Наприклад, щоб у більшості комарів з’явився ген, який робить їх неспроможними переносити малярію.
Використовується для:

боротьби з хворобами, що переносяться комахами;
контролю поширення інвазивних видів.

⚖️ 5. Соматична і гермінальна терапія

Соматична – зміни ДНК тільки в клітинах тіла пацієнта, не передаються нащадкам.

Гермінальна – зміни ДНК в клітинах, з яких розвиваються статеві клітини або ембріон – зміни успадковуються.

Рис. 5. Відмінності соматичної та гермінальної терапії. Джерело: GeneticEducation

Попрактикуймо самостійно:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 10 хв.
🎯 Мета блоку:

Навчити учнів системно оцінювати наукові інновації з позиції науки, етики, екології та суспільства.

Розвивати аргументаційні навички та вміння працювати з реальними кейсами.

Ознайомити з сучасними напрямами генетичної інженерії, які обговорюються і в Україні.

🛠 Як організувати:

Запропонуйте учням за потреби знайти інформацію в інтернеті, та спиратись на джерела.

Після заповнення таблиці дайте можливість охочим презентувати свої результати у «бліц»-форматі.

Підсумуйте, наголосивши, що у світі рідко бувають прості рішення – важливе зважування ризиків і вигод.

Ви працюєте в міжнародній дослідницькій групі, яка консультує держави щодо застосування генетичних технологій. На розгляд винесено три реальні сценарії, які зараз обговорюються у світі, зокрема в Україні. Ваше завдання – проаналізувати їх, визначити ризики й вигоди, а також дати рекомендацію.

Сценарій А – Соматична генна терапія для лікування рідкісного захворювання м’язів

Технологія CRISPR використовується лише для клітин м’язів пацієнта. Редагування не передається нащадкам. Перші випробування в Україні дали позитивний результат у 70% пацієнтів, але деякі мали побічні ефекти – запалення і часткову втрату рухливості.

Рис. 9. Схема доставки CRISPR у клітини м’язів. Джерело: Amazon

Сценарій B – Редагування геному ембріонів для запобігання генетичній хворобі

Подружжя в Україні носить однакову мутацію, яка призводить до важкої вродженої вади серця.
Вони хочуть, щоб дитина була здоровою. Редагування відбувається на стадії ембріона, зміни передаються наступним поколінням. Питання безпеки й етики викликає гостру дискусію в суспільстві.

Рис. 10. Візуалізація редагування ДНК ембріона. Джерело: EuroStemCell

Сценарій C – Ген-драйв для боротьби з кліщами-переносниками енцефаліту

У Карпатах зростає кількість випадків кліщового енцефаліту. Вчені пропонують випустити кліщів із геном, який робить їх неспроможними переносити вірус. Це може зменшити кількість хворих, але існують ризики для місцевої екосистеми.

Рис. 11. Як ген-драйв змінює популяцію переносників хвороб. Джерело: Provider

Ваше завдання:

Проаналізуйте кожен сценарій за чотирма критеріями:
Потенційна вигода для суспільства
Короткострокові ризики
Довгострокові ризики
Можливі альтернативи

Заповніть таблицю:

Сценарій	Вигода	Ризики короткострокові	Ризики довгострокові	Альтернативи	Ваш висновок
А
B
C

Напишіть коротку рекомендацію (3–4 речення) щодо впровадження для одного з сценаріїв:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рефлексія:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 5 хв.
Діяльність учителя:

Дайте можливість кільком учням озвучити свої висновки, обравши як тих, хто впевнений, так і тих, хто сумнівається.

Підкресліть, що генетична інженерія – це інструмент, а не «добро» чи «зло».
Важливими є правила, етика та контроль.

Зв’яжіть тему уроку з майбутніми професіями: «Сьогодні у світі вже є генетичні консультанти, біоетики та інженери з безпеки біотехнологій».

На завершення уроку важливо зупинитися й замислитися, що ви відчуваєте та думаєте про майбутнє генетичних технологій.
📝 Індивідуальна робота:
Запишіть три головні ідеї з уроку, які вас найбільше вразили або змусили замислитись.

__________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________

Уявіть, що ви журналіст, який пише коротку замітку в соцмережах. Сформулюйте одне речення, яке пояснить людям, чому генетична інженерія може бути корисною чи небезпечною.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Доповніть речення:
«Я вважаю, що редагування геному слід дозволяти, якщо…»

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

«Найбільший ризик впровадження генетичних технологій у тому, що…»

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Визначте свій рівень розуміння теми, обравши кількість ДНК-емодзі:

🧬🧬🧬🧬🧬🧬🧬🧬🧬🧬

У вільний від відпочинку час:

Відео:

• «The ethical dilemma of designer babies» – TedTalks

Відео

• «The bold plan to end malaria with a gene drive» – Vox

Відео

• «Genetic Engineering and Diseases – Gene Drive & Malaria» – KurzGesagt

Відео

📖 Для читання:

Стаття «Персоналізована генна терапія: як редагування ДНК врятувало життя дитини» – NewsSky
Стаття «Технологія редагування генів, яка може змінити наше майбутнє» – ВВС Україна

Завантажити матеріал (PDF)

Урок №204. Генетична інженерія. Механізми редагування геному.

Очікувані результати навчання:

Місце уроку в темі: Це продовження теми «Генетична інженерія». Якщо перший урок дав загальне уявлення і приклади, цей урок є глибшим занурення у те як саме працюють сучасні інструменти (на концептуальному рівні), які існують типи застосувань (медицина, контроль шкідників), і розмови про те як суспільство має регулювати ці технології.

Проблема уроку: Як знайти баланс між науковим прогресом (лікування хвороб, продовольча безпека) і етичними, екологічними та соціальними ризиками, коли інструменти редагування геному стають простішими та потужнішими?

Цілі сталого розвитку:

Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:

ЦСР 3. Міцне здоров’я і благополуччя
ЦСР 2. Подолання голоду
ЦСР 15. Збереження екосистем суші
ЦСР 16. Мир і справедливість

Ключові слова: CRISPR–Cas9, Cas12, соматична терапія – гермінальна терапія, біоетика, регулювання.

План уроку:

Мотивація (5 хв)
Теоретичний блок (10 хв)
Життєва ситуація (15 хв)
Самостійна практика (10 хв)
Рефлексія (5 хв).
Додаткові джерела (після уроку).

Очікувані результати для учнівства:

Я пояснюю відмінності між соматичною і гермінальною редагуванням геному та навожу приклади, де кожен підхід може бути застосований.
Я аналізую потенційні вигоди й ризики конкретного застосування і вмію сформулювати аргументи «за» і «проти».
Я пропоную практичні заходи з мінімізації ризиків та оцінюю їх доцільність у конкретному прикладі.

Мотивація:

Уявіть, що ви члени міжнародної біоетичної комісії.
На стіл лягають три пропозиції:

Вилікувати спадкову хворобу у дитини за допомогою редагування ДНК у клітинах її організму (соматична терапія) – ефект буде лише для цієї дитини.
Внести зміни у ДНК ембріонів, щоб майбутні покоління не мали цієї хвороби (гермінальна терапія) – зміни передадуться нащадкам.
Запустити у природу комарів із ген-драйвом, щоб знищити тих комах, які переносять збудника малярії (малярійного плазмодія) – технологія може змінити всю популяцію у дикій природі.

Кожен проєкт має на меті врятувати життя. Але кожен несе свої ризики, і ніхто не може передбачити все.

💬 Обговоріть у парах:

Який із цих трьох проєктів ви б підтримали в першу чергу?
Які запитання треба поставити, перш ніж ухвалити рішення?
Чи можна виміряти «користь» і «ризик» у таких ситуаціях?

Тобі може знадобитися:

Сучасні можливості генетичної інженерії – це набір інструментів, здатних змінювати ДНК з точністю, яка ще 20 років тому здавалась фантастикою. Кожен метод має свої сильні сторони, ризики і межі застосування.

1. CRISPR–Cas9 – «молекулярні ножиці»

Система, «запозичена» у бактерій, що розпізнає конкретні ділянки ДНК і «розрізає» їх.
Далі клітина сама «лататиме» розрив – або з помилками (вимкнення гена), або з вбудованим новим фрагментом (виправлення чи додавання гена).

Використовується для:

лікування спадкових хвороб (дослідні проєкти для серповидно-клітинної анемії);
вивчення функцій генів;
створення ГМО-рослин з підвищеною стійкістю.

2. Base editing – «точкові редактори»

Технологія, яка дозволяє змінити одну «букву» (нуклеотид) ДНК без розрізання подвійної спіралі.
Це значно зменшує ризик небажаних змін.

Використовується для:

виправлення точкових мутацій;
дослідження дрібних змін, що впливають на роботу білків.

3. Prime editing – «пошук і заміна»

Сучасніша модифікація, яка дозволяє не лише точково змінювати ДНК, а й вставляти чи видаляти фрагменти з великою точністю – як функція «find&replace» у текстовому редакторі типу Microsoft Word.

Використовується для:

складних генетичних виправлень без розривів подвійної спіралі ДНК;
корекції хвороботворних мутацій у лабораторних моделях.

🦟 4. Ген-драйви – «ефект доміно» в природі

Технологія, яка змушує певний ген поширюватися у популяції набагато швидше за звичайні закони спадковості. Наприклад, щоб у більшості комарів з’явився ген, який робить їх неспроможними переносити малярію.
Використовується для:

боротьби з хворобами, що переносяться комахами;
контролю поширення інвазивних видів.

⚖️ 5. Соматична і гермінальна терапія

Соматична – зміни ДНК тільки в клітинах тіла пацієнта, не передаються нащадкам.

Гермінальна – зміни ДНК в клітинах, з яких розвиваються статеві клітини або ембріон – зміни успадковуються.

Попрактикуймо самостійно:

Ви працюєте в міжнародній дослідницькій групі, яка консультує держави щодо застосування генетичних технологій. На розгляд винесено три реальні сценарії, які зараз обговорюються у світі, зокрема в Україні. Ваше завдання – проаналізувати їх, визначити ризики й вигоди, а також дати рекомендацію.

Сценарій А – Соматична генна терапія для лікування рідкісного захворювання м’язів

Технологія CRISPR використовується лише для клітин м’язів пацієнта. Редагування не передається нащадкам. Перші випробування в Україні дали позитивний результат у 70% пацієнтів, але деякі мали побічні ефекти – запалення і часткову втрату рухливості.

Сценарій B – Редагування геному ембріонів для запобігання генетичній хворобі

Подружжя в Україні носить однакову мутацію, яка призводить до важкої вродженої вади серця.
Вони хочуть, щоб дитина була здоровою. Редагування відбувається на стадії ембріона, зміни передаються наступним поколінням. Питання безпеки й етики викликає гостру дискусію в суспільстві.

Сценарій C – Ген-драйв для боротьби з кліщами-переносниками енцефаліту

У Карпатах зростає кількість випадків кліщового енцефаліту. Вчені пропонують випустити кліщів із геном, який робить їх неспроможними переносити вірус. Це може зменшити кількість хворих, але існують ризики для місцевої екосистеми.

Ваше завдання:

Проаналізуйте кожен сценарій за чотирма критеріями:
Потенційна вигода для суспільства
Короткострокові ризики
Довгострокові ризики
Можливі альтернативи

Заповніть таблицю:

Сценарій	Вигода	Ризики короткострокові	Ризики довгострокові	Альтернативи	Ваш висновок
А
B
C

Напишіть коротку рекомендацію (3–4 речення) щодо впровадження для одного з сценаріїв:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рефлексія:

На завершення уроку важливо зупинитися й замислитися, що ви відчуваєте та думаєте про майбутнє генетичних технологій.
📝 Індивідуальна робота:
Запишіть три головні ідеї з уроку, які вас найбільше вразили або змусили замислитись.

__________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________

Уявіть, що ви журналіст, який пише коротку замітку в соцмережах. Сформулюйте одне речення, яке пояснить людям, чому генетична інженерія може бути корисною чи небезпечною.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Доповніть речення:
«Я вважаю, що редагування геному слід дозволяти, якщо…»

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

«Найбільший ризик впровадження генетичних технологій у тому, що…»

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Визначте свій рівень розуміння теми, обравши кількість ДНК-емодзі:

🧬🧬🧬🧬🧬🧬🧬🧬🧬🧬

У вільний від відпочинку час:

Відео:

• «The ethical dilemma of designer babies» – TedTalks