שאלות מנחות להוראת המאמר "פיתוח חיישן ביולוגי לאיתור חומרים הפוגעים בחומר התורשתי"
תמצית
- רשמו שאלות שהתעוררו אצלכם בעקבות קריאת התמצית.
- באיזה חלק של המאמר אתם מצפים למצוא להן תשובות? נמקו את קביעתכם.
מבוא
- אלו מקרים של זיהום סביבתי שאירעו בארץ ובעולם מוכרים לכם?
- העלו שלוש דוגמאות.
- מי עלול להיפגע מן הזיהום בכל אחד מהמקרים (בני אדם שבאו במגע עם החומר, יצורים החיים בסביבה הקרובה, מערכות אקולוגיות שלמות וכו')?
- חיישנים נמצאים הן ביצורים חיים והן במכשירים המוכרים לכם. באלו מערכות ביולוגיות וטכנולוגיות משולבים חיישנים?
א. השלימו את הטבלה הבאה
| מערכת ביולוגית | מערכת טכנולוגית | |
|---|---|---|
| הצפון המגנטי (דוגמא) | ציפורים נודדות | מצפן |
| ריכוז גלוקוז | תאי לבלב | |
| טמפרטורה | טרמוסטט של דוד שמש | |
| גלי קול |
ב. רשמו בטבלה הבאה כיצד מגיבות המערכות שציינתם לקליטת האות המשודר על ידי החיישן?
| מערכת ביולוגית | מערכת טכנולוגית | |
|---|---|---|
| הצפון המגנטי (דוגמא) | ||
| ריכוז גלוקוז | ||
| טמפרטורה | ||
| גלי קול |
5. במבוא מתוארות שתי גישות לניטור סביבתי: גישה כימית וגישה ביולוגית.
- סכמו בטבלה את יתרונותיהן וחסרונותיהן של שיטות הניטור הכימיות והביולוגיות.
- כיצד עונות שתי הגישות על הדרישות ממערכת ניטור יעילה, כפי שהן מופיעות במאמר?
- לאלו מקרים ולאלו צרכים הייתם משתמשים בשיטות הכימיות ובאלו מקרים הייתם מעדיפים את מבחני הרעילות הביולוגיים?
- הרעיון להשתמש ביצורים חיים כחיישנים ביולוגיים אינו חדש. כורי פחם נהגו לשאת עמם כנריות לתוך המכרות, משום שציפורים אלו רגישות מאוד לנוכחות הגז הרעיל CO. אם הקנרית שבכלוב הייתה מראה סימני מצוקה – מתנדנדת על הענף שבכלובה, או נופלת ממנו – הכורים היו יודעים שעליהם לעזוב את המכרה במהירות. אפילו בשנת 1995, כששוטרים יפנים פשטו על מתקנים של כת שביצעה פיגוע גז עצבים ברכבת תחתית בטוקיו, הם היו מצוידים בכלובים עם כנריות. במה שונה תגובת הכנריות מתגובתם של היצורים הרב תאיים המתוארים במבוא למאמר?
- שחריר הנחלים הוא חילזון מים, שיכול להתקיים רק במקורות מים העשירים בחמצן מומס. האם ניתן להשתמש בו כחיישן ביולוגי? כיצד ולאיזו מטרה?
- החיישן הביולוגי המתואר במאמר, מכיל חיידק שהונדס גנטית כך שיגיב בצורה נראית לנוכחותם של חומרים הפוגעים בחומר התורשתי. לו רצו החוקרים ליצור חיישן ביולוגי המגיב לסוג אחר של חומרים, כמו מתכות כבדות, איזה חלק בחיידק המהונדס היה צריך לשנות?
- אם ברצונכם להנדס חיידק שיגיב לנוכחות כספית בקרקע, מאיזה אורגניזם תבודדו את אזור הבקרה המתאים? מאיזה סוג של קרקע תבודדו את האורגניזם שהזכרתם? הסבירו.
- לו הייתם מהנדסים חיישן ביולוגי , כמו זה שמתואר במאמר, האם הייתם משתמשים באזור בקרה הפועל כל הזמן או באזור בקרה שפועל רק בתגובה לאירוע מסוים? נמקו.
- לפניכם שני היגדים ותגובות של תלמידים להיגדים אלו. בחרו את התגובה שנראית לכם ביותר, והסבירו מדוע בחרתם בתגובה זו. התייחסו לנכונות העובדות המובאות ולרלוונטיות שלהם להסבר שניתן להיגד. (יכולה להיות יותר מתשובה נכונה אחת):
היגד א: לשיטות הניטור הכימיות יש מאה אחוזי הצלחה, לעומת השיטות הביולוגיות, שעליהן לא תמיד אפשר לסמוך.
- נכון, כי חיישנים ביולוגיים שונים זה מזה, אז כל אחד מגיב לרעל אחר ולכן השיטות הביולוגיות תלויות ביצור.
- נכון, יתכנו מקרים נדירים בהם לחיישנים הביולוגיים יש מוטציות שמגנות עליהם מהשפעת החומרים הרעילים והם לא יושפעו מהם. לעומת זאת, חומרים כימיים תמיד יגיבו עם חומרים אחרים באותה הצורה.
- לא נכון, לאף אחת מהשיטות אין מאה אחוזי הצלחה. בשיטות הכימיות יכולים לא לגלות את החומר המזהם כי פשוט לא עשו את הבדיקה הנכונה.
היגד ב: אוכלוסיה אחידה (הומוגנית) של חיידקים המשמשים כחיישנים מקנה למערכת הניטור יתרון.
- נכון, יתרונה של אוכלוסייה אחידה בכך שהשפעת החומרים עליה תהיה זהה בכל האוכלוסיה. כך קל יותר לכייל את המערכת.
- לא נכון, כי כל חיידק עומד בפני עצמו והוא זוהר בלי קשר לשאר האוכלוסייה.
- לא נכון, הומוגניות היא דווקא חסרון, כי צריך לבדוק מספר אוכלוסיות של חיידקים, כדי לוודא שאוכלוסיית החיידקים בה השתמשנו אינה פגומה מבחינה גנטית בדרך זו או אחרת.
שיטות וחומרים
- מידת ההארה של החיידקים בוטאה במאמר כיחס בין ההארה של החיידקים, שנחשפו לחומרים גנוטוקסיים, להארה של קבוצת הביקורת שלא נחשפה לחומרים אלו.
- כיצד נמדדת מידת ההארה של קבוצת הביקורת?
- מדוע החיידקים בקבוצת הביקורת מאירים אם הם לא נחשפו לחומרים הפוגעים בחומר התורשתי שלהם?
- מאמרים מדעיים הם הדרך בה המדענים מתקשרים זה עם זה ומדווחים לשאר הקהילה המדעית על התוצאות שהשיגו במחקריהם. המאמר נכתב כך שמדענים אחרים יוכלו לחזור על הניסוי. המאמר שבידיכם הוא מאמר מדעי שתורגם לעברית ועובד כך שיתאים לתלמידי תיכון. איזה מידע שאינו מופיע במאמר זה הייתם מצפים למצוא בפרק השיטות וחומרים במאמר המקורי? מדוע?
- lux הוא לא הגן היחיד הפולט אור, והוא גם לא הגן היחיד בו משתמשים להנדסה גנטית של יצורים מאירים. במדוזה, למשל, יש גן המייצר את החלבון הזוהר GFP. החלבון GFP זוהר ללא צורך בפעילות אנזימטית וללא השקעת אנרגיה. lux נקרא אופרון מאיר משום שהוא יוצר את האור ללא תלות בגורמים נוספים. GFP, לעומת זאת, נקרא חלבון זוהר כי הוא פולט אור רק כשמאירים עליו, ובאורך גל שונה. יש עוד כמה הבדלים בין שני הגנים המדווחים: האופרון המדווח lux יוצר את האנזים לוציפראז שמפיק אור. הפעילות האנזימטית מהירה יותר בהשוואה לחיישנים ביולוגיים על בסיס GFP בהם על החלבון הזוהר להצטבר בתא. מצד שני, לשימוש בחלבון יציב, כמו החלבון , GFPיש גם יתרונות לעומת השימוש באופרון lux . האנזים לוציפראז מפיק אור תוך כדי השקעת אנרגיה, כך שדווקא בריכוזים גבוהים של חומרים גנוטוקסיים בהם החיידקים מתחילים למות, ההארה פוחתת ויש סכנה שהמזהמים לא יתגלו. לעומת זאת, החלבון GFP ממשיך לזהור גם בחיידקים מתים. זאת ועוד; הפעילות של האנזים לוציפראז דורשת נוכחות חמצן, לכן החיישנים הביולוגיים לא יוכלו לתפקד בסביבה אנארובית, לעומת חיישנים ביולוגיים המתבססים על החלבון GFP.
א. השוו בטבלה בין תכונותיהם של שני הגנים המדווחים:קריטריונים להשוואה / גן מדווח lux GFP מקור הגן השקעת אנרגיה מהירות תגובה תגובה בריכוזי מזהמים גבוהים נוכחות חמצן ב. באלו מהמקרים הבאים תעדיפו להשתמש ב GFP ובאלו תעדיפו את הגן המייצר לוציפראז, כשאתם מתכננים חיישן ביולוגי לגילוי מזהמים?
- חיילים הגיעו לגדת נהר. עליהם לדעת אם מותר להם לחצות את הנהר ולבוא במגע עם המים. גורם הזמן משמעותי מאוד.
- מקור מודיעיני מורה על כך שחומר רעיל מרוכז מאוד הוסווה בחנות לחומרי בניין בתוך אחד מפחי הצבע.
- פעילי איכות הסביבה טוענים כי הזרמת שפכים ממפעלים סמוכים יצרה זיהום סביבתי במעמקי הירקון. בעומק חלק זה של הירקון שוררים תנאים אנאירובים.
תוצאות
- גרף 2 מתאר את תוצאות הניסוי בחיידק המוטנטי – tolC.
- מה יתרונו של מוטנט זה כחיישן ביולוגי?
- מדוע מוטנט זה אינו נפוץ בטבע?
- מה יכול להסביר את ההבדל בתגובתו של המוטנט לחומרים הגנוטוקסיים: מי חמצן ומיטומיצין C?
- גרף 3 מתאר את התוצאות של אחסון החיידקים לזמן ממושך.
- אלו תכונות הייתם מצפים למצוא בחיישנים ביולוגיים שהם מוצר מדף?
- מדוע היה צריך לאחסן את החיידקים בקירור, ולא בטמפרטורת החדר?
- האם תוצאות הניסוי מצביעות על כך שהחיידקים מתאימים לשמש כחיישנים ביולוגיים כעבור שישים ימי אחסון בקירור? נמקו.
- לפניכם היגד ותגובות של תלמידים. בחרו את התשובה שנראית לכם ביותר, והסבירו מדוע: בניסוי האחסון לזמן ממושך לא היה בעצם צורך לשמור את החיידקים בקירור, משום שהם יכולים פשוט להמשיך ולהתחלק לאורך תקופה ארוכה.
- לא נכון, החיידקים מוגבלים במקום ובמשאבים והמושבה היתה מתה.
- לא נכון, חיידקים לא יכולים להמשיך ולהתחלק במשך תקופה ארוכה כי משך זמן החיים שלהם מאוד קצר. אם נאט את פעילות החיים שלהם, הם יחיו לאורך יותר זמן.
- נכון, ניסוי האחסון נועד להראות את יעילותם ותגובתם של אותם חיידקים לאחר זמן ממושך בקירור. אך הם יכולים להתקיים גם בלי קירור.
- לא נכון, זו הטמפרטורה שהיתה נוחה לאנזימי הזהירה שנלקחו מחיידק אחר.
- טווח-הטמפרטורות בו פועל coli שונה מזה של V.fischeri , החיידק ממנו נלקח האופרון lux, המקודד לאנזימי הזהירה.
- לאור מידע זה, איך ייתכן שהחיישן הביולוגי פועל?
- לאלו בעיות עלול לגרום טווח הטמפרטורות השונה של coli ו V.fischeri?
- במאמר מתארים החוקרים כיצד ניסו לפתח חיישן ביולוגי לניטור סביבתי. במהלך המחקר הם ניסו לפתור מספר בעיות ולספק את דרישות מערכת הניטור. השלימו את הטבלה הבאה:
| דרישות מערכת הניטור | ניסוי/שיטה/פעולת החוקרים | האם נמצא פתרון? |
|---|---|---|
| תגובה מהירה | ||
| גילוי מגוון רעלים | ||
| רגישות גבוהה | ||
| ניטור מתמשך | ||
| חיי מדף ארוכים | ||
| זיהוי רעלים בתערובת |
- תכננו ניסוי על מנת למצוא את מהירות התגובה של החיישן לאחר אחסון בארבע מעלות.
- תכננו ניסוי שיראה אם החיישן יכול לנטר חומרים גנוטוקסיים בתערובת.
דיון
- בסוף הדיון מסייגים החוקרים את דבריהם, ואומרים כי אין לקבל תוצאה שלילית במבחן הרעילות שהם פתחו, כהכשר תברואתי לשימוש במים על ידי בני אדם.
- ממה יכולה לנבוע הסתייגות זו?
- כיצד מציעים החוקרים להתגבר על הבעיה? כיצד מועיל הפתרון שהם מציעים לפתרון הבעיה?
- מדוע לדעתכם לא משתמשים החוקרים רק בתאים ממקור אנושי ובכך פותרים את הבעיה?
- החוקרים ציינו כי דרוש מחקר נוסף בטרם תוכל המערכת להיכנס לשימוש מסחרי.
- אילו ניסויים נוספים הייתם עורכים במטרה להכניס את המערכת לשימוש מסחרי?
- בחרו את אחד הניסויים ופרטו לגביו: מהי השערת המחקר וכיצד יש לבדוק אותה.
- אחד היישומים של חיישנים ביולוגיים הוא גילוי חומר נפץ וכן זיהוי רמות גבוהות מהמותר של מזהמים בקרקעות ששמשו בעבר לתעשייה ועתה מיועדות לבנייה.
- באיזה אזור בקרה, גן מדווח ויצור מארח הייתם בוחרים כדי ליצור חיישן ביולוגי המתאים לגילוי מוקשים בקרקע?
- באיזה אזור בקרה, גן מדווח ויצור מארח הייתם בוחרים כדי ליצור חיישן ביולוגי המתאים לגילוי מזהמים בקרקעות?
- הציעו עוד יישומים לחיישנים ביולוגיים.
- מחקר מדעי מעלה בדרך כלל יותר שאלות מאילו שהוא עונה עליהן.
- נסחו לפחות שלוש שאלות, שיעניין אתכם לדעת את התשובה עליהן בנוגע לנושאים שהועלו במאמר.
- מבין השאלות שהעלתם בתשובה לשאלה הקודמת, אלו מהן ניתן לחקור באופן מדעי?
- אתם עורכי כתב עת מדעי, והמאמר שקראתם מוגש אליכם לפרסום. האם יש לכם ביקורת מדעית על עבודתם של החוקרים? האם יש נקודות שתבקשו מהם להבהיר?
- לפניכם ביקורת שהעלו תלמידים שקראו את המאמר. התייחסו לכל אחת מההערות וציינו האם אתם מסכימים איתן באופן מלא, חלקי או כלל לא, ומדוע.
- בניסוי שתואר בגרף 2 לא הייתה קבוצת ביקורת.
- לא צוין שכל הניסויים נערכו באותם התנאים – רמת חומציות של המים, טמפרטורה, לחות ועוד.
- ייתכן שתוצר הגן lux מעכב בדרך כלשהי את תגובת החיידקים לרעלים.
- היה צריך לחבר גנים מדווחים מסוגים שונים ולהשוות את תגובות החיידקים לשפכים המטוהרים.
- כשהשפכים לא יהיו בטמפרטורה האופטימלית של אנזים ההארה הוא לא יתפקד.
- אין דרך לדעת אם החיידקים לא מאירים פשוט משום שהחומר הנבדק הרג אותם.
- לפעמים חיידקים מאבדים את הפלסמיד שלהם במהלך החלוקה ואז אי אפשר לדעת אם החיידקים לא שינו את התכונות שלהם עוד לפני הכנסתם למים.
