Использование интерактивных педагогических технологий в преподавании биотехнологии и генной инженерии

В связи с интенсивным развитием биотехнологии и генной инженерии, важным этапом в подготовке специалистов по данному направлению является обучение с различных, направленных на наиболее полное и осмысленное понимание изучаемого материала. В качестве одной из таковых является модель интерактивного обучения студентов.

Как известно, люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Собственно, сам термин «биотехнология» появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов [1].

На пути развития биотехнологии стоят немалые трудности, связанные с исключительной сложностью организации живого. Любой биообъект — это целостная система, в которой нельзя изменить ни один из элементов, не меняя остальных, нельзя произвольно перекомбинировать их, придавая организму то или иное желаемое свойство, например, бактерии — способность к сверхсинтезу требуемой аминокислоты, сельскохозяйственному растению — устойчивость к фитопатогенным грибкам. Любое воздействие на объект вызывает не только желаемые, но и побочные эффекты; перестройка генома сказывается сразу на многих признаках организма. У человека существуют гены, отвечающие за злокачественное перерождение клеток. Высказывалось немало идей о необходимости превентивных генетических операций, пока не было установлено, что эти гены необходимы и для нормального роста [2].

В последние годы под термином биотехнология понимается производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток: клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы как рибонуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки — чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки.

Сегодня большое внимание уделяют вирусным заболеваниям растений. Наряду с болезнями, оставляющими видимые следы на культурных растениях (мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие урожайность сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырождению [3].

Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренных вредоносных агентов включают:

• 1) выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам;
• 2) химические средства борьбы (пестициды) с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды), нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, вирусами;
• 3) биологические средства борьбы с вредителями, использование их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами.

Наряду с защитой растений ставится задача повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормовой) ценности, задача создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах. Разработки нацелены на повышение энергетической эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от поглощения кванта света и кончая ассимиляцией СО2 и водно-солевым обменом.

Традиционные подходы к выведению новых сортов растений — это селекция на основе гибридизации, спонтанных и индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отдаленного будущего включают генетическую и клеточную инженерию.

Генетическую инженерию предлагают использовать для выведения азотфиксирующих растений. В природных условиях азотфиксирующие клубеньковые бактерии, представители рода Rhizobium, вступают в симбиоз с бобовыми. Комплекс генов азотфиксации из этих или иных бактерий предлагают включить в геном злаковых культур. Планируют модификацию генома Agrobacterium, чтобы бактерия могла вступать в симбиоз со злаками и передавать им генетическую информацию. Важное место в выведении новых сортов растений занимает метод культивирования растительных клеток in vitro. Регенерируемая из таких клеток «молодая поросль» состоит из идентичных по генофонду экземпляров, сохраняющих ценные качества избранного клеточного клона. В Австралии из культивируемых in vitro клеточных клонов выращивают красные камедные деревья (австралийские эвкалипты), отличающиеся способностью расти на засоленных почвах.

Клонирование клеток — перспективный метод получения не только новых сортов, но и промышленно важных продуктов. Иммобилизация растительных клеток или протопластов нередко ведет к повышению их синтетической активности. Большое значение в связи с интенсификацией животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с применением рекомбинантных живых вакцин и генно-инженерных вакцин-антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с помощью моноклональных антител и ДНК/РНК-проб [2].

Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов — бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице. Добавление к растительным кормам биомассы Scenedesmus позволяет резко повысить эффективность усвоения белков животными.

Еще одним инновационным направлением биотехнологии является технологическая биоэнергетика — одно из направлений, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путем:

• 1) превращения биомассы, накопленной в результате фотосинтеза в дешевое и высококалорийное топливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.;
• 2) модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2 и синтеза компонентов клетки.

На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии Солнца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии). Так, в Японии получен штамм Anabaena sp., который осуществляет биофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н₂, О₂ и N₂. На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU₂ с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также каталитическую активность целых клеток, например Е. coli, В.subtilis, P. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы [4].

Нет такого экспериментального подхода или исследовательского направления в биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всех наук. Здесь мы остановимся лишь на основных моментах.

Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их рост или полностью подавляющих развитие. Далеко не все из этих соединений, число которых приближается к 5000, допущены для применения в медицине. Важной задачей является повышение эффективности биосинтеза известных антибиотиков.

Многообещающим подходом служит инкапсулирование антибиотиков, в частности их включение в липосомы, что позволяет прицельно доставлять препарат только к определенным органам и тканям, повышает его эффективность и снижает побочное действие. Этот подход применим и для других лекарственных препаратов. Например, кала-азар, болезнь, вызываемая лейгшманией, поддается лечению препаратами сурьмы. Однако лечебная доза этих препаратов токсична для человека. В составе липосом препараты сурьмы избирательно доставляются к органам, пораженным лейшманией, — селезенке и печени.

Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последние годы в направлении синтеза пептидных гормонов. Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. Эта болезнь вызвана дефицитом инсулина и проявляется повышением уровня глюкозы в крови. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1−3 аминокислотными заменами, так что возникала угроза аллергических реакций, особенно у детей. Широкомасштабное терапевтическое применение инсулина сдерживалось его высокой стоимостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модификации инсулин из животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означало дополнительное удорожание продукта. биотехнология генная инженерия преподавание Компания Eli Lilly производит генноинженерный инсулин на основе раздельного синтеза Е. coli его Аи В-цепей. Стоимость продукта значительно снизилась, получаемый инсулин идентичен человеческому.

К лечению диабета приложена также технология инкапсулирования: клетки поджелудочной железы в капсуле, введенные однократно в организм больного, продуцируют инсулин в течение года.

Компания Integrated Genetics приступила к выпуску фолликулостимулирующего и лютенизирующего гормонов.

Примером успешного применения методов генетической инженерии может служить синтез р-эндорфина по технологии гибридных белков.

Значителен вклад биотехнологии и в промышленное производство непептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Методы микробиологической трансформации позволили резко сократить число этапов химического синтеза кортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки, например Arthrobacter globiformis, для синтеза преднизолона из гидрокортизона. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей. Интерфероны выделяются клетками человека и животных в ответ на инфицирование вирусами. Они обладают антивирусной активностью.

Различают б-, в-, г-интерфероны, образуемые соответственно лейкоцитами, фибробластами соединительной ткани, Т-лимфоцитами и эпителиальными клетками. До введения методов генетической инженерии интерфероны получали из донорской крови — до 1 мкг неочищенного интерферона из 1 л крови, т. е. примерно одну дозу для инъекции. В настоящее время б-, в-, г-интерфероны успешно получают с применением генно-инженерных штаммов Е. coli, дрожжей, культивируемых клеток насекомых и млекопитающих. Некоторые фирмы, например Bioferon, используют не генно-инженерные мутанты, а культивируемые in vitro фибропласты человека.

Вакцинация — один из основных способов борьбы с инфекционными заболеваниями. Современные биотехнологические разработки предусматривают создание рекомбинантных вакцин и вакцин-антигенов. Вакцины обоих типов основаны на генно-инженерном подходе. Открывается возможность одномоментной комплексной иммунизации, скажем, крупного рогатого скота против всех опасных инфекций данной местности.

Все большее значение приобретают низкокалорийные, не опасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза — продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкоизомеразы. В некоторых продуктах применяют глицин, дающий в комбинации с аспарагиновой кислотой различные оттенки сладкого и кислого. Планируют пищевое применение очень сладкого дипептида аснартама и особенно 100−200-звенных пептидов тауматина и монеллина, которые слаще сахарозы в 10 тыс. раз. В виде мультимера аспартам получен с помощью генноинженерных мутантов Е. coli, недавно клонирован также ген тауматина [2].

Немаловажную роль играют ныне в пищевой промышленности ферменты. С их помощью осветляю фруктовые соки, производят безлактозное (диетическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане повышения питательной ценности представляет добавление в продукты питания витаминов и аминокислот.

Пересечение различных сфер приложения биотехнологии (в нашем примере — биогеотехнологической и природоохранной) составляет характерную особенность ее современного этапа развития. Генно-инженерные штаммы псевдомонад, утилизирующие сырую нефть, допускают, по меньшей мере, две сферы применения: получение биомассы на базе необработанной нефти и предотвращение нефтяного загрязнения окружающей среды, в частности устранения нефтяных пленок на поверхности вод морей и океанов [5].

В связи с интенсивным развитием биотехнологии и генной инженерии особенно актуальной становится проблема подготовки специалистов по данному направлению. Одним из возможных путей решения данной проблемы является обучение и подготовка специалистов с использованием различных педагогических технологий, направленных на наиболее полное и осмысленное понимание изучаемого материала. Одной из таковых является модель интерактивного обучения студентов.

Интерактивная модель своей целью ставит организацию комфортных условий обучения, при которых все студенты активно взаимодействуют между собой.

Интерактивными технологиями являются такие, в которых студент выступает в постоянно флуктуирующий субъектно-объективных отношениях относительно обучающей системы, периодически становясь ее автономным активным элементом. Интерактивное обучение предполагает отличную от привычной логику образовательного процесса: не от теории к практике, а от формирования нового опыта к его теоретическому осмыслению через применение. Опыт и знания участников образовательного процесса служат источником их взаимообучения и взаимообогащения. Делясь своими знаниями и опытом деятельности, участники берут на себя часть обучающих функций преподавателя, что повышает их мотивацию и способствует большей продуктивности обучения. Интерактивная модель обучения наиболее эффективна в дополнительном профессиональном образовании, неформальном образовании взрослых, поскольку взрослые имеют большой жизненный и профессиональный опыт.

В процессе обучения необходимо выделить следующие цели:

— интенсификация процесса обучения, в том числе посредством интерактивности и использования инновационных методов обучения;

• — индивидуализация процесса обучения;
• — интеграция знания;
• -инфраструктура образовательного процесса: техническое обеспечение, кадры, мотивация кадров (материальная заинтересованность, карьерный рост).

Выделяют два блока методов преподавания. Первый блок условно можно назвать «Все новое — давно забытое старое». В него включены следующие методы: мозговая атака, направляемая дискуссия, использование лекционных плакатов, схем и других наглядных пособий (диапроекторов, распечаток, доски), коротких демонстраций, ролевых игр, работа в малых группах и тренировочные упражнения. Второй блок методов — это использование новых информационных технологий и интернет-ресурсов в учебном процессе.

Интерактивная подача материала должна планироваться заранее, поскольку такое обучение требует постоянного контроля над аудиторией. Когда преподаватель обращается к студентам с вопросами или вовлекает их в ролевую игру, он всегда должен знать, в каком направлении следует вести беседу и контролирует ход обсуждения. Направляемая дискуссия: ключом к обсуждению является умение задавать дискуссионные вопросы. Задача преподавателя помочь группе выделить определенную проблему, и направить ход обсуждения в сторону прояснения и разрешения этой проблемы. Используя ответы и соображения, высказанные студентами, с тем чтобы сделать акцент на правильном положении, преподаватель привлекает студентов к работе над материалом и повышает их заинтересованность в обсуждаемом вопросе. «Направляемая дискуссия» требует со стороны преподавателя умения четко задавать направленность обсуждения, плавно менять ход дискуссии, а так же перефразировать ответ, придав ему нужную окраску путем расстановки акцентов. Направляемой дискуссии может быть посвящено занятие целиком, а можно встроить и небольшую серию вопросов-ответов в выступление преподавателя. Эффективным способом привлечь внимание студентов к важной информации является постановка вопросов в начале лекции. Кроме того, необходимо показать, что преподаватель оценил усилия, проявленные студентом. Главной задачей направляемой дискуссии является активизация мышления студентов и вовлечение их в процесс обучения.

Ещё одним эффективным методом вовлечения всех студентов в группе в анализ поставленной задачи является «Мозговой штурм». Преподаватель задает вопрос всей группе и просит студентов предлагать различные варианты. Каждая идея должна записываться концентрированно, при необходимости в видоизмененной форме. Все идеи должны приветствоваться, никакую идею нельзя критиковать или отвергать. Занятия должны быть ограничены по времени 10−15 минутами. Результатом мозговой атаки становится список творческих решений или вариантов решения проблемы, созданный благодаря участию студентов. Так как студентов просят активно участвовать в процессе критического мышления, они могут лучше понять и запомнить обсуждавшуюся информацию. Если времени для того, чтобы выслушать ответы студентов путем направляемой дискуссии или мозговой атаки недостаточно, преподаватель может разнообразить свое занятие, используя лекционные плакаты для записи тех важных положений, на которые он хочет обратить внимание в ходе своей лекции. Это активизирует внимание студентов и вносит некоторое разнообразие в традиционную «лекцию». На плакате должны быть отражены важные положения, на которых заостряет внимание преподаватель.

Эффективным интерактивным приемом, очень важным при работе по формированию навыков является демонстрация. Особенность этого приема заключается в возможности иллюстрации обсуждаемой темы, посредством чего она лучше усваивается. Количество рассматриваемых положений должно быть ограничено и тщательно отобрано.

Ролевые игры — это ещё один эффективный метод обучения студентов практическим навыкам работы, так как они основаны на принципе обучения в процессе игры: студентам предоставляется возможность применить теорию — то, что они изучали на занятиях и по учебникам — на практике.

Таким образом, используя интерактивные методы, мы ставим перед собой задачу не только дать студентам общие знания, но и сформировать определенный уровень умений и навыков с тем, чтобы в своей будущей работе, в частности при использовании биологических агентов (микроорганизмов, растительных и животных клеток, и их частей: клеточных мембран, рибосом, митохондрй, хлоропластов) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений, будущие специалисты — биотехнологи могли чувствовать уверенность в себе и демонстрировать зрелость и здравый смысл [6].

• 1. Основы биотехнологии [Электронный ресурс]: учебное пособие для студентов биологического факультета: Кузьмина Н. А.: Омский ГПУ, 2010. — Режим доступа: http://www.biotechnolog.ru — 5.01.2012.
• 2. Биотехнология: Учеб. Пособие для вузов. В 8 кн./ Под ред. Н. С. Егорова, В. Д. Самуилова. Кн. 1: Проблемы и перспективы / Н. С. Егоров, А. В. Олескин, В. Д. Самуилов.-М.: Высш. Шк., 1987. -159 с.
• 3. Агол, В.А. Молекулярная биология вирусов / В. А. Агол, Т. И. Тихоненко, В. И. Товарицкий, В. Н. Крылов, И. Г. Атабеков / М.: Наука, 1971. — 493 с.
• 4. Вакула, В. Л. Биотехнология: что это такое? / В. Л. Вакула / Издательство «Молодая гвардия». 1989. — 301 с.
• 5. Генетика промышленных микроорганизмов и биотехнология / Под ред. В. Г. Дебабова. — М.: Наука. — 1990. — 275 с.
• 6. Использование интерактивных и инновационных методов преподавания правовых и экономических дисциплин [ Электронный ресурс]: Электронный научный журнал / Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий — Электронный журнал — СПб: СПбГУНиПТ, 2011. — Режим доступа: http://economics.open-mechanics.com — 25.11.2011.