Элективный курс «Нанотехнологии»

Приложение 18

Элективный курс «Нанотехнологии»

Содержание

· 1 Пояснительная записка

· 2 Цели и задачи изучения дисциплины

o 2.1 Цели:

o 2.2 Задачи:

· 3 Требования к уровню освоения дисциплины

o 3.1 Ученик должен:

§ 3.1.1 получить представление:

§ 3.1.2 знать:

§ 3.1.3 уметь:

§ 3.1.4 приобрести навыки:

· 4 Объем дисциплины

o 4.1 Объем дисциплины и виды учебной работы

o 4.2 Распределение часов по темам и видам учебной работы

· 5 Содержание курса

o 5.1 Тема 1. Нанобиотехнологии – новый этап развития биологической науки

o 5.2 Тема 2. Биомакромолекулы (молекулы биополимеров) как составляющие наномира

o 5.3 Тема 3. Нанобиотехнологии на основе амплификации и репликации молекул нуклеиновых кислот

o 5.4 Тема 4. Нанобиотехнологии на основе метода генетической инженерии

o 5.5 Тема 5. Нанобиотехнологии надмолекулярного (субклеточного) уровня организации живых систем

o 5.6 Тема 6. Фибриллярные структуры биологических тканей, естественные и искусственные нановолокна

o 5.7 Тема 7. Неклеточные и прокариотические формы жизни в наноконструкциях и нанобиотехнологиях

o 5.8 Тема 8. Нанобиореакторы как устройства для изучения и производства ферментов

o 5.9 Тема 9. Нанобиотехнологии в иммунологии

o 5.10 Тема 10. Наночастицы в антропогенных экосистемах. Биологическая безопасность наноконструкций и нанотехнологий

· 6 Ресурсное обеспечение дисциплины

o 6.1 Литература

o 6.2 Интернет-сайты

7 Материально-техническое обеспечение дисциплины

if (window. showTocToggle) { var tocShowText = "показать"; var tocHideText = "убрать"; showTocToggle(); } Пояснительная записка

Ряд разделов дисциплины «Биология» для 10-11 классов средней общеобразовательной школы («Клетка как биологическая система», «Размножение и индивидуальное развитие организмов», «Основы генетики», «Основы селекции») предполагают изложение материала, который может послужить основой для конкретного ознакомления с сущностью нанобиотехнологий. Это в первую очередь темы, посвященные организации прокариотической и эукариотической клеток, клеточных мембран и органоидов, плазмалеммы, а также структуре и биологической роли молекул биополимеров: ДНК, РНК, белков (ферментов, рецепторов, переносчиков, структурных белков). Тем не менее, в действующей программе дисциплины «Биология» для средней общеобразовательной школы нет ни одной темы, посвященной ознакомлению с нанобиотехнологиями. В содержательной части программы и основных учебниках по биологии не употребляется термин «нанотехнологии» («нанобиотехнологии»), следовательно, не раскрывается сущность самого понятия «нанобиотехнологии».

Нанобиотехнологии как сектор нанотехнологий основывается на закономерностях строения и механизмах функционирования живых систем молекулярного, субклеточного и клеточного уровней организации.

В настоящее время оформляются два направления в создании и развитии биотехнологий. Задачей первого направления является создание новых материалов, биосенсоров, биоэлектронных устройств, наномашин с биологическими компонентами, биороботов для внутриклеточных манипуляций и доставки веществ (гормонов, ферментов и др.) внутрь клетки.

Второе направление предполагает разработку методов и способов привнесения искусственных наноразмерных частиц, технических материалов и интерфейсов в мир биосистем с целью их:

· инструментального исследования;

· диагностики состояния (норма, предпатология, патология);

· лечения заболеваний.

В качестве базовых принципов преподавания элективного курса «Введение в нанотехнологии» (биология) могут быть рекомендованы следующие:

· многоуровневость изложения знаний о биологических системах в качестве теоретического обоснования нанобиотехнологий: *биомолекулы, макромолекулы и биополимеры, биомембраны, цитоплазма и органоиды клетки, прокариотическая и эукариотические клетки, неклеточные формы жизни;

· структурно-функциональный подход к изучению биомолекул и биоструктур;

· междисциплинарный характер всестороннего освещения организации биологических систем, предполагающий использование достижений биофизики, биохимии, экологии и других наук;

· обоснование теоретических основ в разработке нанотехнологий;

· определение ближайших и отдаленных перспектив развития нанобиотехнологий;

· освещение прикладного значения нанобиотехнологий для промышленности, медицины, сельского хозяйства, охраны природы и рационального природопользования.

Цели и задачи изучения дисциплины

Цели:

углубить и расширить знания учащихся о молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях организации живых систем и на этой основе ознакомить с основными направлениями новой отрасли науки и техники – нанобиотехнологиями.

Задачи:

· углубить знания о молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях организации живых систем;

· сформировать у учащихся общее представление о нанотехнологиях и нанобиотехнологиях как особых отраслях науки и производства;

· ознакомить учащихся с основными направлениями и методами исследований в области нанобиотехнологий;

· дать представление о практическом значении разрабатываемых нанобиотехнологий для медицины, экологии, cельскохозяйственного и других производств;

· ознакомить учащихся с перспективами развития нанотехнологий и тем самым расширить их профориентационные возможности.

Требования к уровню освоения дисциплины

Ученик должен:

получить представление:

· о единстве фундаментальных естественных наук, незавершенности естествознания и перспективах его дальнейшего развития;

· об особенностях молекулярного, субклеточного и клеточного уровней организации и развития живых систем;

· о специфике нанообъектов и нанобиотехнологий;

· о возможных сферах применения нанобиотехнологий в науке и производстве;

знать:

· строение и биологическую роль биомакромолекул, биомембран, субчастиц органоидов, органоидов прокариотической и эукариотической клеток;

· основные методы нанобиотехнологий;

· направления развития фундаментальных исследований и прикладных разработок в области нанобиотехнологий;

· основные достижения нанобиотехнологий, их значение для медицины, экологии, сельского хозяйства и промышленного производства;

· перспективы развития нанобиотехнологий;

уметь:

· выполнять творческие задания для самостоятельного получения и применения знаний;

· обсуждать дискуссионные проблемы, отстаивая собственную точку зрения;

приобрести навыки:

· самостоятельной работы с учебной, научной и справочной литературой;

· написания рефератов и литературных обзоров по проблеме.

Объем дисциплины

Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Количество часов
Лекции	10
Семинарские занятия	6
Всего по плану	16

Распределение часов по темам и видам учебной работы

Форма обучения элективная.

№	Название модулей	Всего	Виды учебных занятий
1	Нанобиотехнологии – новый этап развития биологической науки	1	1
2	Биомакромолекулы (молекулы биополимеров) как составляющие наномира	2	1	1
3	Нанобиотехнологии на основе амплификации и репликации молекул нуклеиновых кислот	1	1
4	Нанобиотехнологии на основе метода генетической инженерии	2	1	1
5	Нанобиотехнологии надмолекулярного (субклеточного) уровня организации живых систем	2	1	1
6	Фибриллярные структуры биологических тканей, естественные и искусственные нановолокна	2	1	1
7	Неклеточные и прокариотические формы жизни в наноконструкциях и нанобиотехнологиях	2	1	1
8	Нанобиореакторы как устройства для изучения и производства ферментов	1	1
9	Нанобиотехнологии в иммунологии	1	1
10	Наночастицы в антропогенных экосистемах. Биологическая безопасность наноконструкций и нанотехнологий	2	1	1
	Всего по плану	16	10	6

Содержание курса

· Предисловие к учебному модулю "Введение в нанотехнологии" по биологии

Тема 1. Нанобиотехнологии – новый этап развития биологической науки

· Эволюционно-обусловленные структурно-функциональные уровни организации живых систем

· Определение понятий «Наноструктуры» и «Нанотехнологии»

· Молекулярный и субклеточный уровни организации живых систем как основные в манипуляциях с наноструктурами

· Основные направления разрабатываемых нанобиотехнологий

· Вопросы для повторения к Теме 1

Тема 2. Биомакромолекулы (молекулы биополимеров) как составляющие наномира

· Биомакромолекулы. Мономеры и биополимеры. Нуклеиновые кислоты и белки – критическая тройка биомакромолекул

· ДНК как носитель и хранитель генетической информации в клетке

· Биологическая роль РНК, особенности её строения и функции

· Белки: структурная организация и функции в клетке

· Белки-переносчики: особенности расположения и функционирования в клетке

· Строение, расположение и функции белков-рецепторов

· Достижения нанобиологии в изучении рецепторной функции мембраны

· Нанобиотехнологии на основе белков-переносчиков и белков-рецепторов. Нанобиосенсоры, их применение в диагностике заболеваний

· Вопросы для повторения к Теме 2

Тема 3. Нанобиотехнологии на основе амплификации и репликации молекул нуклеиновых кислот

· Свойства ДНК, используемые в нанотехнологиях. Механизм репликации ДНК

· Гибридизация нуклеиновых кислот, ее практическое применение

· Амплификация молекул нуклеиновых кислот как основа для разработки методов диагностики заболеваний

· Нанотехнологии на основе ДНК

· Нанокомплексы в диагностике мутаций

· Вопросы для повторения к Теме 3

Тема 4. Нанобиотехнологии на основе метода генетической инженерии

· Генетическая инженерия как одно из направлений нанобиотехнологий: понятие, цели, основные принципы

· Способы получения наногенов для трансплантации

· Технологии переноса генов в клетку

· Методы внедрения чужеродной ДНК в геном клетки

· Перспективы развития нанобиотехнологий в производстве биологически активных веществ и лекарственных препаратов. Генная терапия и генный таргетинг

· Основные стратегии создания наноконструкций на основе нуклеиновых кислот

· Области применения наноконструкций на основе ДНК

· Вопросы для повторения к Теме 4

Тема 5. Нанобиотехнологии надмолекулярного (субклеточного) уровня организации живых систем

· Структурная организация плазматической мембраны (плазмалеммы)

· Типы мембранных белков (интегральные, полуинтегральные, периферические)

· Функции плазмалеммы: барьерная, рецепторная, транспортная

· Понятие об элементарной биологической мембране

· Нанобиотехнологии для направленного транспорта веществ

· Использование искусственных мембран в качестве биофильтров

· Нанобиотехнологии на основе тилакодных мембран хлоропластов

· Вопросы для повторения к Теме 5

Тема 6. Фибриллярные структуры биологических тканей, естественные и искусственные нановолокна

· Макромолекулы, образующие фибриллярные (волокнистые) структуры в клетках и тканях живого организма: особенности структуры и функции

· Цитоскелет клетки как система нановолокон

· Микрофиламенты: строение, роль в клетке, актин и другие белки микрофиламентов

· Микротрубочки: состав, строение, биологическая роль

· Создание аналогов биологических ресничек методами нанотехнологий

· Промежуточные филаменты

· Фибриллярные белки соединительных тканей. Свойства, распространение и образование в живых тканях коллагеновых и эластических волокон

· Биоволокна на основе полисахаридов

· Методы создания искусственных нановолокон

· Применение искусственных нановолокон в биологии и медицине

· Вопросы для повторения к Теме 6

Тема 7. Неклеточные и прокариотические формы жизни в наноконструкциях и нанобиотехнологиях

· Общая характеристика прокариотических организмов

· Использование бактерий в нанотехнологиях (внутриклеточная доставка лекарств; создание наночастиц; бактерии как источник энергии)

· Нанобактерии в системе живой природы

· Особенности строения и функционирования вирусов как представителей неклеточной формы жизни

· Вирусы в борьбе против раковых заболеваний

· Нанотехнологии на основе вирусов

· «Искусственные вирусы» в коррекции наследственных аномалий

· Вопросы для повторения к Теме 7

Тема 8. Нанобиореакторы как устройства для изучения и производства ферментов

· Структурно-функциональные особенности ферментов как биологических катализаторов

· Применение ферментов

· Микроорганизмы как наиболее распространенные биореакторы ферментов

· Ферменты, синтезируемые бактериальной клеткой

· Использование бактерий для получения наночастиц

· Вопросы для повторения к Теме 8

Тема 9. Нанобиотехнологии в иммунологии

· Нанобиотехнологии в иммунологии: проблемы и перспективы

· Диагностика иммуноглобулинов, получение и применение моноклональных антител

· Перспективы создания иммунобиопрепаратов нового поколения

· Наноэмульсии в борьбе с инфекционными заболеваниями

· Вопросы для повторения к Теме 9

Тема 10. Наночастицы в антропогенных экосистемах. Биологическая безопасность наноконструкций и нанотехнологий

· Основные типы антропогенных экосистем, их отличие от естественных экосистем

· Достижения сельскохозяйственной биотехнологии

· Понятие об экологической биотехнологии, ее задачи. Биодеградация ксенобиотиков

· Особенности влияния наночастиц на живые организмы

· Наноструктуры на основе углерода: фуллерены, одно - и многослойные нанотрубки

· Влияние наночастиц углерода, фуллеренов и углеродных нанотрубок на свертываемость крови

· Нанобиотехнологии в контроле качества пищевых продуктов

· Вопросы для повторения к Теме 10

Ресурсное обеспечение дисциплины

Литература

1. Антонов в медицине и биологии / , / Материалы научно-практической конференции с международным участием «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины», 11-12 окт. 2007г., СибГУ (режим доступа http://www. sibupk. nsk. su/new/05/sem/2007/1)

2. Антонов мембран / // Соросовкий образовательный журнал. – 1996. – № 6. – С. 4-12.

3. Артюхов нанотехнологий в медицине / , , // XIII Международная студенческая школа-семинар «Новые информационные технологии». – М.: МГИЭМ, 2005 (режим доступа http://nit. miem. *****/2005/plenar/6)

4. Баранов терапия – медицина XXI века / // Соровский образовательный журнал. – 1999. – №3. – С. 63-68.

5. Барсуков собрать мембрану (солюбилизация и реконструкция мембран) / // Соросовкий образовательный журнал. – 2004. – Т. 8. - № 1. – С. 10-16.

6. Белая книга по нанотехнологиям. /Под ред. и др. – М.: Издательство ЛКИ, 2008. – 344с.

7. Березов ферментов в медицине / // Соровский образовательный журнал. – 1996. – №3. – С. 23-27.

8. Биотехнология. /Под ред. , - М.: Наука, 1984.

9. Болдырев функция мембран / // Соросовкий образовательный журнал. – 2001. – Т. 7. - № 7. – С. 2-7.

10. Будников как новый тип аналитических устройств / // Соровский образовательный журнал. – 1996. – №12. – С. 26-32.

11. Васильев как архитектурное чудо. Часть 3. Клетка единая, но делимая / // Соровский образовательный журнал. – 1999. – №8. – С. 18-23.

12. Васильев как архитектурное чудо. I. Живые нити / // Соровский образовательный журнал. – 1996. – №2. – С. 36-43.

13. Васильев как архитектурное чудо. II. Цитоскелет, способный чувствовать и помнить / // Соровский образовательный журнал. – 1996. – №4. – С. 4-10.

14. Васильев как чудо архитектуры. Часть 4. Натяжения цитоскелета контролирует архитектуру клетки и тканей / // Соровский образовательный журнал. – 2000. – №6. – С. 2-7.

15. Васильев как чудо архитектуры. Часть 5. Клетка перестраивает архитектуру / // Соровский образовательный журнал. – 2001. – №11. – С. 2-6.

16. Верма / // В мире науки. – 1991. – №1. – С.26-34.

17. , Фрейли культурные растения. // В мире науки, - 1992, - №8, - С.24-30.

18. Глеба растений / // Соровский образовательный журнал. – 1998. – №6. – С. 3-8.

19. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б. Глик, Дж. Пастернак. Пер. с англ. – М.: Мир, 2002. – 589с.

20. «Системный подход» к живому (режим доступа: http:///publ/)

21. Биология в 3-т: Пер. с англ. / Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор / Под ред. Р. Сопера. – М.: Мир, 1996.

22. Дементьев полиэлектролитов с мембранными структурами: ЭПР-исследование / , , // Рос. Хим. Ж. (Журнал Российского химического общества им. ). – 2007. - Т. LI. - № 1. - С.136-142.

23. Дубяга и мембраны (обзор) // , // Критические технологии. Мембраны. – 1999. - №1. – С. 11-16.

24. Евдокимов кислоты, жидкие кристаллы и секреты наноконструирования / // Наука и жизнь. – 2005. – №4 (режим доступа http://www. *****/archive/articles/604)

25. Евдокимов упорядоченные формы ДНК и ее комплексов – основа для создания наноконструкций на медицины и биотехнологии / // Российские нанотехнологии. – 2006. – №1-2. – С.256-264 (режим доступа http://www. *****)

26. Евтушенков в биотехнологию: курс лекций / , . – Мн: БГУ, 2002. – 105с.

27. Егорова биотехнологии: Учеб. пособие для высш. пед. учеб. заведений / , , . – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 208с.

28. Жимулев и молекулярная генетика. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2006. – 479с.

29. Зеленин терапия: этические аспекты и проблемы генетической безопасности. //Генетика, - 1999. – Т.35. – с..

30. Молекулярная и клеточная биология. – М.: Мир, 1982. – Т.1, - 367с.

31. Иванов работают ферменты / // Соровский образовательный журнал. – 1996. – №9. – С. 25-32.

32. Клячко подвижность и полимеризация актина / // Соровский образовательный журнал. – 2000. – №10. – С. 5-9.

33. , Севастьянова биология. – М.: Академия, 2005. – 400с.

34. Корочкин животных / // Соровский образовательный журнал. – 1999. – №4. – С. 10-16.

35. Кулаев ферменты микробного происхождения в биологии и медицине / // Соровский образовательный журнал. – 1997. – №3. – С. 23-31.

36. Лещинская инженерия / // Соровский образовательный журнал. – 1996. – №1. – С. 32-39.

37. Лещинская промышленная микробиология / // Соровский образовательный журнал. – 2004. – №4. – С. 14-18.

38. Лось сигналов биологическими мембранами: сенсорные белки и экспрессия генов / // Соросовкий образовательный журнал. – 2001. – Т. 7. - № 9. – С. 14-22.

39. Лутова инженерия растений: свершения и надежды / // // Соровский образовательный журнал. – 2000. – №10. – С. 10-17.

40. Гены. – М.: Мир, 1987.

41. Нанотехнологии. Азбука для всех / Под ред. акад.

42. Биотехнология. – М.: Мир, 1987.

43. Сельскохозяйственная биотехнология: Учебник / [и др.]; под ред. . – М.: Высшая школа, 2003. – 469с.

44. Семенова нужны трансгенные животные / // Соровский образовательный журнал. – 2001. – №4. – С. 13-20.

45. Нанотехнология и двойная спираль / Нейдриен Симан // В мире науки. – 2004. – №9 (режим доступа http://www. *****/2004/9/nano)

46. Сыч биология: Учебник для высшей школы. - Москва: Академический Проект, 2007. – 330с.

47. , , Абдулкин -функциональная организация эукариотической клетки. – Ульяновск: УлГУ, 2006. – 84 с.

48. Фаворова генами – фантастика или реальность? //Соросовский образовательный журнал, - 1997. - №2. – с.21-27.

49. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века / П. Харрис; пер. с англ. под ред. и с дополнением . – М.: Техносфера, 2003. – 336с.

50. Очарование нанотехнологии / У. Хартманн; пер. с нем. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 173 с.

51. Чернов в клетке и пробирке / // Соровский образовательный журнал. – 1996. – №5. – С. 28-34.

52. Чизмадзе биология: от липидных бислоев до молекулярных машин / // Соросовкий образовательный журнал. – 2000. – Т. 6. - № 2. – С. 12-17.

53. Щелкунов инженерия. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004. – 496с.

54. Экологическая биотехнология / [и др.]; под ред. , Д. А.Дж. Вейза; пер. с англ. ; под ред. . – Л.: Химия, 1990. – 384с.

55. Arumuganathar S. Living scaffolds (specialized and unspecialized) for regenerative and therapeutic medicine / S. Arumuganathar, S. N. Jayasinghe // Biomacromolecules. – 2008. – Mar;9(3). – P.759-766.

56. Magnetically actuated nanorod arrays as biomimetic cilia / B. A. Evans, A. R. Shields, R. L. Carroll RL, S. Washburn, M. R. Falvo, R. Superfine// Nano Lett. – 2007. – May;7(5). – P. .

57. Pressure-assisted cell spinning: a direct protocol for spinning biologically viable cell-bearing fibres and scaffolds / S. Arumuganathar, S. Irvine, J. R. McEwan, S. N. Jayasinghe // Biomed Mater. – 2007. – Dec;2(4). – P.211-219.

Интернет-сайты

http://www. *****/ - сайт о нанотехнологиях в России

http://www. *****/ - Российский электронный наножурнал

http://www. *****/ - журнал «Российские нанотехнологии»

http://www. *****/ - информационно-аналитический портал по нанотехнологиям и наноматериалам Росатома

http://www. *****/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр»

http://**/ - государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий»

http://www. *****/ - Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология»

http://www. *****/ - Российское образование. Федеральный образовательный портал

Материально-техническое обеспечение дисциплины

· Компьютерный класс.

· Интерактивная доска.

· Интернет-ресурсы.

Источник — «http://edu. *****/w/index. php/%