Часть I.

1. Для того, чтобы потомство модифицированных растений также имело светящиеся органы, необходимо ввести ген, отвечающий за люминесценцию, в ДНК родительского растения. Для этого необходимо использовать конструкции, состоящие из гена, кодирующего флуоресцентный белок, и участка, ответственного за встраивание в ДНК растительной клетки-хозяина. Для подобных целей чаще всего используют вектор на основе плазмиды Ti агробактерии, способной встраивать куски ДНК в геном растительной клетки. При правильном встраивании гена флуоресцентный белок будет синтезироваться в листьях или лепестках растений и флуоресцировать при освещении светом с правильной длиной волны.
2. Организмы, обладающие биолюминисценцией, - это некоторые морские обитатели: бактерии, живущие на кожных выростах и складках глубоководных животных (кальмаров, рыб-удильщиков и т.д.), медузы, некоторые двустворчатые моллюски (Pholas dactylus); насекомые (Pyrophorus sp.). Биолюминесценция – это явление, при котором отдельные органы или клетки живых организмов светятся за счет собственных процессов, или процессов, протекающих в клетках их симбионтов. Флуоресценция может возникать за счет излучения кванта света флуоресцентными белками при освещении организма нужной длиной волны. Флуоресценция также может возникать при расщеплении субстрата – люциферина – при помощи фермента люциферазы.
3. Утройство наноконструкции может быть следующим: наночастицы серебра или золота, коньюгированные с фрагментом ДНК, отвечающим за встраивание в ДНК клетки-хозяина и участком, кодирующим флуоресцентный белок. Введение наноконструкции может осуществляться, к примеру, методом электропорации. Возможно использование конструкции без гена, отвечающего за встраивание в геном хозяина. В этом случае в клетках растения флуоресцентный белок образовываться будет, но у потомства листья и лепестки будут обычными.
4. В идеале функционирование растений после генно-инженерной модификации или введения наноконструкции не должно изменяться. Тем не менее, возможны следующие “побочные действия”: при использовании плазмиды агробактерий с неудаленными генами бактерии, вызывающими синтез белков, трансформирующих клетки растения-хозяина, возможно перерождение растительных клеток и рост опухолей. Золотые или серебряные наночастицы из наноконструкций могут инициировать ряд неблагоприятных процессов. В частности, наночастицы могут образовывать крупные агрегаты в цитоплазме клеток и блокировать внутриклеточный транспорт органоидов и питательных веществ. Кроме того, они могут приводить к дисфункциям устьичных клеток, нарушая водный обмен. Наночастицы маленьких размеров (менее 5 нм), наиболее эффективные для доставки в клетки, могут выступать в качестве сайтов генерации супероксид-анион радикала О₂^- за счет переноса электрона на молекулу кислорода.
5. В сельском хозяйстве генная инженерия чаще всего используется для получения сортов растений, устойчивых к часто использующимся пестицидам (например, ко глифосату). Кроме того, выводят (генетически модифицируют) растения для получения устойчивости к неблагоприятным условиям среды, действию паразитов-вредителей, а также для выведения более урожайных сортов, сортов с повышенным содержанием питательных веществ или витаминов и сортов с увеличенным временем хранения плодов. Например, у томатов в результате генно-инженерной модификации подавляется ген, отвечающий за синтез белка (фермента из класса пектиназа), вызывающий размягчение и разложение томатов вскоре после созревания. Полученные растения дают плоды (томаты), которые долго хранятся и не портятся

Часть II.

1. а. Используются сложные эфиры, которые легко проникают через плазматическую мембрану клеток, а в цитоплазме расщепляются клеточными эстеразами. Образующаяся молекула флуоресцентного зонда-кислоты после этого несет заряд и не может выйти из клетки.
   б. Возможно несколько вариантов: молекула зонда (семейство зондов mito tracker) содержит хлор-метильные радикалы, взаимодействующие с SH-группами клеточных белков. Внутренняя мембрана митохондрий содержит много белков с тиоловыми группами, поэтому указанные флуоресцентные зонды будут накапливаться преимущественно в митохондриях. Второй вариант – зонды, которые несут много групп с положительным зарядом. Поскольку трансмембранный потенциал на внутренней мембране работающих митохондрий отрицательный (-200 мВт), то положительно заряженные молекулы будут накапливаться в митохондриях по градиенту потенциала.
   в. Для флуоресцентных исследований ядерных процессов в клетках в настоящее время используют коньюгаты флуоресцентных белков (GFP, СFP или RFP) с сигналом ядерной локализации.
2. Флуоресцентный зонд на ионы Са²⁺ должен связываться только (или преимущественно) с ионами Са²⁺, а не другими катионами, интенсивность его флуоресценции или положение максимума флуоресценции должно меняться даже при незначительных изменениях концентрации ионов Са²⁺. Естественно, зонд должен накапливаться в нужном клеточном компартменте, быть нетоксичным, не вызывать фототоксичных эффектов и быть стабильным в течение максимально длинного времени наблюдения.
3. В данном случае возможно много вариантов ответа. Оценивается развернутость и аргументированность ответа. Мыши, в нейронах которых постоянно экспрессирован флуоресцентный белок, используются для получения детальных 3D изображений и карт участков мозга для изучения контактов между нейронами, глиальными клетками и сосудами. Кроме того, такие животные используются для визуализации изменения микроморфологии отростков нейронов (дендритных шипиков) в области синапсов при разных видах стимуляции, при гибели нейронов во время локальной гипоксии, инсульте и других индуцированных нейродегенеративных патологиях, для исследования миграции клеток микроглии и астроцитов в области повреждений и т.д. То есть все это – такие исследования, при который важно видеть морфологию всех клеток в мозге в течение длительного эксперимента, избегая фотоповреждения клеток, разрушения флуоресцентного зонда и его “вытекания из клеток” (характерных для низкомолекулярных флуоресцентных зондов). Мыши, в нейронах которых флуоресцентный белок экспрессируется при определенных условиях (например, при активации определенных синапсов), используются для изучения процессов формирования памяти, для визуализации областей мозга, активирующихся или инактивирующихся при различных воздействиях и стимулах. Нобелевскую премию по химии в 2008 году получили Осаму Симомура, Мартин Чалфи и Роджер Тсьен (Osamu Shimomura, Martin Chalfie, Roger Y. Tsien) “за открытие и разработку зеленого флуоресцентного белка”.