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Biotechnology and genetic modification · ⁨バイオテクノロジーと遺伝子組み換え⁩

IGCSE Biology · ⁨IGCSE 生物⁩ · Topic 21 · ⁨トピック 21⁩

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7:59

バイオテクノロジーと遺伝子組み換え

スチールタンク、温かく穏やかに攪拌されています。このようなタンク内では、数十億の生きた微生物が私たちに働いています—ペニシリンや、プロテイン食品 called…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

21.1

Why bacteria are useful · ⁨バクテリアが有用な理由⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 State that bacteria are useful in biotechnology and genetic modification due to their rapid reproduction rate and their ability to make complex molecules 2 Discuss why bacteria are useful in biotechnology and genetic modification, limited to: (a) few ethical concerns over their manipulation and growth (b) the presence of plasmids
日本語
コア サプリメント
1 細菌は急速な増殖能力と複雑な分子を合成できる能力があるため、バイオテクノロジーおよび遺伝子組み換えにおいて有用であると述べる 2 細菌がバイオテクノロジーおよび遺伝子組み換えで有用である理由を議論する。以下に限定する:(a) 操作や培養に伴う倫理的問題が少ない (b) プラスミドが存在すること

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Biotechnology 生物技术 uses living things (or their enzymes 酶) to make useful products. Bacteria 细菌 are especially useful because:

  • they reproduce very fast (a high rate 速率 of reproduction).
  • they can make complex molecules 分子.
  • (Supplement) there are few ethical 伦理 concerns about growing them, and they contain plasmids 质粒 (small DNA rings that are easy to work with).
日本語

バイオテクノロジーは生き物(またはその酵素)を利用して有用な製品を製造する。バクテリアが特に有用なのは以下の理由による:

  • 非常に速く増殖する(高い増殖率)。
  • 複雑な分子を合成できる。
  • (補足) 増殖に関する倫理的懸念は少なく、プラスミド(扱いやすい小さなDNA環)を含んでいる。
21.2

Biotechnology in action · ⁨バイオテクノロジーの実用例⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe the role of anaerobic respiration in yeast during the production of ethanol for biofuels
2 Describe the role of anaerobic respiration in yeast during bread-making
3 Describe the use of pectinase in fruit juice production
4 Investigate and describe the use of biological washing powders that contain enzymes
5 Explain the use of lactase to produce lactose-free milk
6 Describe how fermenters can be used for the large-scale production of useful products by bacteria and fungi, including insulin, penicillin and mycoprotein
7 Describe and explain the conditions that need to be controlled in a fermenter, including: temperature, pH, oxygen, nutrient supply and waste products
日本語
コア サプリメント
1 バイオ燃料用のエタノール生産における酵母の無酸素呼吸の役割について説明する
2 製パンにおける酵母の無酸素呼吸の役割について説明する
3 果汁製造におけるペクチン酶の使用法について説明する
4 酵素を含む生物学的洗剤の使用法を調査・説明する
5 ラクトースフリー牛乳の製造におけるラクターゼの利用について説明する
6 発酵槽を用いた有用物質の大量生産について説明する。菌類および細菌によるインスリン、ペニシリン、マイコプロテインの生産を含む
7 発酵槽内で制御すべき条件について説明・解説する。温度、pH、酸素、栄養源の供給、廃棄物を含む

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Yeast: biofuels and bread

Yeast 酵母 carries out anaerobic respiration 无氧呼吸 (without oxygen), making ethanol 乙醇 and carbon dioxide.

  • the ethanol can be used as a biofuel 生物燃料.
  • in bread-making, the carbon dioxide makes the dough rise.

Enzymes in industry

  • pectinase 果胶酶 breaks down cell walls to release more juice from fruit, giving more and clearer juice.
  • biological washing powders 洗衣粉 contain enzymes (such as proteases and lipases) that digest stains, even at lower temperatures.
  • (Supplement) lactase 乳糖酶 breaks down lactose 乳糖 to make lactose-free milk, for people who cannot digest lactose.

Fermenters (Supplement)

A fermenter 发酵罐 is a large tank used to grow bacteria or fungi to make useful products, such as insulin 胰岛素, penicillin 青霉素 and mycoprotein 真菌蛋白. The conditions inside must be carefully controlled: temperature 温度, pH, oxygen 氧气, the supply of nutrients, and the removal of waste products.

日本語
大型ステンレス製発酵槽
発酵槽:バイオテクノロジーでは微生物を大量に培養する。

イースト:生物燃料とパン

イーストは無氧呼吸(酸素なし)を行い、エタノールと二酸化炭素を生成する。

  • エタノールは生物燃料として使用できる。
  • パン作りにおいて、二酸化炭素が生地を膨らませる。
イーストは酸素なしでグルコースを分解し、生物燃料となるエタノールと、パンを膨らませる二酸化炭素を生成する
酵母はエタノール(バイオ燃料)と二酸化炭素(パンを膨らます)を生成する

工業用酵素

  • ペクチン酵素は細胞壁を分解して果実からより多くのジュースを取り出し、より多くて澄んだジュースを得る。
  • 生物性洗剤には、低温度でも汚れを分解する酵素(プロテアーゼやリパーゼなど)が含まれています。
  • (補足) ラクターゼは、ラクトース不耐症の人々のために、ラクトースを分解してラクトースフリー牛乳を作ります。
ペクチナーゼがより多くの果汁を生み出し、プロテアーゼとリパーゼが汚れを洗い流し、ラクターゼがラクトースフリー牛乳を作る
産業で使用される酵素

発酵槽 (補足)

発酵槽とは、有用な製品であるインスリン、ペニシリン、マイコプロテインなどを製造するために細菌やカビを培養するための大型タンクです。内部の条件は慎重に管理されなければなりません:温度、pH、酸素、栄養素の供給、および廃棄物の除去です。

発酵槽タンク:攪拌機が培地を混ぜ合わせ、ウォータージャケットが温度を制御し、空気から酸素が供給され、pHプローブがpHを確認し、栄養素が入って製品または廃棄物が出ていきます
発酵槽は温度、pH、酸素、栄養分を全て制御して微生物を培養している
Explore · ⁨探索⁩

Biotechnology application lab · ⁨バイオテクノロジー応用実験室⁩

Classify biotechnology examples by the problem they solve. · ⁨解決している問題に基づいてバイオテクノロジーの例を分類してください。⁩

Explore · ⁨探索⁩

Fermenter control loop · ⁨発酵槽制御ループ⁩

Watch how a fermenter keeps microbes growing at the best rate. · ⁨発酵槽が微生物を最適な速度で成長させる様子を見てください。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
biotechnology/ˌbaɪəʊtekˈnɒlədʒi/ バイオテクノロジー
enzymes/ˈenzaɪmz/ 酵素
bacteria/bækˈtɪərɪə/ 細菌
rate/reɪt/ 速度
molecules/ˈmɒlɪkjuːlz/ 分子
ethical/ˈeθɪkl/ 倫理的
plasmids/ˈplæzmɪdz/ プラスミド
yeast/jiːst/ 酵母
anaerobic respiration/ˌæneəˈrəʊbɪk ˌrespɪˈreɪʃn/ 嫌気的呼吸
ethanol/ˈeθənɒl/ エタノール
biofuel/ˌbaɪəʊˈfjuːəl/ バイオ燃料
pectinase/ˈpektɪneɪs/ ペクチン酵素
washing powders/ˈwɒʃɪŋ ˈpaʊdəz/ 洗剤
lactase/ˈlækteɪs/ ラクターゼ
lactose/ˈlæktəʊs/ ラクトース
fermenter/fɜːˈmentə/ 発酵槽
insulin/ˈɪnsjuːlɪn/ インスリン
penicillin/ˌpenɪˈsɪlɪn/ ペニシリン
mycoprotein/ˈmaɪkəprəʊtiːn/ 微生物タンパク質
temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ 酸素
21.3

Genetic modification · ⁨遺伝子組み換え⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe genetic modification as changing the genetic material of an organism by removing, changing or inserting individual genes 3 Outline the process of genetic modification using bacterial production of a human protein as an example, limited to: (a) isolation of the DNA making up a human gene using restriction enzymes, forming sticky ends (b) cutting of bacterial plasmid DNA with the same restriction enzymes, forming complementary sticky ends (c) insertion of human DNA into bacterial plasmid DNA using DNA ligase to form a recombinant plasmid (d) insertion of recombinant plasmids into bacteria (specific details are not required) (e) multiplication of bacteria containing recombinant plasmids (f) expression in bacteria of the human gene to make the human protein
2 Outline examples of genetic modification: (a) the insertion of human genes into bacteria to produce human proteins (b) the insertion of genes into crop plants to confer resistance to herbicides (c) the insertion of genes into crop plants to confer resistance to insect pests (d) the insertion of genes into crop plants to improve nutritional qualities
4 Discuss the advantages and disadvantages of genetically modifying crops, including soya, maize and rice
日本語
コア サプリメント
1 遺伝子組み換えとは、個々の遺伝子の除去、変換、挿入によって生物の遺伝子組換えを行うこととして説明する 3 人間のタンパク質の細菌による生産を例に、遺伝子組み換えのプロセスを概説する。以下に限定する:(a) 制限酵素を用いてDNAから人間遺伝子を分離し、sticky endsを形成する (b) 同一の制限酵素で細菌のプラスミドDNAを切断し、相補的なsticky endsを形成する (c) DNAリガーゼを用いて人間DNAを細菌のプラスミドDNAに挿入し、組換えプラスミドを形成する (d) 組換えプラスミドを細菌に導入する(詳細は不要) (e) 組換えプラスミドを含む細菌を増殖させる (f) 細菌内で人間遺伝子が発現し、人間タンパク質を生成する
2 遺伝子組み換えの例を概説する:(a) 人間タンパク質の生産のために人間遺伝子を細菌に挿入する (b) 除草剤耐性付与のために作物植物に遺伝子を挿入する (c) 害虫抵抗性付与のために作物植物に遺伝子を挿入する (d) 栄養価の向上のために作物植物に遺伝子を挿入する
4 遺伝子組み換え作物(大豆、トウモロコシ、米など)の利点と欠点について議論する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Genetic modification 基因改造 means changing an organism's genetic material 遗传物质 by removing, changing or inserting individual genes 基因.

Making a human protein in bacteria (Supplement)

For example, to make a human protein 蛋白质 (such as insulin) in bacteria:

  1. cut the human gene out of human DNA using restriction enzymes 限制酶, which leave sticky ends 黏性末端.
  2. cut open a bacterial plasmid with the same restriction enzymes, giving matching sticky ends.
  3. join the human gene into the plasmid using DNA ligase 连接酶, making a recombinant plasmid 重组质粒.
  4. put the recombinant plasmid into a bacterium.
  5. the bacteria multiply and express 表达 the human gene, making the human protein.

Worked example. Put the steps of making human insulin in bacteria in order. Restriction enzymes cut the human insulin gene out of human DNA, leaving sticky ends. The same restriction enzyme cuts open a bacterial plasmid, so its sticky ends match the gene's. Ligase joins the gene into the plasmid, making a recombinant plasmid. The plasmid is put into a bacterium, and the bacteria multiply in a fermenter, each one expressing the gene and making human insulin. Two marks hang on precision: the same enzyme must cut both the gene and the plasmid, which is what makes the sticky ends fit; and ligase joins - it does not cut.

Examples of genetic modification

Genetic modification is used to:

  • put human genes into bacteria to make human proteins (such as insulin).
  • put genes into crop plants 农作物 to give resistance 抗性 to herbicides 除草剂.
  • put genes into crops to give resistance to insect pests.
  • put genes into crops to improve their food value.

(Supplement) GM crops such as soya, maize and rice can give higher yields and better nutrition, but some people worry about effects on health, on wild species, and about the cost of GM seeds.

日本語

遺伝子組み換えとは、個々の遺伝子を除去、変更、または挿入することで、生物の遺伝物質を変更することを意味します。

UV光下でのDNAゲル写真:左側のレーンに等間隔の参照バンドのラダーが走っており、サンプルレーンではサイズで分離された後にDNA断片が集まった場所に明るい輝くバンドが見える
ゲル電気泳動で分離されたDNA断片は発光する帯として見える

細菌内でのヒトタンパク質の作製 (補足)

例えば、細菌内でヒトのタンパク質(インスリンなど)を作る場合:

  1. 制限酵素を用いてヒトDNAからヒト遺伝子を切り出し、** Sticky Ends( sticky ends)**を残します。
  2. 同じ制限酵素で細菌のプラスミドを切り開き、対応するsticky endsを与えます。
  3. DNAリガーゼを用いてヒト遺伝子をプラスミドに接合させ、組換えプラスミドを作ります。
  4. 組換えプラスミドを細菌に入れます。
  5. 細菌が増殖し、ヒト遺伝子を発現させてヒトタンパク質を作ります。
遺伝子組み換え:ヒト遺伝子が切り出され、リガーゼによって細菌のプラスミドに接合されて組換えプラスミドが作られ、それが細菌に入れられてヒトタンパク質を作られる
ヒトの遺伝子プラスミドに組み込まれ、细菌がヒトタンパク質を合成する

** worked example.** 細菌内でヒトインスリンを作る手順を正しい順番に並べ替えてください。制限酵素がヒトインスリン遺伝子をヒトDNAから切り出してsticky endsを残します。同じ制限酵素が細菌のプラスミドを切り開き、そのsticky endsが遺伝子のそれと一致します。リガーゼが遺伝子をプラスミドに接合して組換えプラスミドを作ります。プラスミドは細菌に入れられ、発酵槽内で増殖し、各細菌が遺伝子を発現してヒトインスリンを作ります。精密さにおける2点のポイントは以下の通りです:同じ酵素が遺伝子とプラスミドの両方を切断しなければならないことです(これがsticky endsを合わせる理由です)、そしてリガーゼは接合するものであり、切断するものではありません。

遺伝子組み換えの例

遺伝子組み換えには以下のような用途があります:

  • ヒト遺伝子を細菌に入れることで、ヒトタンパク質(インスリンなど)を作ります。
  • 遺伝子を作物に入れることで、除草剤に対する耐性を与えます。
  • 遺伝子を作物に入れることで、害虫に対する耐性を与えます。
  • 遺伝子を作物に入れることで、その食品価値を向上させます。

(補足) 大豆、トウモロコシ、米などのGM作物は収量向上や栄養価の改善が可能ですが、健康への影響、野生種への影響、およびGM種子のコストについて懸念を持つ人もいます。

Explore · ⁨探索⁩

Genetic modification route · ⁨遺伝子組み換えのプロセス⁩

Follow the main steps from useful gene to modified organism. · ⁨有用な遺伝子から組み換え生物に至る主要な手順を追ってください。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
genetic modification/dʒɪˈnetɪk ˌmɒdɪfɪˈkeɪʃn/ 遺伝子組み換え
genetic material/dʒɪˈnetɪk məˈtɪərɪəl/ 遺伝物質
genes/dʒiːnz/ 遺伝子
protein/ˈprəʊtiːn/ タンパク質
restriction enzymes/rɪˈstrɪkʃn ˈenzaɪmz/ 制限酵素
sticky ends/ˈstɪki endz/ Sticky ends(sticky end / 粘性末端)
ligase/ˈlɪɡeɪs/ ライゲース
recombinant plasmid/ˌriːˈkɒmbɪnənt ˈplæzmɪd/ 組換えプラスミド
express/ekˈspres/ 発現
crop plants/krɒp plænts/ 農作物
resistance/rɪˈzɪstəns/ 反対意见
herbicides/ˈhɜːbɪsaɪdz/ 除草剤
21.3

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Bacteria are used because they reproduce fast, make complex molecules, and contain plasmids.
  • Yeast (anaerobic respiration) → ethanol (biofuel) and carbon dioxide (bread). Enzymes: pectinase (fruit juice), proteases and lipases (washing powders), lactase (lactose-free milk).
  • Fermenters make insulin, penicillin and mycoprotein; control temperature, pH, oxygen, nutrients and waste.
  • Genetic modification: cut a gene with restriction enzymes (sticky ends) → join it into a plasmid with ligase (a recombinant plasmid) → put into bacteria → express the gene to make the protein.
  • GM crops can resist herbicides or insect pests, or have better nutrition.
日本語
  • 細菌は、増殖が速く、複雑な分子を作ることができ、プラスミドを持っているため使われます。
  • 酵母(無氧呼吸)→ エタノール(バイオ燃料)と二酸化炭素(パン)。酵素:ペクチナーゼ(果汁)、プロテアーゼとリパーゼ(洗剤)、ラクターゼ(ラクトースフリー牛乳)。
  • 発酵槽はインスリン、ペニシリン、マイコプロテインを作ります;温度、pH、酸素、栄養素、廃棄物を制御します。
  • 遺伝子組み換え:制限酵素で遺伝子を切る(sticky ends)→ リガーゼでプラスミドに接合する(組換えプラスミド)→ 細菌に入れる → 遺伝子を発現させてタンパク質を作る。
  • GM作物は除草剤や害虫に耐性があるか、あるいは栄養価が高くなっています。

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