• התפרצות מגיפה

הצצה אל העולם המופלא של מערכת החיסון ושימושיה במדע

במהלך הפעילות יעמיקו התלמידים את הידע בתפקודה של מערכת החיסון המולדת והנרכשת וכיצד מערכות אלה מאפשרות לנו להילחם בפולשים מן החוץ. נדבר על מהו פתוגן, אנטיגן ונוגדן. כיצד מייצרים נוגדנים במעבדה, מה הם סוגיהם השונים ומה הם מאפייני הנוגדן שמאפשרים לנו להשתמש בו באבחונים וזיהויים מדעיים. מהי אותה בדיקה סרולוגית עליה שמענו כה הרבה בשנה האחרונה. 

העבודה הרטובה:

התלמידים יבצעו הדמיה של התפרצות מגיפה ע"י "החלפת נוזלי גוף" ואבחון ההתפרצות באמצעות ביצוע בדיקת אלייזה.

התלמידים יבצעו את כלל התהליך החל מקישור האנטיגן, דרך חסימת קישור של אתרים לא ספציפיים (והבנת חשיבות התהליך), צביעה עם נוגדן ראשוני, שניוני ויסיימו בביצוע ריאקציית צבע באמצעות הוספת סובסטרט לנוגדן שניוני המצומד לאנזים. 

 

• היסטולוגיה – אנטומיית הרקמה

העולם המופלא של התאמת מבנה לתפקוד

גוף האדם הינו מבנה מתואם ומתוכנן עד לפרטים הקטנים ביותר. התאמה מדוקדקת בין מבנה האיבר לתפקודו מאפשרת את ייעול המערכת וקבלת תפקוד מיטבי. במהלך הפעילות התלמידים ילמדו על מבנה הכליה, הטחול, השריר, המעי, הריאה והמח. ינתחו את ההתאמה בין המבנה של כל אחד מן האיברים הללו לבין תפקודו. ידונו במבנה המקרוסקופי לעומת המבנה המיקרוסקופי אשר יוכלו לראותת רק בעזרת  המיקרוסקופ. נדבר על כיצד ניתן לחקור רקמה לצורך אנאליזה מבנית תוך שמירה על כל רכיביה הטבעיים וראיית כלל מאפייניה.

העבודה הרטובה:

התלמידים יבצעו צביעת Hematoxylin  & Eosin של רקמות קפואות, תוך הבנת אופן פעילותה של הצביעה אשר מאפשרת לראות את מבנה הרקמה.

לאחר מכן התלמידים יבצעו צביעה לברזל/שיירי סוכר/שומנים לרקמות הרלוונטיות על מנת לצפות במבנים הקיימים ברקמות מסויימות בלבד ונובעים מתפקודן הייחודי.

 

• פיזיולוגיה של מערכות בגוף האדם

פעילות הממחישה את החומר הנלמד בנושא מערכות ההובלה והנשימה, ע"י צפייה באיברים העיקריים ומדידות של פרמטרים שונים הקשורים במערכות אלו. במעבדה ניתן דגש לנושא ההומאוסטאזיס ושמירתו במצבים פיזיולוגיים שונים.

במעבדה מתחלקים התלמידים לארבע קבוצות, ועושים סבב בין ארבע תחנות פעילות:

1. הלב ומערכת ההובלה:  ניתוח לב של תרנגול הודו; האזנה ללב בסטטוסקופ; מדידת קצב הלב במנוחה ובמאמץ; מדידת לחץ דם. 
2. מערכת הנשימה: התבוננות בריאות חזיר בריא; מדידת נפחי נשימה בספירומטר; בדיקת נפחי נשימה במנוחה, במאמץ ולאחר התאוששות; בדיקת ויסות הנשימה.
3. הגוף במאמץ:  מדידת א.ק.ג., נפח וקצב נשימה וטמפרטורת עור בזמן מנוחה, תוך כדי מאמץ ולאחר התאוששות. דיון בשמירת ההומאוסטאזיס במצבים משתנים.
4. ניזקי עישון: השוואה של מבנה ותפקוד ריאות חזיר בריא וריאות חזיר מעשן. דיון בנושא נזקי עישון לאור נתונים בנושא נזקי עישון באוכלוסיית הארץ והעולם.
   ניתן לעסוק בנושא נזקי העישון גם במשולב עם פעילות בנושא המתקיימת במעבדות הכימיה: במסגרת הפעילות נערך איפיון כימי של עשן סיגריות, והתלמידים דנים בנזקים הנגרמים ע"י מרכיבים שונים של הסיגריות.

 

• הקשר בין מבנה לתפקוד באנזים ליזוזים

הצצה אל העולם המופלא של החלבונים 

במהלך הפעילות יעמיקו התלמידים בהבנת תפקידן ותיפקודן של חומצות האמינו השונות הבונות את החלבון בפעילותו של האנזים ליזוזים, שהוא אנזים מופרש. התלמידים יתמודדו במעבדה עם תוצאות מפתיעות, והסברן.
במסגרת תרגיל ממוחשב נשתמש במודלים מפוענחים של הליזוזים על מנת לנתח את מבנה האנזים, את מבנה האתר הפעיל בו ועל מנת להשוות בין המבנה המרחבי של מולקולות ליזוזים מבעלי חיים שונים: ליזוזים מתרנגולת (ליזוזים ( C לעומת ליזוזים מאווז (ליזוזים G).

המעבדה משלבת עבודה מעשית "רטובה" ועבודה עם מודלים ממוחשבים של האנזים.

עבודה מעשית  "רטובה":

א. בדיקת השפעת גורמים שונים על מבנה ותפקוד האנזים: השפעת הטמפרטורה על תפקוד ומבנה; השפעת נוכחות חומר מחזר על מבנה החלבון ועל פעילותו; השפעת נוכחות תלת-סוכר (NAG3- ) בריכוזים שונים על קצב הפעילות האנזימטית. 

ב. גיבוש האנזים ליזוזים: בדיקת התנאים המיטביים ( pH  וריכוז מלח) לגיבוש החלבון, והסתכלות על גבישי ליזוזים מוכנים.

אנליזה ממוחשבת:

 עבודה עם תוכנה על המבנה המפוענח של החלבון ואינטגרציה של כל הנתונים בהם עסקנו במעבדה: מה משותף לחומצות האמיניות הבונות את האתר הפעיל, מה במבנה החלבון מקנה לו את יציבותו, איך פועל מעכב, כיצד יכולים חלבונים שונים לבצע את אותה הפעילות, ועוד.

 

• חקר- ביוחקר

ניתן לבצע במעבדות בלמונטה ביוחקר בנושאים הנגזרים מנושאי המעבדות הרגילות, ובנושאים רבים ומגוונים נוספים: טרופיזם בצמחים; השפעת הורמונים בצמחים; מיקרוביולוגיה, גנטיקה ועוד.

מהלך העבודה ישלב הכנה מוקדמת של התלמידים ע"י המורה בכיתה, לימוד טכניקות וביצוע הניסויים במעבדות בלמונטה וסיכום העבודה בכיתה.

בחירת הנושאים לחקר תעשה ע"י המורה ותלמידיו בתיאום עם מעבדות בלמונטה.  במסגרת הנושא הנבחר, תחקור כל קבוצה של 2-3 תלמידים שאלה שונה. לאחר שילמדו את הרקע לנושא בכיתה או בבית, ובהנחיית המורה, כל קבוצת תלמידים תנסח שאלת מחקר ותתכנן ניסוי לבחינת שאלת המחקר.

לאחר בדיקת תוכניות הניסוי של תלמידיו ויעוץ בנושא טכניקות העבודה איתנו, המורה יעביר אלינו את רשימת הגורמים שהתלמידים מעוניינים לבדוק, לבדיקת היתכנות ואנו נכין את המעבדה בהתאם להזמנת המורה. 

 

• מיקרוביולוגיה

הצצה אל עולמם המופלא של החיידקים

המעבדה מתאימה הן לתלמידים הלומדים את הנושא כנושא מורחב, והן לתלמידים שלומדים ע"פ תוכנית מוט"ב או אינם לומדים מיקרוביולוגיה כנושא מורחב.

1. מיקרוביולוגיה מורחב:

במעבדה זו התלמידים עוקבים אחר התרבות חיידקים. כל קבוצה של שלושה תלמידים מקבלת  חמש מערכות ניסוי באמצעותם הם עוקבים אחרי שלבי התרבות החיידקים בתרבית (עקום גידול) בתנאים שונים. כל התלמידים בודקים את השפעת הטמפרטורה על קצב התרבות החיידקים, וכל קבוצת תלמידים בודקת בנוסף, את השפעתו של גורם נוסף על קצב ושיעור התרבות החיידקים: השפעת ריכוז המלח במצע; השפעת ריכוז החמצן במצע; השפעת חומרים אנטיביוטיים שונים כמו פניצילין (אמפיצילין), כלורמפניקול וסטרפטומיצין.
במהלך המעבדה מתנסים התלמידים במגוון שיטות במיקרוביולוגיה:

1. הכרת סוגי מצע שונים, שימוש במצע מוצק לעומת מצע נוזלי.

2. מעקב אחרי התרבות חיידקים באמצעות מדידת עכירות התרבית בספקטרופוטומטר.

3. מדידת מספר החיידקים החיים באמצעות ספירה חיה. שיטה זו כוללת ביצוע מיהולים עשרוניים של החיידקים וזריעתם ע"ג פלטות מצע מוצק (אגר).

4. הסתכלות מיקרוסקופית בחיידקים, והשוואתם לתאים אנימליים (תאי לחי).

 

ב. התאמת המעבדה לנושא אקולוגיה לתלמידים שאינם לומדים מיקרוביולוגיה:

אוכלוסיית החיידקים מהווה מערכת מודל לחקר השפעת גורמים אביוטים וביוטים על קצב התרבות אוכלוסייה. בנוסף,  נבדקת אוכלוסיית החיידקים בסביבתנו - באוויר, במים וע"ג העור. בהזמנה מראש, ניתן לבדוק יחסי גומלין אללופתיים בין מיקרואורגניזמים מפרישי אנטיביוטיקה ומיקרואורגניזמים אחרים בקרקע.

במעבדה זו התלמידים עוקבים אחר התרבות החיידקים. כל קבוצה של שלושה תלמידים מקבלת שלוש מערכות ניסוי באמצעותם הם לומדים את השפעתם של גורם אחד על קצב ושיעור התרבות החיידקים. הגורמים הנבדקים במעבדה הם: השפעת טמפרטורה; השפעת ריכוז מלח; השפעת ריכוז חמצן; השפעת מרכיבי מצע והשפעת אנטיביוטיקה.

 

• פוטוסינטזה- ראקציית היל

ריאקצית היל נקראת ע"ש החוקר רוברט היל אשר מצא שכאשר מספקים לכלורופלסטים מבודדים חומר מחמצן שישמש כקולט אלקטרונים, מתקבל שחרור של חמצן מולקולרי בזמן הארה. ריאקציה זו מאפשרת מעקב אחרי חלק מ "שלב האור" בפוטוסינתזה.
במסגרת פעילות המעבדה, התלמידים בודקים כיצד ריכוז הכלורופלסטים, עוצמת ההארה, אורך הגל, והטמפרטורה משפיעים על קצב ריאקצית היל בכלורופלסטים מבודדים.
ביצוע ריאקצית היל בכלורופלסטים מבודדים נעשה במעבדה בנוכחות חומר מחמצן (DCPIP) שצבעו כחול. חיזור ה-DCPIP גורם לו לאבד את צבעו, והדבר מאפשר לעקוב אחרי קצב ריאקצית היל ע"י מעקב אחרי קצב שינוי הצבע במערכת הריאקציה, בעזרת ספקטרופוטומטר.
המעבדה מדגימה באופן חזותי פשוט וברור את "שלב האור" בפוטוסינתזה, ואת השפעת הגורמים השונים על קצב פעילות הכלורופלסטים. הרקע התיאורטי הניתן לפעילות המעבדה יכול לנוע מרמה בסיסית, בה יש תיאור עקרוני וכללי (יותר אינטואיטיבי) של הרקע והתוצאות  ועד לרמה גבוהה מאוד הכוללת התייחסות לכל שלבי הריאקציה, כל זאת,בהתאם לרמת הכיתה ולדרישות המורה.

עיבוד לחקר:  מעבדה זו מתאימה מאוד גם לביצוע כמעבדת חקר.
קבוצות של תלמידים המעוניינים לבצע חקר בנושא פוטוסינתזה, יכולים להיעזר בפרוטוקול הקיים. התלמידים יכולים לקבל כלורופלסטים מוכנים או לקבל מאיתנו פרוטוקול להפקת כלורופלסטים, ולהפיק הכלורופלסטים בעצמם, לפני הגיעם למעבדה.  לאחר שילמדו את הרקע לנושא, ובהנחיית המורה, כל קבוצת תלמידים תנסח שאלת מחקר ותתכנן ניסוי בו תבחן את שאלת המחקר. לאחר בדיקת תוכניות הניסוי של תלמידיו, המורה יעביר אלינו את רשימת הגורמים שהתלמידים מעוניינים לבדוק, ואנו נכין את המעבדה, בהתאם להזמנת המורה.

 

• הנדסה גנטית

הנדסה גנטית - גירסא מלאה:

 במעבדה זו כל קבוצה של שלושה תלמידים  מפיקה פלסמיד ומבצעת טרנספורמציה של חיידקים קומפטנטיים. במסגרת המעבדה מתנסים התלמידים בשיטות עבודה מגוונות בהנדסה גנטית:

1. הפקה ובידוד פלסמיד מחיידקים.

2. טרנספורמציה של חיידקים קומפטנטים עם הפלסמיד שבודד.

3.שימוש במצעים בררננים (סלקטיביים) ומבחינים (אינדיקטיביים) לבידוד וזיהוי החיידקים שעברו טרנספורמציה.

4. חיתוך DNA פלסמידי באנזימי רסטריקציה.

5. הרצת דגימות הפלסמיד בג'ל- אלקטרופורזה.

 

משך המעבדה כ 4-4.5 שעות.

רקע נדרש: "גנטיקה", יהודית עתידיה, 2004, עמ' 272, 240, 255.

 

טרנספורמציה בחיידקים (הנדסה גנטית - גירסא מקוצרת):

מעבדה מקוצרת בהנדסה גנטית. במעבדה זו התלמידים מקבלים פלסמיד מבודד ומבצעים טרנספורמציה של חיידקים קומפטנטים, תוך שימוש במצע בררני ומבחין (סלקטיבי ואינדיקטיבי). 
ניתן לשלב בנוסף גם את הפעילויות הבאות:

• הרצת DNA בג'ל- אלקטרופורזה.
• הפקת DNA מבננה
   

משך המעבדה: כ 3  שעות

 

• אבחון טרום השרשה באמצעות  PCR

במעבדה מודגם תהליך האבחון הנעשה לזוג הורים, לצאצאיהם ולתא אחד מן העובר העומד להיות מושרש ברחמה של האם. 

במשפחה ישנו חולה בציסטיק פיברוזיס, והאם רוצה להרות. לצורך כך, מבצעים אבחון-טרום השרשה ולאחריו הפריה חוץ גופית.
במעבדה מודגם תהליך אבחון-טרום השרשה הנעשה לזוג ההורים, לצאצאיהם ולתא אחד מן העובר העומד להיות מושרש ברחמה של האם. מטרת התלמידים במעבדה לבדוק האם העובר העומד להיות מושרש ברחמה של האם בריא, נשא או חולה בציסטיק פיברוזחס.
תהליך האבחו משלב שימוש בטכנולוגיות מתקדמות כמו PCR, חיתוך DNA באנזימי רסטריקציה, הרצת  ה DNA החתוך בג'ל- אלקטרופורזה, ושימוש במאגרים עולמיים ממוחשבים של רצפי DNA. 
השימוש בטכנולוגיה של אבחון טרום השרשה מעלה ומעורר שאלות אתיות שניתן לדון בהן במסגרת המעבדה או בכיתה.
המעבדה משלבת עבודה "רטובה" ועבודה מתוקשבת.

 

• ויסות גנים- אופרון הלקטוז

בנושא אופרון הלקטוז ניתן לבצע אחד משני הניסויים הבאים:

I. זיהוי גנוטיפ של מוטנטים בגנים שונים באופרון הלקטוז:

במעבדה זו התלמידים עוקבים אחר ביטוי הגנים של אופרון הלקטוז במצעים שונים בארבעה זנים של E.coli:
זן הבר בו כל הגנים תקינים;
מוטנט הפגוע בגן לדכאן (רפרסור) בלבד;
מוטנט הפגוע בגן לאנזים ביתא-גלקטוזידאז בלבד;
מוטנט הפגוע בגן לפרמיאז (המחדיר את הלקטוז דרך קרום התא) בלבד.

זהות המוטנטים לא ידועה לתלמידים בתחילת המעבדה, ועליהם לזהות את הגנוטיפ של כל זן ע"פ תוצאות הניסוי. זיהוי הזנים מתבסס על בדיקת מידת ביטוי האופרון של כל אחד מהזנים  ב-4 מצעים שונים: מצע עני, מצע עני בתוספת לקטוז, מצע עני בתוספת גלוקוז ולקטוז, ומצע עני בתוספת IPTG (משרן מלאכותי החודר לתא גם בהעדר פרמיאז).

לאחר ההדגרה במצעים השונים, נבדקת פעילות האנזים ביתא-גלקטוזידאז כמדד לפעילות האופרון. על פי ביטוי האופרון בתנאים השונים התלמידים מגיעים לזיהוי המוטנטים השונים איתם עבדו.

ביטוי האופרון נמדד במעבדה זו באמצעות ריאקצית צבע המתרחשת כאשר האנזים beta galactosidase מפרק סובסטרט מלאכותי ONPG, לתוצר צבעוני.

 

II. מעקב אחרי הקינטיקה של ביטוי אופרון הלקטוז :

במעבדה זו התלמידים עוקבים אחר קצב ביטוי הגנים של אופרון הלקטוז במצעים שונים: החיידקים גדלים  מצע עני; מצע עני עם לקטוז; מצע עני עם גלוקוז; מצע עני עם גלוקוז+לקטוז ומצע עני עם משרן מלאכותי IPTG. מערך הניסוי מאפשר מעקב אחרי הבקרה השלילית והבקרה החיובית על ביטוי אופרון הלקטוז.

גם במעבדה זו, ביטוי האופרון נמדד במעבדה זו באמצעות ריאקצית צבע המתרחשת כאשר האנזים beta galactosidase מפרק סובסטרט מלאכותי ONPG, לתוצר צבעוני.

 

• ביוסנסורים

שימוש בחיישן ביולוגי (ביוסנסור) לניטור חומרים גנוטוקסיים במים.

המודעות ההולכת וגוברת לזיהום סביבתי וסכנותיו, הגבירה את הצורך בניטור סביבתי של מים, אוויר וקרקע. אחת משיטות המעקב החדשניות אחר נוכחותם של חומרים רעילים היא מבחן הרעילות הביולוגי. חלק מן החומרים הרעילים ביולוגית הם חומרים גנוטוקסיים, חומרים שקיים בהם פוטנציאל לפגיעה ב DNA. 
ניטור החומרים הגנוטוקסיים נעשה תוך שימוש בחיידקים כביוסנסורים.  הביוסנסורים הם חיידקים מהונדסים גנטית, בהם נעשה איחוי בין חישן לבין מערכת דיווח. החיישן הוא גן בקרה (פרומוטור) של גנים המעורבים בתגובה לנזקי DNA. הגן מדווח הוא גן מבני שניתן להבחין בתוצר שלו. המערכת בנויה כך שביטוי הגן המדווח מוגבר בעקבות עירור מערכת החישה. כלומר,במצב עקה, למשל בנוכחותם של חומרים גנוטוקסיים, חלה עליה בביטויים של גנים אלו. 
במערכת בה משתמשים במעבדה, מרכיב החישה הוא הפרומוטר של הגן sulA, גן הקשור למערכת תיקון ה DNA, (מערכת ה SOS)  והמערכת המדווחת היא האנזים אלקלין פוספטאז (Alkaline phosphatase ) המקודד ע"י גן הנקרא phoA .
במסגרת פעילות המעבדה, התלמידים מבצעים ניסויים דומים לניסויים המתוארים במאמר: " פיתוח חיישן ביולוגי  לאיתור חומרים הפוגעים בחומר התורשתי" . התלמידים בודקים את השפעתם של ריכוזים שונים של שני חומרים גנוטוקסיים על שני זנים שונים של חיידקים מהונדסים, השונים זה מזה ביכולת תיקון DNA, ובמידת חדירות קרום התא.

המעבדה מתאימה במיוחד לתלמידים הלומדים ביוטכנולוגיה, ולתלמידים הלומדים גנטיקה מרחב. 

 

להרשמה