BioBits:Undervisning i syntetisk biologi til K-12 studerende

Efterhånden som biologer har sonderet dybere ind i livets molekylære og genetiske fundament, K-12 skoler har kæmpet for at levere en læseplan, der afspejler disse fremskridt. Praktisk læring er kendt for at være mere engagerende og effektiv til at undervise elever i naturvidenskab, men selv de mest basale molekylær- og syntetiskbiologiske eksperimenter kræver udstyr langt ud over et gennemsnitligt klasseværelses budget, og involverer ofte brugen af ​​bakterier og andre stoffer, som kan være svære at håndtere uden for kontrollerede laboratoriemiljøer.

Nu, et samarbejde mellem Wyss Institute ved Harvard University, MIT, og Northwestern University har udviklet BioBits, nye pædagogiske biologisæt, der bruger frysetørrede cellefri (FD-CF) reaktioner for at sætte eleverne i stand til at udføre en række enkle, praktiske biologiske eksperimenter. BioBits kits introducerer molekylær og syntetisk biologi koncepter uden behov for specialiseret laboratorieudstyr, til en brøkdel af prisen på nuværende standard eksperimentelle designs. Sættene er beskrevet i to artikler udgivet i Videnskabens fremskridt .

"Den primære motivation ved at udvikle disse kits var at give eleverne sjove aktiviteter, der giver dem mulighed for rent faktisk at se, lugt, og røre ved resultaterne af de biologiske reaktioner, de laver på molekylært niveau, " sagde Ally Huang, en co-first forfatter på begge papirer, som er en MIT kandidatstuderende i laboratoriet hos Wyss Founding Core Faculty medlem Jim Collins, Ph.D. "Mit håb er, at de vil inspirere flere børn til at overveje en karriere inden for STEM [videnskab, teknologi, ingeniørarbejde, og matematik] og, mere generelt, give alle elever en grundlæggende forståelse af, hvordan biologi fungerer, fordi de måske en dag skal træffe personlige eller politiske beslutninger baseret på moderne videnskab."

Syntetisk og molekylær biologi gør ofte brug af det cellulære maskineri, der findes i E. coli-bakterier, til at producere et ønsket protein. Men dette system kræver, at bakterierne holdes i live og indesluttes i en længere periode, og involverer flere komplicerede forberedelses- og forarbejdningstrin. FD-CF-reaktionerne var banebrydende i Collins' laboratorium til molekylær fremstilling, kombineret med innovationer fra Michael Jewetts laboratorium, Ph.D. ved Northwestern University, tilbyde en løsning på dette problem ved at fjerne bakterier fra ligningen helt.

"Du kan tænke på det som at åbne motorhjelmen på en bil og tage motoren ud:Vi har taget 'motoren', der driver proteinproduktion ud af en bakteriecelle og givet den det brændstof, den har brug for, herunder ribosomer og aminosyrer, at skabe proteiner fra DNA uden for selve bakterien, " forklarede Jewett, hvem er Charles Deering McCormick professor i undervisningskvalitet ved Northwestern University's McCormick School of Engineering og meddirektør for Northwesterns Center for Synthetic Biology, og co-korresponderende forfatter til begge artikler. Denne samling af molekylært maskineri frysetørres derefter til pellets, så den bliver holdbar ved stuetemperatur. For at starte transkriptionen af ​​DNA til RNA og translationen af ​​det RNA til et protein, en elev skal blot tilføje det ønskede DNA og vand til de frysetørrede piller.

Forskerne designet en række molekylære eksperimenter, der kan udføres ved hjælp af dette system, og koblet hver af dem til et signal, som eleverne nemt kan opdage med deres synssans, lugt, eller røre ved. Den første, kaldet BioBits Bright, indeholder seks forskellige frysetørrede DNA-skabeloner, der hver koder for et protein, der fluorescerer en anden farve, når det belyses med blåt lys. For at producere proteinerne, studerende tilføjer simpelthen disse DNA-skabeloner og vand til FD-CF-maskineriet og lægger reaktionerne i en billig inkubator (~$30) i flere timer, og se dem derefter med en blå lys illuminator (~$15). Eleverne kan også designe deres egne eksperimenter for at producere en ønsket samling af farver, som de derefter kan arrangere til et visuelt billede, lidt som at bruge en Light Brite?. "At udfordre eleverne til at bygge deres egne in vitro syntetiske programmer giver også undervisere mulighed for at begynde at tale om, hvordan syntetiske biologer kan kontrollere biologi for at fremstille vigtige produkter, såsom medicin eller kemikalier, " forklarede Jessica Stark, en NSF Graduate Research Fellow i Jewett-laboratoriet ved Northwestern University, som er medforfatter på begge artikler.

En udvidelse af BioBits Bright-sættet, kaldet BioBits Explorer, omfatter eksperimenter, der engagerer lugtesansen og følesansen og giver eleverne mulighed for at undersøge deres miljø ved hjælp af syntetiske designerbiosensorer. I det første eksperiment, FD-CF-reaktionspellets indeholder et gen, der driver omdannelsen af ​​isoamylalkohol til isoamylacetat, en forbindelse, der producerer en stærk bananlugt. I det andet eksperiment, FD-CF-reaktionerne indeholder et gen, der koder for enzymet sortase, som genkender og forbinder specifikke segmenter af proteiner i en flydende opløsning sammen for at danne en squishy, halvfast hydrogel, som eleverne kan røre ved og manipulere. Det tredje modul bruger en anden Wyss-teknologi, tågrebssensoren, at identificere DNA ekstraheret fra en banan eller en kiwi. Sensorerne er hårnåleformede RNA-molekyler designet sådan, at når de binder til et "trigger" RNA, de springer ud og afslører en genetisk sekvens, der producerer et fluorescerende protein. Når frugt-DNA tilsættes til de sensorholdige FD-CF-pellets, kun de sensorer, der er designet til at åbne i nærværelse af hver frugts RNA, vil producere det fluorescerende protein.

Forskerne testede deres BioBits-sæt i Chicago Public School-systemet, og demonstrerede, at elever og lærere var i stand til at udføre eksperimenterne i sættene med samme succes som uddannede syntetiske biologiforskere. Ud over at forfine kittenes design, så de en dag kan levere dem til klasseværelser rundt om i verden, forfatterne håber at skabe en open source onlinedatabase, hvor lærere og elever kan dele deres resultater og ideer til måder at ændre sættene på for at udforske forskellige biologiske spørgsmål.

"Syntetisk biologi vil være en af ​​århundredets definerende teknologier, og alligevel har det været udfordrende at undervise i de grundlæggende begreber inden for feltet i klasseværelser på grundskole og 12-tallet, da sådanne anstrengelser ofte kræver dyre, kompliceret udstyr, " sagde Collins, som er en co-korrespondent forfatter til begge artikler og også Termeer professor i medicinsk teknik og videnskab ved MIT. "Vi viser, at det er muligt at bruge frysetørret, cellefri ekstrakter sammen med frysetørrede syntetiske biologiske komponenter til at udføre innovative pædagogiske eksperimenter i klasseværelser og andre miljøer med lav ressource. BioBits-sættene gør det muligt for os at eksponere små børn, ældre børn, og endda voksne til den syntetiske biologis vidundere og, som resultat, er klar til at transformere naturvidenskabelige uddannelser og samfund.

"Alle videnskabsmænd brænder for det, de laver, og vi er frustrerede over de vanskeligheder, vores uddannelsessystem har haft med at opildne et lignende niveau af passion hos unge mennesker. Dette BioBits-projekt demonstrerer den slags out-of-the-box-tænkning og afvisning af at acceptere status quo, som vi værdsætter og dyrker på Wyss Institute, og vi håber alle, at det vil stimulere unge mennesker til at blive fascineret af videnskab, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman Professor i Vascular Biology ved Harvard Medical School (HMS) og Vascular Biology Program ved Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Det er spændende at se dette projekt bevæge sig fremad og blive tilgængeligt for biologi klasseværelser over hele verden og, forhåbentlig vil nogle af disse studerende forfølge en vej inden for naturvidenskab på grund af deres erfaring."