Undervisning i CRISPR og antibiotikaresistens til gymnasieelever

Hvordan kan gymnasieelever lære om en teknologi så kompleks og abstrakt som CRISPR? Det er enkelt:tilsæt blot vand.

Et team ledet af Northwestern University har udviklet BioBits, en række praktiske undervisningssæt, der gør det muligt for eleverne at udføre en række biologiske eksperimenter ved at tilføje vand og simple reagenser til frysetørrede cellefri reaktioner. Sættene forbinder komplekse biologiske koncepter med visuelle, fluorescerende udlæsninger, så eleverne ved – efter et par timer og med et enkelt blik – resultaterne af deres eksperimenter.

Efter lanceringen af ​​BioBits sidste sommer, forskerne udvider nu sættet til at omfatte moduler til CRISPR og antibiotikaresistens. En lille gruppe lærere og gymnasieelever i Chicago-området har netop afsluttet den første pilotundersøgelse for disse nye moduler, som omfatter interaktive eksperimenter og supplerende materialer, der udforsker etik og strategier.

"Efter vi afslørede de første sæt, vi ønskede derefter at tage fat på aktuelle emner, der er vigtige for samfundet, " sagde Northwesterns Michael Jewett, hovedforsker af undersøgelsen. "Det førte os til to områder:antibiotikaresistens og genredigering."

Kaldet BioBits Health, de nye kits og pilotundersøgelsen er beskrevet i et papir offentliggjort i dag (7. maj) i tidsskriftet ACS syntetisk biologi .

Jewett er professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Northwesterns McCormick School of Engineering og meddirektør for Northwesterns Center for Synthetic Biology. Jessica Stark, en kandidatstuderende i Jewetts laboratorium, ledet undersøgelsen.

Test i et rør

I stedet for at bruge levende celler, BioBits-teamet fjernede det essentielle cellulære maskineri inde fra cellerne og frysetørrede dem for at sikre hyldestabilitet. At holde celler i live og indesluttet i en længere periode involverer flere komplicerede, tidskrævende forberedelses- og forarbejdningstrin samt dyrt udstyr. Frysetørrede cellefri reaktioner omgår disse komplikationer og omkostninger.

"Dette er i det væsentlige reagensglas biologiske reaktioner, " sagde Stark, en National Science Foundation kandidatforsker. "Vi bryder cellerne op og bruger deres indvolde, som stadig indeholder alt det nødvendige biologiske maskineri til at udføre en reaktion. Vi har ikke længere brug for levende celler for at demonstrere biologi."

Denne metode til at udnytte biologiske systemer uden intakt, levende celler blev mulige i løbet af de sidste to årtier takket være flere innovationer, herunder mange i cellefri syntetisk biologi af Jewetts laboratorium. Ikke kun er disse eksperimenter mulige i klasseværelset, de koster også kun øre sammenlignet med standard højteknologiske eksperimentelle designs.

"Jeg håber, at studerende bliver begejstrede for ingeniørbiologi og vil lære mere, " sagde Jewett.

Erobre CRISPR

Et af de største videnskabelige gennembrud i det seneste årti, CRISPR (udtales "crisper") står for Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Den kraftfulde genredigeringsteknologi bruger enzymer til at skære DNA på præcise steder for at slukke eller redigere målrettede gener. Det kunne bruges til at stoppe genetiske sygdomme, udvikle nye lægemidler, gøre maden mere nærende og meget mere.

BioBits Health bruger tre komponenter, der kræves til CRISPR:et enzym kaldet Cas9-proteinet, en mål-DNA-sekvens, der koder for et fluorescerende protein og et RNA-molekyle, der målretter mod det fluorescerende proteingen. Når eleverne tilføjer alle tre komponenter – og vand – til det frysetørrede cellefri system, det skaber en reaktion, der redigerer, eller nedskæringer, DNA'et for det fluorescerende protein. Hvis DNA'et skæres, systemet lyser ikke. Hvis DNA'et ikke skæres, det fluorescerende protein er lavet, og systemet lyser fluorescerende.

"Vi har linket dette abstrakt, virkelig avanceret biologisk koncept til tilstedeværelsen eller fraværet af et fluorescerende protein, " sagde Stark. "Det er noget, eleverne kan se, noget, de visuelt kan forstå."

Læreplanen omfatter også aktiviteter, der udfordrer eleverne til at overveje de etiske spørgsmål og dilemmaer omkring brugen af ​​genredigeringsteknologier.

"Der er en masse spænding ved at kunne redigere genomer med disse teknologier, " sagde Jewett. "BioBits Health henleder opmærksomheden på en masse vigtige spørgsmål – ikke kun om, hvordan CRISPR-teknologien fungerer, men om etik, som samfundet bør tænke på. Vi håber, at dette fremmer en samtale og dialog om sådanne teknologier."

Reducerer modstand

Jewett og Stark er begge urolige over en forudsigelse om, at inden år 2050, lægemiddelresistente bakterielle infektioner kan overgå kræft som en førende dødsårsag. Dette motiverede dem til at hjælpe med at uddanne den fremtidige generation af forskere om, hvordan antibiotikaresistens opstår, og inspirere dem til at tage handlinger, der kan hjælpe med at begrænse fremkomsten af ​​resistente bakterier.

I dette modul, eleverne kører to sæt reaktioner for at producere et glødende fluorescerende protein – et sæt med et antibiotikaresistensgen og et sæt uden. Eleverne tilføjer derefter antibiotika. Hvis eksperimentet lyser, det fluorescerende protein er blevet lavet, og reaktionen er blevet resistent over for antibiotika. Hvis eksperimentet ikke lyser, så har antibiotikaen virket.

"Fordi vi bruger cellefri systemer i stedet for organismer, vi kan demonstrere lægemiddelresistens på en måde, der ikke skaber lægemiddelresistente bakterier, " Stark forklarede. "Vi kan demonstrere disse koncepter uden risici."

Et understøttende læseplan udfordrer eleverne til at brainstorme og forske i strategier for at bremse hastigheden af ​​nye antibiotikaresistente stammer.

En del af noget fedt

Efter at BioBits blev lanceret i sommeren 2018, 330 skoler fra hele verden anmodede om prototypesæt til deres videnskabelige laboratorier. Forskerholdet, som omfatter medlemmer fra Northwestern og MIT, har modtaget opmuntrende feedback fra lærere, elever og forældre.

"De studerende følte sig som videnskabsmænd og læger ved at røre ved og bruge laboratoriematerialerne, der blev leveret under demoen, " sagde en lærer. "Selv de elever, der ikke virkede forlovede, var hemmeligt opmærksomme og ville tage deres tur til at pipette. De vidste, at de var en del af noget virkelig fedt, så vi var i stand til at forbinde med dem på en måde, der var ny for dem."

"Min yndlingsdel var at bruge udstyret, " sagde en studerende. "Det var en sjov aktivitet, der fordyber dig i, hvad topforskere laver i øjeblikket."