Hoe kunnen middelbare scholieren leren over een technologie die zo complex en abstract is als CRISPR? Het is simpel:voeg gewoon water toe.

Een door de Northwestern University geleid team heeft BioBits ontwikkeld, een reeks praktische educatieve kits waarmee studenten een reeks biologische experimenten kunnen uitvoeren door water en eenvoudige reagentia toe te voegen aan gevriesdroogde celvrije reacties. De kits koppelen complexe biologische concepten aan visuele, fluorescerende uitlezingen, zodat studenten - na een paar uur en in één oogopslag - de resultaten van hun experimenten weten.

Na de lancering van BioBits afgelopen zomer, de onderzoekers breiden de kit nu uit met modules voor CRISPR en antibioticaresistentie. Een kleine groep leraren en middelbare scholieren in de omgeving van Chicago heeft zojuist de eerste pilotstudie voor deze nieuwe modules afgerond, waaronder interactieve experimenten en aanvullend materiaal over ethiek en strategieën.

"Nadat we de eerste kits hadden onthuld, vervolgens wilden we actuele onderwerpen aansnijden die belangrijk zijn voor de samenleving, " zei Michael Jewett van Northwestern, hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Dat leidde ons naar twee gebieden:antibioticaresistentie en genbewerking."

BioBits Gezondheid genoemd, de nieuwe kits en pilotstudie worden gedetailleerd beschreven in een paper dat vandaag (7 mei) in het tijdschrift is gepubliceerd ACS synthetische biologie .

Jewett is een professor in chemische en biologische technologie aan de McCormick School of Engineering van Northwestern en mededirecteur van het Northwestern's Centre for Synthetic Biology. Jessica Stark, een afgestudeerde student in Jewett's laboratorium, leidde de studie.

Test in een buis

In plaats van levende cellen te gebruiken, het BioBits-team verwijderde de essentiële cellulaire machinerie uit de cellen en gevriesdroogd voor houdbaarheid. Om cellen gedurende een langere periode in leven te houden en vast te houden, zijn verschillende gecompliceerde, tijdrovende voorbereidings- en verwerkingsstappen en dure apparatuur. Gevriesdroogde celvrije reacties omzeilen die complicaties en kosten.

"Dit zijn in wezen biologische reacties in reageerbuizen, " zei Stark, een afgestudeerde onderzoeker van de National Science Foundation. "We breken de cellen open en gebruiken hun ingewanden, die nog steeds alle noodzakelijke biologische machines bevatten om een ​​reactie uit te voeren. We hebben geen levende cellen meer nodig om biologie te demonstreren."

Deze methode om biologische systemen te benutten zonder intacte, levende cellen zijn de afgelopen twee decennia mogelijk geworden dankzij meerdere innovaties, waaronder veel in celvrije synthetische biologie door Jewett's lab. Deze experimenten zijn niet alleen uitvoerbaar in de klas, ze kosten ook slechts centen in vergelijking met standaard hightech experimentele ontwerpen.

"Ik hoop dat studenten enthousiast worden over technische biologie en meer willen leren, ' zei Jewett.

CRISPR veroveren

Een van de grootste wetenschappelijke doorbraken van het afgelopen decennium, CRISPR (spreek uit als "crisper") staat voor Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. De krachtige technologie voor het bewerken van genen gebruikt enzymen om DNA op precieze locaties te knippen om gerichte genen uit te schakelen of te bewerken. Het kan worden gebruikt om genetische ziekten te stoppen, nieuwe medicijnen ontwikkelen, voedsel voedzamer maken en nog veel meer.

BioBits Health gebruikt drie componenten die nodig zijn voor CRISPR:een enzym dat het Cas9-eiwit wordt genoemd, een doel-DNA-sequentie die codeert voor een fluorescerend eiwit en een RNA-molecuul dat zich richt op het fluorescerende eiwitgen. Wanneer studenten alle drie de componenten - en water - toevoegen aan het gevriesdroogde celvrije systeem, het creëert een reactie die bewerkt, of bezuinigingen, het DNA voor het fluorescerende eiwit. Als het DNA wordt geknipt, het systeem gloeit niet. Als het DNA niet wordt geknipt, het fluorescerende eiwit wordt gemaakt, en het systeem gloeit fluorescerend.

"We hebben deze samenvatting gekoppeld, echt geavanceerd biologisch concept voor de aanwezigheid of afwezigheid van een fluorescerend eiwit, " zei Stark. "Het is iets dat studenten kunnen zien, iets dat ze visueel kunnen begrijpen."

Het curriculum omvat ook activiteiten die studenten uitdagen om na te denken over de ethische vragen en dilemma's rond het gebruik van technologieën voor het bewerken van genen.

"Er is veel opwinding over het kunnen bewerken van genomen met deze technologieën, Jewett. "BioBits Health vestigt de aandacht op veel belangrijke vragen - niet alleen over hoe CRISPR-technologie werkt, maar ook over de ethiek waar de samenleving over zou moeten nadenken. We hopen dat dit een gesprek en dialoog over dergelijke technologieën bevordert."

Weerstand verminderen

Jewett en Stark hebben allebei last van een voorspelling dat, tegen het jaar 2050, geneesmiddelresistente bacteriële infecties zouden kanker als belangrijkste doodsoorzaak kunnen overtreffen. Dit motiveerde hen om de toekomstige generatie wetenschappers voor te lichten over hoe antibioticaresistentie ontstaat en hen te inspireren om acties te ondernemen die de opkomst van resistente bacteriën kunnen helpen beperken.

In deze module studenten voeren twee sets reacties uit om een ​​gloeiend fluorescerend eiwit te produceren - een set met een antibioticumresistentiegen en een set zonder. Studenten voegen vervolgens antibiotica toe. Als het experiment gloeit, het fluorescerende eiwit is gemaakt, en de reactie is resistent geworden tegen antibiotica. Als het experiment niet gloeit, dan heeft het antibioticum gewerkt.

"Omdat we celvrije systemen gebruiken in plaats van organismen, we kunnen resistentie tegen geneesmiddelen aantonen op een manier die geen resistente bacteriën creëert, " legde Stark uit. "We kunnen deze concepten demonstreren zonder de risico's."

Een ondersteunend curriculumstuk daagt studenten uit om te brainstormen en strategieën te onderzoeken om de snelheid van opkomende antibioticaresistente stammen te vertragen.

Onderdeel van iets cools

Nadat BioBits in de zomer van 2018 werd gelanceerd, 330 scholen van over de hele wereld vroegen prototypekits aan voor hun wetenschappelijke laboratoria. Het onderzoeksteam, waaronder leden van Northwestern en MIT, heeft bemoedigende feedback gekregen van docenten, leerlingen en ouders.

"De studenten voelden zich wetenschappers en artsen door het laboratoriummateriaal aan te raken en te gebruiken dat tijdens de demo werd aangeboden, " zei een leraar. "Zelfs de studenten die niet betrokken leken, luisterden stiekem en wilden op hun beurt pipetteren. Ze wisten dat ze deel uitmaakten van iets heel cools, dus we waren in staat om met hen in contact te komen op een manier die nieuw voor hen was."

"Mijn favoriete onderdeel was het gebruik van de apparatuur, ", zei een student. "Het was een leuke activiteit die je onderdompelt in wat topwetenschappers momenteel doen."