Naarmate biologen dieper in de moleculaire en genetische onderbouwing van het leven zijn gedoken, K-12-scholen hebben moeite gehad om een ​​curriculum te bieden dat deze vooruitgang weerspiegelt. Van hands-on leren is bekend dat het boeiender en effectiever is voor het onderwijzen van wetenschap aan studenten, maar zelfs de meest elementaire moleculaire en synthetische biologie-experimenten vereisen apparatuur die ver boven het budget van een gemiddeld klaslokaal ligt, en gaan vaak gepaard met het gebruik van bacteriën en andere stoffen die moeilijk te hanteren zijn buiten een gecontroleerde laboratoriumomgeving.

Nutsvoorzieningen, een samenwerking tussen het Wyss Institute aan de Harvard University, MIT, en Northwestern University heeft BioBits ontwikkeld, nieuwe educatieve biologiekits die gebruik maken van gevriesdroogde celvrije (FD-CF) reacties om leerlingen in staat te stellen een reeks eenvoudige, hands-on biologische experimenten. De BioBits-kits introduceren moleculaire en synthetische biologieconcepten zonder de noodzaak van gespecialiseerde laboratoriumapparatuur, tegen een fractie van de kosten van de huidige standaard experimentele ontwerpen. De kits worden beschreven in twee artikelen gepubliceerd in: wetenschappelijke vooruitgang .

"De belangrijkste motivatie bij het ontwikkelen van deze kits was om leerlingen leuke activiteiten te bieden waarmee ze daadwerkelijk kunnen zien, geur, en de uitkomsten van de biologische reacties die ze doen op moleculair niveau aanraken, " zei Ally Huang, een co-eerste auteur van beide papers die een MIT-afgestudeerde student is in het lab van Wyss Founding Core Faculty-lid Jim Collins, doctoraat "Ik hoop dat ze meer kinderen zullen inspireren om een ​​carrière in STEM [wetenschap, technologie, Engineering, en wiskunde] en, algemener, alle studenten een basiskennis geven van hoe biologie werkt, omdat ze op een dag misschien persoonlijke of beleidsbeslissingen moeten nemen op basis van moderne wetenschap."

Synthetische en moleculaire biologie maken vaak gebruik van de cellulaire machinerie die in E. coli-bacteriën wordt aangetroffen om een ​​gewenst eiwit te produceren. Maar dit systeem vereist dat de bacteriën in leven worden gehouden en gedurende een langere periode worden vastgehouden, en omvat verschillende gecompliceerde voorbereidings- en verwerkingsstappen. De FD-CF-reacties waren een pionier in het laboratorium van Collins voor moleculaire productie, in combinatie met innovaties uit het lab van Michael Jewett, doctoraat aan de Northwestern University, bieden een oplossing voor dit probleem door bacteriën helemaal uit de vergelijking te verwijderen.

"Je kunt het zien als het openen van de motorkap van een auto en het eruit halen van de motor:we hebben de 'motor' die de eiwitproductie uit een bacteriecel drijft, eruit gehaald en hem de brandstof gegeven die hij nodig heeft. inclusief ribosomen en aminozuren, om eiwitten van DNA buiten de bacteriën zelf te maken, " legde Jewett uit, die de Charles Deering McCormick Professor of Teaching Excellence is aan de McCormick School of Engineering van de Northwestern University en mededirecteur van het Northwestern's Centre for Synthetic Biology, en co-corresponderende auteur van beide artikelen. Deze verzameling moleculaire machines wordt vervolgens gevriesdroogd tot pellets, zodat ze bij kamertemperatuur houdbaar worden. Om de transcriptie van DNA in RNA en de translatie van dat RNA in een eiwit te initiëren, een student hoeft alleen maar het gewenste DNA en water toe te voegen aan de gevriesdroogde korrels.

De onderzoekers ontwierpen een reeks moleculaire experimenten die met dit systeem kunnen worden uitgevoerd, en elk van hen gekoppeld aan een signaal dat de leerlingen gemakkelijk kunnen detecteren met hun gezichtsvermogen, geur, of aanraken. De eerste, genaamd BioBits Bright, bevat zes verschillende gevriesdroogde DNA-sjablonen die elk coderen voor een eiwit dat een andere kleur fluoresceert wanneer het wordt verlicht met blauw licht. Om de eiwitten te produceren, studenten voegen deze DNA-templates en water gewoon toe aan de FD-CF-machine en zetten de reacties enkele uren in een goedkope incubator (~ $ 30), en bekijk ze vervolgens met een blauwlichtverlichting (~ $ 15). De studenten kunnen ook hun eigen experimenten ontwerpen om een ​​gewenste verzameling kleuren te produceren die ze vervolgens kunnen rangschikken in een visueel beeld, een beetje zoals het gebruik van een Light Brite?. "Door de studenten uit te dagen om hun eigen in vitro synthetische programma's te bouwen, kunnen docenten ook beginnen te praten over hoe synthetische biologen de biologie kunnen beheersen om belangrijke producten te maken, zoals medicijnen of chemicaliën, " legde Jessica Stark uit, een NSF Graduate Research Fellow in het Jewett-lab aan de Northwestern University die co-eerste auteur is van beide artikelen.

Een uitbreiding van de BioBits Bright-kit, genaamd BioBits Explorer, omvat experimenten die de zintuigen van geur en aanraking aanspreken en waarmee studenten hun omgeving kunnen onderzoeken met behulp van synthetische biosensoren van ontwerpers. In het eerste experiment, de FD-CF-reactiepellets bevatten een gen dat de omzetting van isoamylalcohol in isoamylacetaat stimuleert, een verbinding die een sterke bananengeur produceert. Bij het tweede experiment de FD-CF-reacties bevatten een gen dat codeert voor het enzym sortase, die specifieke segmenten van eiwitten in een vloeibare oplossing herkent en verbindt om een ​​squishy te vormen, halfvaste hydrogel, die de leerlingen kunnen aanraken en manipuleren. De derde module maakt gebruik van een andere Wyss-technologie, de voetschakelaarsensor, om DNA te identificeren dat is geëxtraheerd uit een banaan of een kiwi. De sensoren zijn haarspeldvormige RNA-moleculen die zo zijn ontworpen dat wanneer ze binden aan een "trigger" RNA, ze springen open en onthullen een genetische sequentie die een fluorescerend eiwit produceert. Wanneer fruit-DNA wordt toegevoegd aan de sensorhoudende FD-CF-pellets, alleen de sensoren die zijn ontworpen om te openen in de aanwezigheid van het RNA van elke vrucht, zullen het fluorescerende eiwit produceren.

De onderzoekers testten hun BioBits-kits in het Chicago Public School-systeem, en toonden aan dat studenten en docenten de experimenten in de kits met hetzelfde succes konden uitvoeren als getrainde onderzoekers van synthetische biologie. Naast het verfijnen van het ontwerp van de kits, zodat ze deze op een dag aan klaslokalen over de hele wereld kunnen leveren, de auteurs hopen een open-source online database te creëren waar docenten en studenten hun resultaten en ideeën kunnen delen voor manieren om de kits aan te passen om verschillende biologische vragen te onderzoeken.

"Synthetische biologie wordt een van de bepalende technologieën van de eeuw, en toch was het een uitdaging om de fundamentele concepten van het veld in K-12-klaslokalen te onderwijzen, aangezien dergelijke inspanningen vaak dure, ingewikkelde apparatuur, " zei Collins, die een co-corresponderende auteur is van beide artikelen en ook de Termeer Professor of Medical Engineering &Science aan het MIT. "We laten zien dat het mogelijk is om gevriesdroogde, celvrije extracten samen met gevriesdroogde synthetische biologiecomponenten om innovatieve educatieve experimenten uit te voeren in klaslokalen en andere omgevingen met weinig middelen. Met de BioBits-kits kunnen we jonge kinderen blootstellen, oudere kinderen, en zelfs volwassenen tot de wonderen van synthetische biologie en, als resultaat, staan ​​klaar om het wetenschappelijk onderwijs en de samenleving te transformeren.

"Alle wetenschappers zijn gepassioneerd over wat ze doen, en we zijn gefrustreerd door de moeilijkheid die ons onderwijssysteem heeft gehad om een ​​vergelijkbaar niveau van passie bij jonge mensen aan te wakkeren. Dit BioBits-project demonstreert het soort out-of-the-box denken en de weigering om de status-quo te accepteren die we waarderen en cultiveren bij het Wyss Institute, en we hopen allemaal dat het jonge mensen zal stimuleren om geïntrigeerd te raken door wetenschap, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School (HMS) en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) van Harvard. "Het is opwindend om te zien dat dit project vooruitgang boekt en beschikbaar komt voor biologieklaslokalen over de hele wereld en, hopelijk zullen sommige van deze studenten een pad in de wetenschap volgen vanwege hun ervaring."