Как старшеклассники могут узнать о такой сложной и абстрактной технологии, как CRISPR? Это просто: просто добавьте воды.
Команда под руководством Северо-Западного университета разработала BioBits, набор практических учебных наборов, которые позволяют студентам проводить ряд биологических экспериментов, добавляя воду и простые реагенты в лиофилизированные бесклеточные реакции. Наборы связывают сложные биологические понятия с визуальными, флуоресцентными показаниями, поэтому учащиеся узнают - через несколько часов и с одного взгляда - результаты своих экспериментов.
После запуска BioBits прошлым летом исследователи теперь расширяют набор, включив в него модули для CRISPR и устойчивости к антибиотикам. Небольшая группа учителей и старшеклассников из Чикаго только что завершила первое экспериментальное исследование этих новых модулей, которые включают интерактивные эксперименты и дополнительные материалы по изучению этики и стратегий.
«После того, как мы представили первые наборы, мы захотели заняться текущими темами, которые важны для общества», - сказал Майкл Джуэтт из Northwestern, главный исследователь исследования. «Это привело нас к двум областям: устойчивость к антибиотикам и редактирование генов».
Названные BioBits He alth, новые наборы и пилотное исследование подробно описаны в статье, опубликованной сегодня (7 мая) в журнале ACS Synthetic Biology.
Джьюэтт - профессор химической и биологической инженерии в Инженерной школе Маккормика на Северо-Западе и содиректор Центра синтетической биологии Северо-Запада. Джессика Старк, аспирант лаборатории Джуэтта, руководила исследованием.
Тест в пробирке
Вместо того, чтобы использовать живые клетки, команда BioBits удалила из клеток необходимый клеточный механизм и высушила их вымораживанием для стабильности при хранении. Сохранение клеток живыми и содержащимися в течение длительного периода времени включает в себя несколько сложных, трудоемких этапов подготовки и обработки, а также дорогостоящее оборудование. Лиофилизированные бесклеточные реакции позволяют избежать этих осложнений и затрат.
«По сути, это биологические реакции в пробирке», - сказал Старк, научный сотрудник с дипломом Национального научного фонда. «Мы вскрываем клетки и используем их кишки, которые все еще содержат все необходимые биологические механизмы для проведения реакции. Нам больше не нужны живые клетки для демонстрации биологии».
Этот метод использования биологических систем без неповрежденных живых клеток стал возможен за последние два десятилетия благодаря многочисленным инновациям, в том числе многим в области бесклеточной синтетической биологии, разработанной в лаборатории Джуэтта. Мало того, что эти эксперименты можно проводить в классе, они также стоят копейки по сравнению со стандартными высокотехнологичными экспериментальными проектами.
«Я надеюсь, что студенты увлечены инженерной биологией и хотят узнать больше», - сказал Джуэтт.
Победа над CRISPR
Один из крупнейших научных прорывов последнего десятилетия, CRISPR (произносится как «четче») означает кластеризованные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы. Мощная технология редактирования генов использует ферменты для разрезания ДНК в определенных местах, чтобы отключить или отредактировать целевые гены. Его можно использовать для остановки генетических заболеваний, разработки новых лекарств, повышения питательной ценности продуктов и многого другого.
BioBits He alth использует три компонента, необходимых для CRISPR: фермент, называемый белком Cas9, целевую последовательность ДНК, кодирующую флуоресцентный белок, и молекулу РНК, нацеленную на ген флуоресцентного белка. Когда студенты добавляют все три компонента - и воду - в лиофилизированную бесклеточную систему, возникает реакция, которая редактирует или разрезает ДНК флуоресцентного белка. Если ДНК разрезать, система не светится. Если ДНК не разрезается, получается флуоресцентный белок, и система светится флуоресцентно.
«Мы связали эту абстрактную, действительно продвинутую биологическую концепцию с наличием или отсутствием флуоресцентного белка», - сказал Старк. «Это то, что ученики могут увидеть, что-то, что они могут понять визуально».
Учебная программа также включает занятия, которые заставляют учащихся задуматься об этических вопросах и дилеммах, связанных с использованием технологий редактирования генов.
«Существует много волнений по поводу возможности редактировать геномы с помощью этих технологий», - сказал Джуэтт.«BioBits He alth обращает внимание на множество важных вопросов - не только о том, как работает технология CRISPR, но и об этике, о которой должно думать общество. Мы надеемся, что это будет способствовать обсуждению и диалогу о таких технологиях».
Уменьшение сопротивления
Джьюэтт и Старк оба обеспокоены прогнозом, что к 2050 году лекарственно-устойчивые бактериальные инфекции могут превзойти рак как ведущую причину смерти. Это побудило их помочь обучить будущее поколение ученых тому, как возникает устойчивость к антибиотикам, и вдохновить их на действия, которые могли бы помочь ограничить появление устойчивых бактерий.
В этом модуле учащиеся запускают два набора реакций для получения светящегося флуоресцентного белка - один набор с геном устойчивости к антибиотикам и один набор без него. Затем студенты добавляют антибиотики. Если эксперимент светится, флуоресцентный белок был получен, и реакция стала устойчивой к антибиотикам. Если эксперимент не светится, значит, антибиотик сработал.
«Поскольку мы используем бесклеточные системы, а не организмы, мы можем продемонстрировать лекарственную устойчивость таким образом, чтобы не создавать устойчивые к лекарствам бактерии», - объяснил Старк. «Мы можем продемонстрировать эти концепции без риска».
Вспомогательная часть учебной программы побуждает учащихся провести мозговой штурм и исследовать стратегии замедления темпов появления штаммов, устойчивых к антибиотикам.
Часть чего-то крутого
После запуска BioBits летом 2018 года 330 школ со всего мира запросили наборы прототипов для своих научных лабораторий. Исследовательская группа, в которую входят представители Северо-Западного университета и Массачусетского технологического института, получила обнадеживающие отзывы от учителей, учащихся и родителей.
«Студенты чувствовали себя учеными и врачами, прикасаясь к лабораторным материалам, предоставленным во время демонстрации, и используя их», - сказал один из преподавателей.«Даже студенты, которые, казалось, не были заняты, тайно обращали внимание и хотели в свою очередь заняться пипетированием. Они знали, что являются частью чего-то действительно крутого, поэтому мы смогли связаться с ними новым для них способом».
"Мне больше всего нравилось пользоваться оборудованием", - сказал студент. «Это было забавное занятие, которое погружало вас в то, чем в настоящее время занимаются ведущие ученые».