A medida que los biólogos han profundizado en los fundamentos moleculares y genéticos de la vida, las escuelas K-12 han luchado para proporcionar un plan de estudios que refleje esos avances. Se sabe que el aprendizaje práctico es más atractivo y efectivo para enseñar ciencias a los estudiantes, peroIncluso los experimentos de biología molecular y sintética más básicos requieren equipos mucho más allá del presupuesto promedio de un aula, y a menudo implican el uso de bacterias y otras sustancias que pueden ser difíciles de manejar fuera de un entorno de laboratorio controlado.
Ahora, una colaboración entre el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, el MIT y la Universidad de Northwestern ha desarrollado BioBits, nuevos kits educativos de biología que utilizan reacciones sin células liofilizadas FD-CF para permitir a los estudiantes realizar una variedad de simples, experimentos biológicos prácticos. Los kits BioBits introducen conceptos de biología molecular y sintética sin la necesidad de equipos de laboratorio especializados, a una fracción del costo de los diseños experimentales estándar actuales. Los kits se describen en dos artículos publicados en Avances científicos .
"La motivación principal en el desarrollo de estos kits fue darles a los estudiantes actividades divertidas que les permitieran ver, oler y tocar los resultados de las reacciones biológicas que están haciendo a nivel molecular", dijo Ally Huang, un co-primer autor en ambos artículos que es un estudiante graduado del MIT en el laboratorio del miembro de la Facultad Fundacional Wyss Jim Collins, Ph.D. "Espero que inspiren a más niños a considerar una carrera en STEM [ciencia, tecnología, ingeniería,y matemáticas] y, en general, dar a todos los estudiantes una comprensión básica de cómo funciona la biología, porque algún día tendrán que tomar decisiones personales o políticas basadas en la ciencia moderna ".
La biología sintética y molecular con frecuencia hace uso de la maquinaria celular que se encuentra en la bacteria E. coli para producir una proteína deseada. Pero este sistema requiere que las bacterias se mantengan vivas y contenidas durante un período prolongado de tiempo, e implica varias preparaciones complicadas ypasos de procesamiento Las reacciones FD-CF fueron pioneras en el laboratorio de Collins para la fabricación molecular, cuando se combinan con las innovaciones del laboratorio de Michael Jewett, Ph.D. en la Universidad Northwestern, ofrecen una solución a este problema al eliminar las bacterias de la ecuación por completo.
"Puedes pensar en ello como abrir el capó de un automóvil y sacar el motor: hemos sacado el 'motor' que impulsa la producción de proteínas de una célula bacteriana y le hemos dado el combustible que necesita, incluidos ribosomas y aminoácidos, para crear proteínas a partir del ADN fuera de la bacteria misma ", explicó Jewett, quien es profesor de excelencia docente de Charles Deering McCormick en la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad de Northwestern y codirector del Centro de Biología Sintética de Northwestern y co-autor correspondientede ambos papeles. Esta colección de maquinaria molecular luego se liofiliza en gránulos para que se estabilice a la temperatura ambiente. Para iniciar la transcripción de ADN en ARN y la traducción de ese ARN en una proteína, un estudiante solo necesitaagregue el ADN y el agua deseados a los gránulos liofilizados.
Los investigadores diseñaron una variedad de experimentos moleculares que se pueden realizar usando este sistema, y combinaron cada uno de ellos con una señal que los estudiantes pueden detectar fácilmente con su sentido de la vista, el olfato o el tacto. El primero, llamado BioBits Bright,contiene seis plantillas de ADN liofilizadas diferentes, cada una de las cuales codifica una proteína que fluoresce de un color diferente cuando se ilumina con luz azul. Para producir las proteínas, los estudiantes simplemente agregan estas plantillas de ADN y agua a la maquinaria FD-CF y colocan las reacciones de forma económicaincubadora ~ $ 30 durante varias horas, y luego verlos con un iluminador de luz azul ~ $ 15. Los estudiantes también pueden diseñar sus propios experimentos para producir una colección deseada de colores que luego pueden organizar en una imagen visual, un pococomo usar un Light Brite? ". Retar a los estudiantes para que creen sus propios programas sintéticos in vitro también permite a los educadores comenzar a hablar sobre cómo los biólogos sintéticos podrían controlar la biología para fabricar productos importantes, comocomo medicamentos o productos químicos ", explicó Jessica Stark, investigadora graduada de NSF en el laboratorio Jewett de la Universidad de Northwestern, quien es coautora principal de ambos artículos.
Una expansión del kit BioBits Bright, llamado BioBits Explorer, incluye experimentos que involucran los sentidos del olfato y el tacto y permiten a los estudiantes explorar su entorno utilizando biosensores sintéticos de diseño. En el primer experimento, los gránulos de reacción FD-CF contienen un genque impulsa la conversión de alcohol isoamílico en acetato de isoamilo, un compuesto que produce un fuerte olor a plátano. En el segundo experimento, las reacciones FD-CF contienen un gen que codifica la enzima clasificada, que reconoce y une segmentos específicos de proteínas en un líquidosolución conjunta para formar un hidrogel semisólido blando, que los estudiantes pueden tocar y manipular. El tercer módulo utiliza otra tecnología Wyss, el sensor del interruptor de pie, para identificar el ADN extraído de un plátano o un kiwi. Los sensores tienen forma de horquilla.Las moléculas de ARN se diseñaron de manera tal que cuando se unen a un ARN "desencadenante", se abren y revelan una secuencia genética que produce una proteína fluorescente. Cuando se agrega ADN de fruta al sensoro que contienen gránulos de FD-CF, solo los sensores diseñados para abrirse en presencia del ARN de cada fruta producirán la proteína fluorescente.
Los investigadores probaron sus kits BioBits en el sistema de las Escuelas Públicas de Chicago y demostraron que los estudiantes y los maestros pudieron realizar los experimentos en los kits con el mismo éxito que los investigadores capacitados en biología sintética. Además de refinar el diseño de los kits para quealgún día pueden proporcionarlos a las aulas de todo el mundo, los autores esperan crear una base de datos en línea de código abierto donde los maestros y los estudiantes puedan compartir sus resultados e ideas sobre formas de modificar los kits para explorar diferentes preguntas biológicas.
"La biología sintética será una de las tecnologías definitorias del siglo y, sin embargo, ha sido un desafío enseñar los conceptos fundamentales del campo en las aulas de K-12 dado que tales esfuerzos a menudo requieren equipos costosos y complicados", dijoCollins, quien es co-corresponsal del autor de ambos artículos y también el Profesor Termeer de Ingeniería Médica y Ciencia en el MIT. "Mostramos que es posible usar extractos liofilizados y sin células junto con componentes de biología sintética liofilizadospara llevar a cabo experimentos educativos innovadores en las aulas y otros entornos de bajos recursos. Los kits BioBits nos permiten exponer a los niños pequeños, niños mayores e incluso adultos a las maravillas de la biología sintética y, como resultado, están preparados para transformar la educación científica y la sociedad.
"Todos los científicos sienten pasión por lo que hacen, y estamos frustrados por la dificultad que ha tenido nuestro sistema educativo para incitar un nivel similar de pasión en los jóvenes. Este proyecto BioBits demuestra el tipo de pensamiento innovadory la negativa a aceptar el status quo que valoramos y cultivamos en el Instituto Wyss, y todos esperamos que estimule a los jóvenes a estar intrigados por la ciencia ", dijo el Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien estambién el profesor de Biología Vascular Judah Folkman en la Escuela de Medicina de Harvard HMS y el Programa de Biología Vascular en el Hospital de Niños de Boston, así como el Profesor de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard SEAS ". Es emocionantepara ver este proyecto avanzar y estar disponible para las aulas de biología en todo el mundo y, con suerte, algunos de estos estudiantes seguirán un camino en ciencias debido a su experiencia ".
Los autores adicionales de los documentos incluyen Peter Nguyen, Ph.D., Nina Donghia y Tom Ferrante del Instituto Wyss; Melissa Takahashi, Ph.D. y Aaron Dy del MIT; Karen Hsu y Rachel Dubner de la Universidad Northwestern; KeithPardee, Ph.D., Profesor Asistente en la Universidad de Toronto; y varios maestros y estudiantes en el sistema escolar de Chicago, incluidos: Mary Anderson, Ada Kanapskyte, Quinn Mucha, Jessica Packett, Palak Patel, Richa Patel, Deema Qaq,Tyler Zondor, Julie Burke, Tom Martinez, Ashlee Miller-Berry, Aparna Puppala, Kara Reichert, Miriam Schmid, Lance Brand, Lander Hill, Jemima Chellaswamy, Nuhie Faheem, Suzanne Fetherling, Elissa Gong, Eddie Marie Gonzales, Teresa Granito, Jenna Koritsaris, Binh Nguyen, Sujud Ottman, Christina Palffy, Angela Patel, Sheila Skweres, Adriane Slaton y TaRhonda Woods.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Lindsay Brownell. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
Cita esta página :