Подписаться

Школьная биология выходит на новый уровень

  • 655
  • 1,5
  • 1
  • 0
Добавить в избранное
Новость

Какой школьник откажется «поиграть» с пробирками, содержащими флуоресцентные белки разных цветов? Белки слева направо: EBFP, ECFP, EGFP, YFP (Citrine), mHoneydew, mBanana, mOrange и mCherry.

Возможно, в ближайшем будущем школьники наконец-то получат возможность «потрогать руками» молекулярную биологию и почувствовать себя настоящими учеными. Команда американских ученых разработала уникальный набор для интерактивного обучения молекулярной биологии, с которым сможет справиться любой школьник, а результат выполнения заданий — пробирки, флуоресцирующие разными цветами, — никого не оставит равнодушным. Набор не предполагает наличия какого-то специального оборудования, а для выполнения заданий не требуется особых навыков — просто налить воды в пробирку и оставить на сутки! Стоимость набора, рассчитанного на класс из тридцати человек, составит менее $100, поэтому его сможет позволить себе любая школа. Наша статья посвящена этому технологическому чуду, которое может принципиально изменить концепцию школьного преподавания молекулярной биологии.

Что вы помните из школьных уроков биологии? Возможно, вы помните, как вскрывали лягушку или как разглядывали клетки кожицы лука в одноглазый микроскоп, устанавливая свет при помощи зеркальца? Что ж, вам повезло: сейчас в подавляющем большинстве школ обучение естественным наукам проходит вообще безо всякой экспериментальной работы, и школьники в лучшем случае выполняют задания в рабочих тетрадях, а в худшем — просто переписывают учебник. Обучение методам молекулярной биологии особенно затруднительно: дорогостоящие реактивы и оборудование не по карману никакой школе. Однако вполне вероятно, что эта вопиющая несправедливость в скором времени уйдет в прошлое. Недавно было объявлено о создании набора BioBits™ Bright, который предназначен для наглядной демонстрации ключевых идей молекулярной биологии [1]. Его создатели обещают не только увлекательные задания, с выполнением которых справится любой школьник, но и весьма привлекательную цену, делающую его доступным каждой школе.

Набор основан на использовании замороженных и высушенных реакционных смесей, включающих компоненты экспрессии генов в живых клетках: РНК-полимеразу, рибосомы, аминоацил-тРНК-синтетазы, факторы трансляции и др. Благодаря тому, что набор не включает живые клетки, его можно хранить при комнатной температуре более года. Для запуска реакции, имитирующей экспрессию генов, достаточно просто добавить воду и ДНК-матрицу в пробирку, содержащую замороженную и высушенную реакционную смесь (рис. 1а).

Набор включает два модуля. Задание первого модуля заключается в установлении зависимости уровня белка от количества ДНК, добавленной в пробирку. ДНК-матрица представлена замороженными и высушенными плазмидами, которые кодируют пять флуоресцентных белков разного цвета. Школьники должны добавить в пробирки разные количества плазмид и оставить реакционные смеси на сутки. Через сутки в пробирках будет наблюдаться флуоресценция разного цвета, видимая невооруженным глазом, причем чем больше ДНК было добавлено в пробирку, тем ярче будет флуоресценция. Так школьники смогут пронаблюдать центральную догму молекулярной биологии в действии (рис. 1б).

О том, что такое флуоресцентные белки, как они были открыты и используются, а также почему за них вручили Нобелевскую премию, «Биомолекула» не раз писала [3–7]. — Ред.

Во втором модуле ученикам предстоит самим придумать и поставить эксперимент с ДНК, кодирующей флуоресцентные белки. Для того чтобы дать простор фантазии, создатели набора включили в его состав 96-луночные планшеты с замороженными и высушенными реагентами и набор плазмид, кодирующих разноцветные флуоресцентные белки. Добавляя в определенные лунки плазмиды, кодирующие белки разных цветов, учащиеся смогут получать на планшетах настоящие картины, образованные этими лунками (рис. 1в).

Набор BioBits™ Bright

Рисунок 1. Набор BioBits™ Bright предоставляет уникальную возможность для школьников почувствовать себя настоящими молекулярными биологами. а — С помощью набора ученики могут получить наглядное представление о центральной догме молекулярной биологии по яркости флуоресценции пробирки с реакционной смесью, оставленной на сутки. б — В первом модуле школьникам предстоит пронаблюдать связь количества взятой для реакции ДНК-матрицы и белкового продукта, которое можно оценить по яркости флуоресценции. в — Второй модуль предлагает учащимся самим придумать и провести эксперимент с флуоресцентными белками, а именно, получить «рисунок» из флуоресцирующих лунок на 96-луночном планшете.

Создатели набора позаботились и о том, чтобы школьники из малоимущих школ могли увидеть разноцветные продукты реакций, и разработали два визуализатора, работающие на аккумуляторе: один для задания по титрованию ДНК из первого модуля, другой — для задания по созданию собственного эксперимента с разноцветными белками из второго модуля. Оба визуализатора содержат одни и те же ключевые компоненты: диод, испускающий свет с длиной волны 450 нм, акриловые пластинки, отфильтровывающие ненужный свет от диода, и собственно корпус. Более того, были созданы бюджетные инкубаторы, питающиеся от USB: первый можно настроить на 30 или 37 °С, а второй — на любую температуру в интервале 30–37 °С (рис. 2).

Дополнительное оборудование для работы с набором

Рисунок 2. Дополнительное оборудование для работы с набором. а — Портативный визуализатор для восьми пробирок, питающийся от аккумулятора. б — Визуализатор для результата собственного эксперимента, поставленного в 96-луночном планшете. Этот визуализатор тоже работает на аккумуляторе. в — Портативный инкубатор для 96 стандартных пробирок для ПЦР, который можно использовать для проведения реакции при температуре 30 или 37 °С. Как показано на диаграмме справа, при настройке инкубатора на температуру 30 °С можно получить выход белка, составляющий как минимум половину такового при использовании лабораторного инкубатора, причем выход белка достаточен для определения продукта реакции с помощью визуализатора.

В качестве дополнительных материалов к статье (размещенной, кстати, в открытом доступе) авторы в числе прочего опубликовали пять раздаточных материалов для школьников, в которых в игровой форме описывается методика эксперимента, представляющего собой вариацию на тему заданий из первого или второго модуля. Также в Supplementary вошли чертежи портативных визуализаторов и инкубаторов, которые пользователи набора могут собрать сами! Что ж, нам остается надеяться, что в ближайшем будущем чудо-набор доберется и до российских школ.

Литература

  1. Jessica C. Stark, Ally Huang, Peter Q. Nguyen, Rachel S. Dubner, Karen J. Hsu, et. al.. (2018). BioBits™ Bright: A fluorescent synthetic biology education kit. Sci. Adv.. 4, eaat5107;
  2. Биохакеры: молекулярная биология в стиле «сделай сам»;
  3. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
  4. Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!;
  5. Флуоресцентный белок miniSOG убивает клетки светом;
  6. Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
  7. Микроскопическое свечение космического масштаба.

Комментарии