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BioBits为K-12学生教授合成生物学

BioBits套件旨在供没有生物培训的学生和教师使用。他们使用简单的实践实验 - 一些使用普通的家庭水果 - 来教授合成和分子生物学的概念。

随着生物学家对生命的分子和遗传基础进行更深入的探讨,K-12学校一直在努力提供反映这些进步的课程。事实上,实践学习对于向学生教授科学更具吸引力和有效性,但即使是最基本的分子和合成生物学实验也需要远远超出教室平均预算的设备,并且通常涉及使用细菌和其他可能的物质。在受控实验室环境之外难以管理。

现在,哈佛大学Wyss研究所,麻省理工学院和西北大学之间的合作开发了BioBits,这是一种新的教育生物学试剂盒,使用冻干无细胞(FD-CF)反应,使学生能够进行一系列简单的手 - 生物实验。BioBits试剂盒引入了分子和合成生物学概念,无需专业的实验室设备,成本仅为现有标准实验设计的一小部分。这些试剂盒在Science Advances上发表的两篇论文中有描述。

“开发这些试剂盒的主要动机是为学生提供有趣的活动,使他们能够真实地观察,嗅闻和触摸他们在分子水平上所做生物反应的结果,”共同第一作者Ally Huang说。在这两篇论文中,他们是Wyss创始核心教员Jim Profins博士的麻省理工学院研究生,博士。“我希望他们能激发更多孩子考虑从事STEM [科学,技术,工程和数学]的职业生涯,更广泛地说,让所有学生对生物学如何运作有基本的了解,因为他们可能有一天必须做基于现代科学的个人或政策决定。“

合成和分子生物学经常利用在大肠杆菌中发现的细胞机制来产生所需的蛋白质。但是该系统要求细菌保持存活并长时间保存,并涉及几个复杂的制备和处理步骤。FD-CF反应是柯林斯分子制造实验室的先驱,与Michael Jewett博士实验室的创新相结合。在西北大学,通过从方程式中完全去除细菌来解决这个问题。

“你可以把它想象成打开汽车引擎盖并取出发动机:我们采用'引擎'驱动蛋白质生产从细菌细胞中获取,并为其提供所需的燃料,包括核糖体和氨基酸,从细菌本身以外的DNA中创造蛋白质,“Jewett解释说,他是西北大学麦考密克工程学院的Charles Deering McCormick卓越教学教授,也是西北大学合成生物学中心的联合主任,并且是两者的共同作者。文件。然后将这组分子机器冷冻干燥成颗粒,使其在室温下变得耐贮存。启动DNA转录为RNA并将该RNA转化为蛋白质,

研究人员设计了一系列可以使用该系统进行的分子实验,并将每个分子实验与学生可以通过视觉,嗅觉或触觉轻松检测到的信号相结合。第一种称为BioBits Bright,含有六种不同的冷冻干燥DNA模板,每种模板编码一种蛋白质,当用蓝光照射时会发出不同颜色的荧光。为了生产这些蛋白质,学生只需将这些DNA模板和水添加到FD-CF机器中,然后将反应放在便宜的培养箱(约30美元)中几个小时,然后用蓝光照明器(约15美元)观察它们。学生们还可以设计自己的实验,以产生所需的颜色集合,然后将它们排列成视觉图像,有点像使用Light Brite?“

BioBits Bright试剂盒的扩展名为BioBits Explorer,包括吸引嗅觉和触觉的实验,让学生使用设计师合成生物传感器探测环境。在第一个实验中,FD-CF反应颗粒含有一个基因,该基因驱动异戊醇转化为乙酸异戊酯,这是一种产生强烈香蕉气味的化合物。在第二个实验中,FD-CF反应含有编码酶分选酶的基因,该基因识别并连接液体溶液中蛋白质的特定区段,形成柔软的半固体水凝胶,学生可以触摸和操作。第三个模块使用另一种Wyss技术,即门槛开关传感器,来识别从香蕉或奇异果中提取的DNA。传感器是发夹形RNA分子,其设计使得当它们结合“触发”RNA时,它们弹开并显示产生荧光蛋白的基因序列。当将水果DNA添加到含有传感器的FD-CF颗粒中时,只有设计为在每种水果RNA存在下打开的传感器才会产生荧光蛋白。

研究人员在芝加哥公立学校系统中测试了他们的BioBits试剂盒,并证明学生和教师能够在试剂盒中进行实验,并且与训练有素的合成生物学研究人员一样成功。除了改进套件的设计以便他们有朝一日可以将它们提供给世界各地的教室之外,作者希望创建一个开源的在线数据库,教师和学生可以分享他们的结果和想法,以便将套件修改为探索不同的生物问题。

“合成生物学将成为本世纪的定义技术之一,但在K-12教室中教授该领域的基本概念具有挑战性,因为这些努力往往需要昂贵,复杂的设备,”柯林斯说,谁是这两篇论文的共同作者,也是麻省理工学院医学工程与科学的Termeer教授。“我们证明可以使用冷冻干燥的无细胞提取物和冻干合成生物学成分在教室和其他资源匮乏的环境中进行创新的教育实验.BioBits试剂盒使我们能够揭示年龄较大的幼儿孩子们,甚至是成年人对合成生物学的奇迹,并因此有望改变科学教育和社会。

“所有科学家都热衷于他们的工作,我们对教育系统在激发年轻人类似激情方面的困难感到沮丧。这个BioBits项目展示了开箱即用的思维和拒绝接受我们在Wyss研究所重视和培养的现状,我们都希望它能激发年轻人对科学的兴趣,“Wyss研究所创始主任Donald Ingber医学博士,博士,同时也是Judah Folkman哈佛医学院血管生物学教授(HMS)和波士顿儿童医院血管生物学项目,以及哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程教授。“它'

这些论文的其他作者包括Peter Nguyen,Ph.D。,Nina Donghia和Wyss Institute的Tom Ferrante;Melissa Takahashi,Ph.D。来自麻省理工学院的Aaron Dy;来自西北大学的Karen Hsu和Rachel Dubner;Keith Pardee,博士,多伦多大学助理教授;以及芝加哥学校系统中的一些老师和学生,包括: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和TaRhonda Woods。

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