Lehre CRISPR-und Antibiotika-Resistenzen zu high-school-Studenten: BioBits Gesundheit bringt hands-on, low-cost, high-tech synthetischen Biologie in den Unterricht

Wie können Schülerinnen und Schüler lernen über eine neue Technologie als zu Komplex und zu Abstrakt, als CRISPR? Es ist ganz einfach: man muss nur Wasser hinzufügen.

Ein Northwestern-Universität-geführtes team entwickelt hat BioBits, eine Reihe von „hands-on“ Bildungs-kits, die es Studenten ermöglichen, führen Sie eine Reihe von biologischen Experimenten durch die Zugabe von Wasser und einfache Reagenzien, Gefrier-getrocknete zellfreie Reaktionen. Die link-kits komplexe biologische Konzepte zu visuellen, fluoreszierende Anzeige, damit die Schüler wissen, – nach ein paar Stunden und mit einem einzigen Blick-die Ergebnisse Ihrer Experimente.

Nach dem Start BioBits letzten Sommer, jetzt bauen die Forscher des kit umfassen Module für die CRISPR-und Antibiotika-Resistenzen. Eine kleine Gruppe der Gegend von Chicago Lehrer und Schüler der Highschool gerade das erste Pilotstudie für diese neuen Module, zu denen auch interaktive Experimente und Ergänzende Materialien die Auseinandersetzung mit der Ethik und Strategien.

„Nachdem wir erstmals die ersten kits, die wir als Nächstes in Angriff nehmen wollten aktuelle Themen, die wichtig sind für die Gesellschaft“, sagte der Northwestern Michael Jewett, principal investigator der Studie. „Das führte uns zu zwei Bereichen: Antibiotika-Resistenz und die gen-Bearbeitung.“

Genannt BioBits Gesundheit, die neuen kits und pilot-Studie sind ausführlich in einem Papier veröffentlicht heute (7. Mai) in der Fachzeitschrift ACS Synthetischen Biologie.

Jewett ist professor für chemical and biological engineering, Northwestern McCormick School of Engineering und co-Direktor des Nordwest-Zentrums für Synthetische Biologie. Jessica Stark, ein student im Aufbaustudium in Jewett ‚ s Labor, der die Studie leitete.

Testen in einem Rohr

Anstelle der Verwendung von lebenden Zellen, die BioBits team entfernt, die essentielle zelluläre Maschinen aus dem inneren der Zellen und gefriergetrocknete Sie für die Regal-Stabilität. Das halten von Zellen lebendig und enthalten für einen längeren Zeitraum umfasst mehrere aufwendige und zeitraubende Vorbereitung und Verarbeitungsschritte als auch die teure Ausrüstung. Gefrier-getrocknete zellfreie Reaktionen umgehen diese Komplikationen und Kosten.

„Diese sind im wesentlichen die test-tube biologischen Reaktionen“, sagte Stark, ein National Science Foundation graduate research fellow. „Wir brechen die Zellen öffnen und verwenden Sie Ihre Eingeweide, die immer noch enthalten alle notwendigen biologischen Maschinen, die Durchführung einer Reaktion. Wir nicht mehr brauchen lebende Zellen, um zu demonstrieren, Biologie.“

Diese Methode nutzbar zu machen, die biologische Systeme, die ohne einen intakten, lebenden Zellen möglich geworden, in den letzten zwei Jahrzehnten durch mehrere Innovationen, darunter viele, die in der Zelle frei synthetischen Biologie durch Jewett ‚ s lab. Nicht nur sind diese Experimente machbar im Klassenzimmer, auch Sie Kosten nur ein paar Cent im Vergleich zu standard-high-tech-experimentellen designs.

„Ich bin hoffnungsvoll, dass die Schüler aufgeregt über das engineering, biology und mehr lernen wollen,“ Jewett, sagte.

Die Eroberung CRISPR

Einer der größten wissenschaftlichen Durchbrüche des letzten Jahrzehnts CRISPR (sprich: „schärfer“) steht für Gruppierte Regelmäßig Interspaced Kurze Palindrom Wiederholt. Der mächtige gen-editing-Technologie verwendet Enzyme schneiden die DNA in genaue Positionen zum deaktivieren oder Bearbeiten Sie gezielt Gene. Es könnte verwendet werden, um halt genetische Krankheiten, die die Entwicklung von neuen Medikamenten, machen Sie Essen mehr nahrhaft und vieles mehr.

BioBits Gesundheit verwendet drei Komponenten erforderlich CRISPR: ein Enzym namens Cas9-protein, Ziel-DNA-Sequenz-Codierung einem fluoreszierenden protein und einer RNA-Molekül, das auf die fluoreszierende protein-gen. Wenn die Schüler fügen Sie alle drei Komponenten — und Wasser — das gefriergetrocknete Zell-freien system, erstellt es eine Reaktion, dass änderungen oder Kürzungen, die DNA, die für das fluoreszierende protein. Wenn die DNA wird geschnitten, das system nicht Leuchten. Wenn die DNA nicht geschnitten wird, die fluoreszierende protein hergestellt wird, und das system leuchtet fluoreszierend.

„Wir verlinkt haben, diese abstrakte, wirklich fortschrittliche biologische Konzept, um die Anwesenheit oder Abwesenheit eines fluoreszierenden proteins,“ Stark sagte. „Es ist etwas, was die Schüler sehen können, etwas, das Sie visuell zu verstehen.“

Der Lehrplan umfasst auch Aktivitäten, die Herausforderung, Schüler zu berücksichtigen, die ethische Fragen und Probleme rund um den Einsatz von gen-editing-Technologien.

„Es gibt eine Menge Aufregung über die Möglichkeit, zu Bearbeiten Genome mit diesen Technologien,“ Jewett, sagte. „BioBits Gesundheit die Aufmerksamkeit auf viele wichtige Fragen-nicht nur darüber, wie CRISPR-Technologie funktioniert, sondern über Ethik, Gesellschaft, denken sollten. Wir hoffen, dass dies fördert das Gespräch und den Dialog über solche Technologien.“

Reduzieren Widerstand

Jewett und Stark sind beide beunruhigt, eine Vorhersage bis zum Jahr 2050, Medikamenten-resistenten bakteriellen Infektionen könnte schneller sein als Krebs als Todesursache. Dies motivierte Sie zu helfen, erziehen die zukünftige generation von Wissenschaftlern darüber, wie Antibiotika-Resistenz entsteht und Sie dazu inspirieren, Maßnahmen zu ergreifen, die helfen könnten, beschränken Sie die Entstehung von resistenten Bakterien.

In diesem Modul werden die Studierenden führen zwei Sätze von Reaktionen, die produzieren einer leuchtenden fluoreszierenden protein — ein Satz mit einem Antibiotika-Resistenz-gen und eine ohne. Die Schüler fügen Sie dann Antibiotika. Wenn das experiment leuchtet das fluoreszierende protein gemacht wurde, und die Reaktion gegen Antibiotika resistent werden. Wenn das experiment nicht Leuchten, dann ist das Antibiotikum gewirkt hat.

„Da wir uns mit der Zell-freien Systemen, sondern als Organismen, können wir zeigen, Droge-Widerstand in einer Weise, die nicht schaffen, werden Arzneimittel-resistente Bakterien,“ Stark erklärt. „Wir können zeigen, diese Konzepte, ohne die Risiken.“

Eine unterstützende curriculum Stück fordert die Schüler zu einem Brainstorming und Forschung Strategien für die Verlangsamung der rate der aufkommenden Antibiotika-resistente Stämme.

Teil von etwas zu kühl

Nach BioBits wurde im Sommer 2018, 330 Schulen aus der ganzen Welt angefordert prototype-kits für Ihre science-labs. Das Forscherteam, dem auch Mitglieder aus den Nordwestlichen und MIT erhalten hat, ermutigend, feedback von Lehrern, Schülern und Eltern.

„Die Schüler fühlten sich wie Wissenschaftler und ärzte, indem Sie berühren und mit dem Labor zur Verfügung gestellten Materialien während der demo,“ ein Lehrer sagte. „Sogar die Schüler, die nicht scheinen, beschäftigt waren heimlich Aufmerksamkeit und wollte ihrerseits Pipettieren. Sie wussten, dass Sie Teil von etwas wirklich cool, so konnten wir uns verbinden mit Ihnen in einer Weise, dass war neu für Sie.“

„Mein Lieblings-Teil war mit der Ausrüstung,“ ein Schüler sagte. „Es war eine lustige Aktivität, die Sie eintauchen in das, was top-Wissenschaftler sind derzeit dabei.“