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便宜的生物學試劑盒提供DNA的實踐經驗

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2018/08/06
為了幫助學生更好地掌握生物學概念,麻省理工學院和西北大學的研究人員設計了新的教育工具包,可用於透過DNA工程實現產生發光蛋白質、氣味或其他容易觀察到的實驗。圖片來源:麻省理工學院 Felice Frankel

冷凍乾燥的細胞成分組成,使得價格低廉穩定,並且可以在任何教室使用,即使在資源最少的學校也可以。

研究團隊中的Michael Jewett 教授表示,合成生物學是一種面向21世紀的技術,這些只需加水的試劑盒有望改變合成生物學教育。事實上,BioBits套件是友善使用的,以有趣和令人興奮的方式吸引感官,並減少生物安全問題。

研究人員在81日發表在Science Advances上的兩篇論文中,描述了兩個試劑盒BioBits BrightBioBits Explorer

實際動手操作的生物學

近年來,Collins實驗室一直致力於提取,和冷凍乾燥將DNA轉化為蛋白質所需分子機器的技術。他們開發了凍乾顆粒,其中含有從細胞中提取的許多酶和其他分子,並且可以在室溫下長時間儲存。加入水和DNA後,顆粒開始產生由DNA編碼的蛋白質。

CollinsJewett實驗室最近開始將這項技術應用於教育生物學工具包,希望為高中學生和年輕學生提供實踐經驗。

這個項目的目的是找到一種方法,以簡單易行的方式將這些實驗室實驗帶入非實驗室環境。

研究人員開始創造相當於玩具化學試劑盒,允許用戶在家中進行自己的簡單化學反應。

類似的工具包可用於幫助兒童建立自己的簡單電子或機器人系統,但研究人員表示,目前生物學並沒有具有成本效益的等價物。其中一個原因是大多數生物學實驗涉及活細胞,這需要昂貴的設備,來保持它們存活並且還可能帶來安全風險。麻省理工學院和西北大學的研究人員用他們的冷凍乾燥細胞成分克服了這一障礙。

研究人員表示,他們的目標是創建一個套件,教師可以打開盒子,將所有組件分發給孩子,沒有任何準備時間。 將含有DNA的水添加到這些凍乾的顆粒中,就可以產生各種不同的蛋白質,並可視化或感知這些蛋白質的不同輸出。

BioBits Bright試劑盒基於螢光蛋白。該試劑盒包括含有冷凍乾燥顆粒的試管,其中含有將DNA轉化為蛋白質所需的所有細胞成分,以及編碼幾種不同顏色螢光蛋白的DNA。學生可以將DNA添加到顆粒中,將管放入研究人員設計的便宜培養箱中,然後使用研究人員開發的15美元設備對其進行成像。

這種實驗,允許學生改變DNA添加量、孵化時間和反應溫度,幫助學生直接掌握生物學基因編碼的信息如何從DNA流向RNA蛋白質的中心法則。對於30名學生的教室,該套件的製作成本不到100美元,因此可以在預算有限的學校使用。

BioBits Explorer試劑盒中,研究人員包括編碼具有螢光以外輸出的蛋白質DNA,有助於教授其他生物學概念,如反應催化。試劑盒中包含的一個DNA序列編碼,將異戊醇轉化為香蕉油的酶,產生獨特的香味。另一種DNA序列產生可催化水凝膠形成的酶。該試劑盒還能讓學生從水果(如香蕉或獼猴桃)中提取DNA,然後使用能夠區分不同類型水果中DNA序列的傳感器進行測試。

除了課堂實驗,研究人員相信這些工具包可以用於學校科學社團,學生可以混搭組件,嘗試提出新的反應,或試驗找出他們可以做出的新的輸出組合。

在去年開始的芝加哥公立學校的試運行中,研究人員發現,從小學到高中的學生,能夠使用這些工具包成功地進行自己的實驗。

看到學生和教師的結果,表明首次成功的用戶可以成功運行BioBits Bright實驗室。 這些數據為研究人員提供了證據,證明這些試劑盒有可能顯著擴展在教室或其他非實驗室環境,中可能進行的實踐生物學活動。

該團隊現在正在構建BioBits Bright套件的新原型,該套件將於今年秋季在波士頓、劍橋和芝加哥的高中進行測試。研究人員推出了一個網站,以便創建一個開源社區,使教師能夠添加自己的支持課程,科學家們可以為這些工具包添加新的組件。

最終,研究人員希望建立一個更大的科學家和教育者社區,他們有興趣繼續將尖端科學轉化為實踐教育經驗。

研究人員希望這些工具包,不僅可以幫助學生掌握他們從生物學教科書和現實生物學事件中,學到的知識之間的聯繫,還可以激發他們對生物學或其他科學、技術、工程和數學職業生涯的興趣(STEM)領域。

Jewett希望BioBits套件能夠幫助學生將自己視為科學家,並希望這些開放式套件可以激勵下一代學生進行STEM教育。