¿Cómo pueden los estudiantes de secundaria aprender sobre una tecnología tan compleja y abstracta como CRISPR? Es simple:solo agrega agua.

Un equipo dirigido por la Northwestern University ha desarrollado BioBits, un conjunto de kits educativos prácticos que permiten a los estudiantes realizar una variedad de experimentos biológicos agregando agua y reactivos simples a reacciones libres de células liofilizadas. Los kits vinculan conceptos biológicos complejos con elementos visuales, lecturas fluorescentes, para que los alumnos sepan, al cabo de unas horas y de un solo vistazo, los resultados de sus experimentos.

Después de lanzar BioBits el verano pasado, los investigadores ahora están ampliando el kit para incluir módulos para CRISPR y resistencia a los antibióticos. Un pequeño grupo de profesores y estudiantes de secundaria del área de Chicago acaba de completar el primer estudio piloto para estos nuevos módulos, que incluyen experimentos interactivos y materiales complementarios que exploran la ética y las estrategias.

"Después de que presentamos los primeros kits, a continuación, queríamos abordar temas de actualidad que son importantes para la sociedad, "dijo Michael Jewett de Northwestern, investigador principal del estudio. "Eso nos llevó a dos áreas:la resistencia a los antibióticos y la edición de genes".

Llamado BioBits Health, Los nuevos kits y el estudio piloto se detallan en un artículo publicado hoy (7 de mayo) en la revista. Biología sintética ACS .

Jewett es profesor de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y codirector del Centro de Biología Sintética de Northwestern. Jessica Stark, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Jewett, dirigió el estudio.

Prueba en un tubo

En lugar de usar células vivas, El equipo de BioBits extrajo la maquinaria celular esencial del interior de las células y las liofilizó para mantenerlas en almacenamiento. Mantener las células vivas y contenidas durante un período prolongado de tiempo implica varias complicaciones, pasos de preparación y procesamiento que requieren mucho tiempo, así como equipos costosos. Las reacciones libres de células liofilizadas evitan esas complicaciones y costos.

"Se trata esencialmente de reacciones biológicas de probeta, "dijo Stark, becario de investigación graduado de la National Science Foundation. "Abrimos las células y usamos sus tripas, que aún contienen toda la maquinaria biológica necesaria para llevar a cabo una reacción. Ya no necesitamos células vivas para demostrar la biología ".

Este método para aprovechar los sistemas biológicos sin intactos, Las células vivas se hicieron posibles en las últimas dos décadas gracias a múltiples innovaciones, incluyendo muchos en biología sintética libre de células por el laboratorio de Jewett. Estos experimentos no solo son factibles en el aula, también cuestan solo unos centavos en comparación con los diseños experimentales estándar de alta tecnología.

"Espero que los estudiantes se entusiasmen con la biología de la ingeniería y quieran aprender más, "Dijo Jewett.

Conquistando CRISPR

Uno de los mayores avances científicos de la última década, CRISPR (pronunciado "nítido") significa repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas. La poderosa tecnología de edición de genes utiliza enzimas para cortar el ADN en ubicaciones precisas para desactivar o editar genes específicos. Podría usarse para detener enfermedades genéticas, desarrollar nuevos medicamentos, hacer que la comida sea más nutritiva y mucho más.

BioBits Health utiliza tres componentes necesarios para CRISPR:una enzima llamada proteína Cas9, una secuencia de ADN diana que codifica una proteína fluorescente y una molécula de ARN que se dirige al gen de la proteína fluorescente. Cuando los estudiantes agregan los tres componentes, y agua, al sistema sin células liofilizado, crea una reacción que edita, o cortes, el ADN de la proteína fluorescente. Si se corta el ADN, el sistema no brilla. Si el ADN no se corta, se produce la proteína fluorescente, y el sistema se ilumina con fluorescencia.

"Hemos vinculado este resumen, concepto biológico realmente avanzado a la presencia o ausencia de una proteína fluorescente, "Dijo Stark." Es algo que los estudiantes pueden ver, algo que puedan entender visualmente ".

El plan de estudios también incluye actividades que desafían a los estudiantes a considerar las cuestiones éticas y los dilemas que rodean el uso de tecnologías de edición de genes.

"Hay mucho entusiasmo por poder editar genomas con estas tecnologías, ", Dijo Jewett." BioBits Health llama la atención sobre muchas preguntas importantes, no solo sobre cómo funciona la tecnología CRISPR, sino también sobre la ética en la que la sociedad debería estar pensando. Esperamos que esto promueva una conversación y un diálogo sobre estas tecnologías ".

Reducir la resistencia

Jewett y Stark están preocupados por una predicción de que, para el año 2050, Las infecciones bacterianas resistentes a los medicamentos podrían superar al cáncer como una de las principales causas de muerte. Esto los motivó a ayudar a educar a la futura generación de científicos sobre cómo surge la resistencia a los antibióticos e inspirarlos a tomar acciones que podrían ayudar a limitar la aparición de bacterias resistentes.

En este módulo, los estudiantes ejecutan dos conjuntos de reacciones para producir una proteína fluorescente brillante:uno con un gen de resistencia a los antibióticos y otro sin él. Luego, los estudiantes agregan antibióticos. Si el experimento brilla, se ha elaborado la proteína fluorescente, y la reacción se ha vuelto resistente a los antibióticos. Si el experimento no brilla, entonces el antibiótico ha funcionado.

"Debido a que estamos usando sistemas libres de células en lugar de organismos, podemos demostrar la resistencia a los medicamentos de una manera que no cree bacterias resistentes a los medicamentos, "Explicó Stark." Podemos demostrar estos conceptos sin los riesgos ".

Una pieza curricular de apoyo desafía a los estudiantes a realizar una lluvia de ideas y estrategias de investigación para disminuir la tasa de cepas emergentes resistentes a los antibióticos.

Parte de algo genial

Después del lanzamiento de BioBits en el verano de 2018, 330 escuelas de todo el mundo solicitaron kits de prototipos para sus laboratorios de ciencias. El equipo de investigación que incluye miembros de Northwestern y MIT, ha recibido comentarios alentadores de los profesores, estudiantes y padres.

"Los estudiantes se sintieron como científicos y médicos al tocar y usar los materiales de laboratorio proporcionados durante la demostración, "dijo un maestro." Incluso los estudiantes que no parecían comprometidos estaban prestando atención en secreto y querían tomar su turno para pipetear. Sabían que eran parte de algo realmente genial así que pudimos conectarnos con ellos de una manera que era nueva para ellos ".

"Mi parte favorita fue usar el equipo, ", dijo un estudiante." Fue una actividad divertida que te sumerge en lo que están haciendo los mejores científicos ".