A medida que los biólogos han profundizado en los fundamentos moleculares y genéticos de la vida, Las escuelas K-12 han tenido dificultades para proporcionar un plan de estudios que refleje esos avances. Se sabe que el aprendizaje práctico es más atractivo y eficaz para enseñar ciencia a los estudiantes, pero incluso los experimentos de biología molecular y sintética más básicos requieren un equipo mucho más allá del presupuesto promedio de un aula, ya menudo implican el uso de bacterias y otras sustancias que pueden ser difíciles de manejar fuera de un entorno de laboratorio controlado.

Ahora, una colaboración entre el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, MIT, y la Universidad Northwestern ha desarrollado BioBits, nuevos kits de biología educativa que utilizan reacciones liofilizadas sin células (FD-CF) para permitir a los estudiantes realizar una variedad de experimentos biológicos prácticos. Los kits de BioBits introducen conceptos de biología molecular y sintética sin la necesidad de equipos de laboratorio especializados, a una fracción del costo de los diseños experimentales estándar actuales. Los kits se describen en dos artículos publicados en Avances de la ciencia .

"La principal motivación para desarrollar estos kits fue brindarles a los estudiantes actividades divertidas que les permitan ver realmente, oler, y tocar los resultados de las reacciones biológicas que están haciendo a nivel molecular, "dijo Ally Huang, un co-primer autor en ambos artículos que es un estudiante graduado del MIT en el laboratorio de Jim Collins, miembro de la Facultad Fundadora de Wyss, Doctor. "Mi esperanza es que inspiren a más niños a considerar una carrera en STEM [ciencia, tecnología, Ingenieria, y matemáticas] y, más generalmente, dar a todos los estudiantes una comprensión básica de cómo funciona la biología, porque es posible que algún día tengan que tomar decisiones personales o políticas basadas en la ciencia moderna ".

La biología sintética y molecular con frecuencia hace uso de la maquinaria celular que se encuentra en la bacteria E. coli para producir una proteína deseada. Pero este sistema requiere que las bacterias se mantengan vivas y contenidas durante un período prolongado de tiempo, e implica varios pasos complicados de preparación y procesamiento. Las reacciones FD-CF fueron pioneras en el laboratorio de Collins para la fabricación molecular, cuando se combina con las innovaciones del laboratorio de Michael Jewett, Doctor. en la Universidad Northwestern, Ofrezca una solución a este problema eliminando las bacterias de la ecuación por completo.

"Se puede pensar en ello como abrir el capó de un automóvil y sacar el motor:hemos tomado el 'motor' que impulsa la producción de proteínas de una célula bacteriana y le hemos dado el combustible que necesita, incluyendo ribosomas y aminoácidos, para crear proteínas a partir del ADN fuera de la propia bacteria, "explicó Jewett, quien es el profesor Charles Deering McCormick de excelencia en la enseñanza en la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad de Northwestern y codirector del Centro de Biología Sintética de Northwestern, y coautor correspondiente de ambos artículos. Esta colección de maquinaria molecular luego se liofiliza en gránulos para que se vuelva estable en almacenamiento a temperatura ambiente. Para iniciar la transcripción del ADN en ARN y la traducción de ese ARN en una proteína, un estudiante solo necesita agregar el ADN y el agua deseados a los gránulos liofilizados.

Los investigadores diseñaron una serie de experimentos moleculares que se pueden realizar utilizando este sistema, y unió cada uno de ellos a una señal que los estudiantes pueden detectar fácilmente con su sentido de la vista, oler, o tocar. El primero, llamado BioBits Bright, contiene seis moldes de ADN liofilizados diferentes, cada uno de los cuales codifica una proteína que emite fluorescencia de un color diferente cuando se ilumina con luz azul. Para producir las proteínas, los estudiantes simplemente agregan estas plantillas de ADN y agua a la maquinaria FD-CF y colocan las reacciones en una incubadora económica (~ $ 30) durante varias horas, y luego véalas con un iluminador de luz azul (~ $ 15). Los estudiantes también pueden diseñar sus propios experimentos para producir una colección de colores deseada que luego pueden organizar en una imagen visual. un poco como usar un Light Brite ?. "Desafiar a los estudiantes a construir sus propios programas sintéticos in vitro también permite a los educadores comenzar a hablar sobre cómo los biólogos sintéticos podrían controlar la biología para hacer productos importantes, como medicamentos o productos químicos, "explicó Jessica Stark, un becario de investigación de posgrado de la NSF en el laboratorio Jewett de la Universidad Northwestern y coautor principal de ambos artículos.

Una expansión del kit BioBits Bright, llamado BioBits Explorer, incluye experimentos que involucran los sentidos del olfato y el tacto y permiten a los estudiantes sondear su entorno utilizando biosensores sintéticos de diseño. En el primer experimento, los gránulos de reacción FD-CF contienen un gen que impulsa la conversión de alcohol isoamílico en acetato de isoamilo, un compuesto que produce un fuerte olor a plátano. En el segundo experimento, las reacciones FD-CF contienen un gen que codifica la enzima sortasa, que reconoce y une segmentos específicos de proteínas en una solución líquida para formar un blando, hidrogel semisólido, que los estudiantes pueden tocar y manipular. El tercer módulo utiliza otra tecnología de Wyss, el sensor del interruptor de puntera, para identificar el ADN extraído de un plátano o un kiwi. Los sensores son moléculas de ARN en forma de horquilla diseñadas de tal manera que cuando se unen a un ARN "disparador", se abren y revelan una secuencia genética que produce una proteína fluorescente. Cuando se agrega ADN de fruta a los gránulos de FD-CF que contienen el sensor, solo los sensores que están diseñados para abrirse en presencia del ARN de cada fruta producirán la proteína fluorescente.

Los investigadores probaron sus kits de BioBits en el sistema de escuelas públicas de Chicago, y demostró que los estudiantes y maestros podían realizar los experimentos en los kits con el mismo éxito que los investigadores capacitados en biología sintética. Además de perfeccionar el diseño de los kits para que algún día puedan llevarlos a las aulas de todo el mundo, los autores esperan crear una base de datos en línea de código abierto donde profesores y estudiantes puedan compartir sus resultados e ideas sobre formas de modificar los kits para explorar diferentes cuestiones biológicas.

"La biología sintética será una de las tecnologías definitorias del siglo, y, sin embargo, ha sido un desafío enseñar los conceptos fundamentales del campo en las aulas K-12 dado que tales esfuerzos a menudo requieren costosos, equipo complicado, "dijo Collins, quien es coautor correspondiente de ambos artículos y también profesor Termeer de Ingeniería Médica y Ciencia en el MIT. "Demostramos que es posible utilizar liofilizados, extractos sin células junto con componentes biológicos sintéticos liofilizados para realizar experimentos educativos innovadores en las aulas y otros entornos de bajos recursos. Los kits de BioBits nos permiten exponer a los niños pequeños, niños mayores, e incluso adultos a las maravillas de la biología sintética y, como resultado, están preparados para transformar la educación científica y la sociedad.

"A todos los científicos les apasiona lo que hacen, y estamos frustrados por la dificultad que ha tenido nuestro sistema educativo para incitar un nivel similar de pasión en los jóvenes. Este proyecto BioBits demuestra el tipo de pensamiento innovador y el rechazo a aceptar el status quo que valoramos y cultivamos en el Instituto Wyss. y todos esperamos que estimule a los jóvenes a sentirse intrigados por la ciencia, "dijo el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Escuela de Medicina de Harvard (HMS) y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como profesor de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). "Es emocionante ver que este proyecto avanza y está disponible para las aulas de biología en todo el mundo y, con suerte, algunos de estos estudiantes seguirán un camino en la ciencia debido a su experiencia ".