Poiché i biologi hanno sondato più a fondo le basi molecolari e genetiche della vita, Le scuole K-12 hanno lottato per fornire un curriculum che riflettesse questi progressi. L'apprendimento pratico è noto per essere più coinvolgente ed efficace per l'insegnamento delle scienze agli studenti, ma anche i più elementari esperimenti di biologia molecolare e sintetica richiedono attrezzature ben oltre il budget di una classe media, e spesso comportano l'uso di batteri e altre sostanze che possono essere difficili da gestire al di fuori di un ambiente di laboratorio controllato.

Ora, una collaborazione tra il Wyss Institute dell'Università di Harvard, MIT, e la Northwestern University ha sviluppato BioBits, nuovi kit di biologia didattica che utilizzano reazioni prive di cellule liofilizzate (FD-CF) per consentire agli studenti di eseguire una serie di semplici, esperimenti biologici pratici. I kit BioBits introducono concetti di biologia molecolare e sintetica senza la necessità di attrezzature di laboratorio specializzate, ad una frazione del costo degli attuali disegni sperimentali standard. I kit sono descritti in due articoli pubblicati in Progressi scientifici .

"La motivazione principale nello sviluppo di questi kit è stata quella di offrire agli studenti attività divertenti che permettessero loro di vedere realmente, odore, e toccare i risultati delle reazioni biologiche che stanno facendo a livello molecolare, " ha detto Ally Huang, un co-primo autore di entrambi gli articoli che è uno studente laureato del MIT nel laboratorio del membro della Wyss Founding Core Faculty Jim Collins, dottorato di ricerca "La mia speranza è che ispirino più ragazzi a prendere in considerazione una carriera in STEM [scienza, tecnologia, ingegneria, e matematica] e, più generalmente, dare a tutti gli studenti una comprensione di base di come funziona la biologia, perché un giorno potrebbero dover prendere decisioni personali o politiche basate sulla scienza moderna".

La biologia sintetica e molecolare fa spesso uso del macchinario cellulare presente nei batteri di E. coli per produrre la proteina desiderata. Ma questo sistema richiede che i batteri siano mantenuti in vita e contenuti per un lungo periodo di tempo, e comporta diversi passaggi complicati di preparazione e lavorazione. Le reazioni FD-CF introdotte nel laboratorio di Collins per la produzione molecolare, quando combinato con le innovazioni del laboratorio di Michael Jewett, dottorato di ricerca alla Northwestern University, offrire una soluzione a questo problema rimuovendo del tutto i batteri dall'equazione.

"Puoi immaginarlo come aprire il cofano di un'auto e togliere il motore:abbiamo preso il 'motore' che guida la produzione di proteine ​​da una cellula batterica e gli abbiamo dato il carburante di cui ha bisogno, compresi ribosomi e amminoacidi, per creare proteine ​​dal DNA al di fuori dei batteri stessi, " ha spiegato Jewett, chi è il Charles Deering McCormick Professor of Teaching Excellence presso la McCormick School of Engineering della Northwestern University e co-direttore del Center for Synthetic Biology della Northwestern, e co-autore corrispondente di entrambi i documenti. Questa raccolta di macchinari molecolari viene quindi liofilizzata in pellet in modo che diventi stabile a temperatura ambiente. Per avviare la trascrizione del DNA in RNA e la traduzione di quell'RNA in una proteina, uno studente deve solo aggiungere il DNA e l'acqua desiderati ai pellet liofilizzati.

I ricercatori hanno progettato una serie di esperimenti molecolari che possono essere eseguiti utilizzando questo sistema, e accoppiato ciascuno di essi a un segnale che gli studenti possono facilmente rilevare con il loro senso della vista, odore, o toccare. Il primo, chiamato BioBits Bright, contiene sei diversi modelli di DNA liofilizzati che codificano ciascuno una proteina che emette una fluorescenza di un colore diverso quando illuminata con luce blu. Per produrre le proteine, gli studenti aggiungono semplicemente questi modelli di DNA e acqua al macchinario FD-CF e mettono le reazioni in un incubatore economico (~ $ 30) per diverse ore, e quindi visualizzarli con un illuminatore a luce blu (~ $ 15). Gli studenti possono anche progettare i propri esperimenti per produrre una raccolta di colori desiderata che possono quindi organizzare in un'immagine visiva, un po' come usare un Light Brite?. "Sfidare gli studenti a costruire i propri programmi sintetici in vitro consente inoltre agli educatori di iniziare a parlare di come i biologi sintetici potrebbero controllare la biologia per realizzare prodotti importanti, come medicinali o prodotti chimici, "ha spiegato Jessica Stark, un NSF Graduate Research Fellow nel laboratorio Jewett della Northwestern University che è co-primo autore di entrambi gli articoli.

Un'espansione del kit BioBits Bright, chiamato BioBits Explorer, include esperimenti che coinvolgono i sensi dell'olfatto e del tatto e consentono agli studenti di sondare il loro ambiente utilizzando biosensori sintetici di design. Nel primo esperimento, i pellet di reazione FD-CF contengono un gene che guida la conversione dell'alcol isoamilico in acetato di isoamile, un composto che produce un forte odore di banana. Nel secondo esperimento, le reazioni FD-CF contengono un gene che codifica per l'enzima sortasi, che riconosce e collega tra loro segmenti specifici di proteine ​​in una soluzione liquida per formare uno squishy, idrogel semisolido, che gli studenti possono toccare e manipolare. Il terzo modulo utilizza un'altra tecnologia Wyss, il sensore dell'interruttore di punta, per identificare il DNA estratto da una banana o da un kiwi. I sensori sono molecole di RNA a forma di forcina progettate in modo tale che quando si legano a un RNA "innesco", si aprono e rivelano una sequenza genetica che produce una proteina fluorescente. Quando il DNA della frutta viene aggiunto ai pellet FD-CF contenenti sensori, solo i sensori progettati per aprirsi in presenza dell'RNA di ciascun frutto produrranno la proteina fluorescente.

I ricercatori hanno testato i loro kit BioBits nel sistema della scuola pubblica di Chicago, e ha dimostrato che studenti e insegnanti sono stati in grado di eseguire gli esperimenti nei kit con lo stesso successo dei ricercatori esperti di biologia sintetica. Oltre a perfezionare il design dei kit in modo che un giorno possano fornirli alle aule di tutto il mondo, gli autori sperano di creare un database online open source in cui insegnanti e studenti possano condividere i loro risultati e idee su come modificare i kit per esplorare diverse questioni biologiche.

"La biologia sintetica sarà una delle tecnologie fondamentali del secolo, eppure è stato difficile insegnare i concetti fondamentali del campo nelle aule K-12 dato che tali sforzi spesso richiedono costosi, attrezzatura complicata, " disse Collins, che è un co-autore corrispondente di entrambi i documenti e anche il Termeer Professor of Medical Engineering &Science al MIT. "Mostriamo che è possibile utilizzare liofilizzati, estratti privi di cellule insieme a componenti di biologia sintetica liofilizzati per condurre esperimenti educativi innovativi in ​​aule e altri ambienti a bassa risorsa. I kit BioBits ci consentono di esporre i bambini piccoli, ragazzi più grandi, e anche gli adulti alle meraviglie della biologia sintetica e, di conseguenza, sono pronti a trasformare l'educazione scientifica e la società.

"Tutti gli scienziati sono appassionati di quello che fanno, e siamo frustrati dalla difficoltà che il nostro sistema educativo ha avuto nell'incitare un simile livello di passione nei giovani. Questo progetto BioBits dimostra il tipo di pensiero fuori dagli schemi e il rifiuto di accettare lo status quo che apprezziamo e coltiviamo al Wyss Institute, e speriamo tutti che stimolerà i giovani ad essere incuriositi dalla scienza, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School (HMS) e il Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) di Harvard. "È emozionante vedere questo progetto andare avanti e diventare disponibile per le aule di biologia di tutto il mondo e, speriamo che alcuni di questi studenti perseguano un percorso scientifico grazie alla loro esperienza".