In che modo gli studenti delle scuole superiori possono conoscere una tecnologia complessa e astratta come CRISPR? È semplice:basta aggiungere acqua.

Un team guidato dalla Northwestern University ha sviluppato BioBits, una suite di kit didattici pratici che consentono agli studenti di eseguire una serie di esperimenti biologici aggiungendo acqua e semplici reagenti a reazioni prive di cellule liofilizzate. I kit collegano concetti biologici complessi a concetti visivi, letture fluorescenti, così gli studenti conoscono, dopo poche ore e con un solo sguardo, i risultati dei loro esperimenti.

Dopo aver lanciato BioBits la scorsa estate, i ricercatori stanno ora espandendo il kit per includere moduli per CRISPR e resistenza agli antibiotici. Un piccolo gruppo di insegnanti e studenti delle scuole superiori dell'area di Chicago ha appena completato il primo studio pilota per questi nuovi moduli, che includono esperimenti interattivi e materiali supplementari che esplorano l'etica e le strategie.

"Dopo aver svelato i primi kit, volevamo poi affrontare temi attuali e importanti per la società, " ha detto Michael Jewett della Northwestern, ricercatore principale dello studio. "Questo ci ha portato a due aree:la resistenza agli antibiotici e l'editing genetico".

Chiamato BioBits Health, i nuovi kit e lo studio pilota sono dettagliati in un articolo pubblicato oggi (7 maggio) sulla rivista Biologia sintetica ACS .

Jewett è professore di ingegneria chimica e biologica alla McCormick School of Engineering della Northwestern e co-direttore del Center for Synthetic Biology della Northwestern. Jessica Stark, uno studente laureato nel laboratorio di Jewett, condotto lo studio.

Prova in un tubo

Invece di usare cellule vive, il team di BioBits ha rimosso i macchinari cellulari essenziali dall'interno delle cellule e li ha liofilizzati per la stabilità a scaffale. Mantenere le cellule vive e contenute per un lungo periodo di tempo comporta diversi complicati, fasi di preparazione e lavorazione che richiedono tempo e attrezzature costose. Le reazioni prive di cellule liofilizzate aggirano tali complicazioni e costi.

"Queste sono essenzialmente reazioni biologiche in provetta, "disse Stark, un ricercatore laureato della National Science Foundation. "Rompiamo le cellule e usiamo le loro viscere, che contengono ancora tutti i macchinari biologici necessari per effettuare una reazione. Non abbiamo più bisogno di cellule viventi per dimostrare la biologia".

Questo metodo per sfruttare i sistemi biologici senza intatto, cellule viventi è diventato possibile negli ultimi due decenni grazie a molteplici innovazioni, inclusi molti in biologia sintetica senza cellule dal laboratorio di Jewett. Non solo questi esperimenti sono fattibili in classe, costano anche solo pochi centesimi rispetto ai progetti sperimentali ad alta tecnologia standard.

"Spero che gli studenti si entusiasmino per la biologia ingegneristica e vogliano saperne di più, " ha detto Jewett.

Alla conquista di CRISPR

Una delle più grandi scoperte scientifiche dell'ultimo decennio, CRISPR (pronunciato "più nitido") sta per Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. La potente tecnologia di modifica dei geni utilizza enzimi per tagliare il DNA in posizioni precise per disattivare o modificare i geni mirati. Potrebbe essere usato per fermare le malattie genetiche, sviluppare nuovi farmaci, rendere il cibo più nutriente e molto altro ancora.

BioBits Health utilizza tre componenti necessari per CRISPR:un enzima chiamato proteina Cas9, una sequenza di DNA bersaglio che codifica per una proteina fluorescente e una molecola di RNA che prende di mira il gene della proteina fluorescente. Quando gli studenti aggiungono tutti e tre i componenti, e l'acqua, al sistema privo di cellule liofilizzate, crea una reazione che modifica, o tagli, il DNA per la proteina fluorescente. Se il DNA viene tagliato, il sistema non si accende. Se il DNA non viene tagliato, viene prodotta la proteina fluorescente, e il sistema diventa fluorescente.

"Abbiamo collegato questo abstract, concetto biologico davvero avanzato alla presenza o assenza di una proteina fluorescente, " ha detto Stark. "È qualcosa che gli studenti possono vedere, qualcosa che possono capire visivamente."

Il curriculum include anche attività che sfidano gli studenti a considerare le questioni etiche e i dilemmi che circondano l'uso delle tecnologie di modifica genetica.

"C'è molta eccitazione riguardo alla possibilità di modificare i genomi con queste tecnologie, " ha detto Jewett. "BioBits Health richiama l'attenzione su molte domande importanti, non solo su come funziona la tecnologia CRISPR, ma sull'etica a cui la società dovrebbe pensare. Speriamo che questo promuova una conversazione e un dialogo su tali tecnologie".

Ridurre la resistenza

Jewett e Stark sono entrambi turbati da una previsione che, entro il 2050, le infezioni batteriche resistenti ai farmaci potrebbero superare il cancro come principale causa di morte. Ciò li ha motivati ​​ad aiutare a istruire la futura generazione di scienziati su come emerge la resistenza agli antibiotici e ispirarli a intraprendere azioni che potrebbero aiutare a limitare l'emergere di batteri resistenti.

In questo modulo, gli studenti eseguono due serie di reazioni per produrre una proteina fluorescente brillante, una con un gene di resistenza agli antibiotici e una senza. Gli studenti poi aggiungono gli antibiotici. Se l'esperimento si illumina, la proteina fluorescente è stata prodotta, e la reazione è diventata resistente agli antibiotici. Se l'esperimento non si illumina, allora l'antibiotico ha funzionato.

"Poiché utilizziamo sistemi privi di cellule piuttosto che organismi, possiamo dimostrare la resistenza ai farmaci in un modo che non crei batteri resistenti ai farmaci, " ha spiegato Stark. "Possiamo dimostrare questi concetti senza rischi".

Un pezzo di curriculum di supporto sfida gli studenti a fare brainstorming e strategie di ricerca per rallentare il tasso di ceppi resistenti agli antibiotici emergenti.

Parte di qualcosa di bello

Dopo il lancio di BioBits nell'estate del 2018, 330 scuole di tutto il mondo hanno richiesto kit prototipo per i loro laboratori di scienze. Il gruppo di ricerca, che include membri della Northwestern e del MIT, ha ricevuto incoraggianti riscontri dagli insegnanti, studenti e genitori.

"Gli studenti si sono sentiti scienziati e medici toccando e utilizzando i materiali di laboratorio forniti durante la demo, "Un insegnante ha detto. "Anche gli studenti che non sembravano impegnati stavano segretamente prestando attenzione e volevano fare il loro turno pipettando. Sapevano di essere parte di qualcosa di veramente fantastico, quindi siamo stati in grado di entrare in contatto con loro in un modo nuovo per loro".

"La mia parte preferita era usare l'attrezzatura, " ha detto uno studente. "È stata un'attività divertente che ti immerge in ciò che stanno facendo i migliori scienziati".