När biologer har undersökt djupare in i livets molekylära och genetiska grunder, Grundskolor har kämpat för att tillhandahålla en läroplan som återspeglar dessa framsteg. Praktiskt lärande är känt för att vara mer engagerande och effektivt för att lära eleverna naturvetenskap, men även de mest grundläggande molekylär- och syntetiskbiologiska experimenten kräver utrustning långt över ett genomsnittligt klassrums budget, och involverar ofta användning av bakterier och andra ämnen som kan vara svåra att hantera utanför en kontrollerad labbmiljö.

Nu, ett samarbete mellan Wyss Institute vid Harvard University, MIT, och Northwestern University har utvecklat BioBits, nya pedagogiska biologisatser som använder frystorkade cellfria (FD-CF) reaktioner för att göra det möjligt för eleverna att utföra en rad enkla, praktiska biologiska experiment. BioBits kit introducerar molekylära och syntetiska biologikoncept utan behov av specialiserad labbutrustning, till en bråkdel av kostnaden för nuvarande standardexperimentkonstruktioner. Satsen beskrivs i två tidningar publicerade i Vetenskapens framsteg .

"Den främsta motivationen för att utveckla dessa kit var att ge eleverna roliga aktiviteter som gör att de faktiskt kan se, lukt, och rör resultatet av de biologiska reaktionerna de gör på molekylär nivå, sa Ally Huang, en co-första författare på båda tidningarna som är en MIT doktorand i labbet av Wyss Founding Core Faculty medlem Jim Collins, Ph.D. "Min förhoppning är att de kommer att inspirera fler barn att överväga en karriär inom STEM [vetenskap, teknologi, teknik, och matematik] och, mer allmänt, ge alla elever en grundläggande förståelse för hur biologi fungerar, eftersom de en dag kan behöva fatta personliga eller politiska beslut baserade på modern vetenskap."

Syntetisk och molekylär biologi använder sig ofta av det cellulära maskineriet som finns i E. coli-bakterier för att producera ett önskat protein. Men detta system kräver att bakterierna hålls vid liv och innesluts under en längre tid, och involverar flera komplicerade berednings- och bearbetningssteg. FD-CF-reaktionerna var banbrytande i Collins labb för molekylär tillverkning, i kombination med innovationer från Michael Jewetts labb, Ph.D. vid Northwestern University, erbjuda en lösning på detta problem genom att helt och hållet ta bort bakterier från ekvationen.

"Du kan tänka på det som att öppna motorhuven på en bil och ta ut motorn:vi har tagit "motorn" som driver proteinproduktion ut ur en bakteriecell och gett den det bränsle den behöver, inklusive ribosomer och aminosyror, att skapa proteiner från DNA utanför själva bakterien, " förklarade Jewett, som är Charles Deering McCormick Professor of Teaching Excellence vid Northwestern University's McCormick School of Engineering och meddirektör för Northwesterns Center for Synthetic Biology, och medförfattare till båda artiklarna. Denna samling av molekylära maskiner frystorkas sedan till pellets så att den blir lagringsstabil vid rumstemperatur. För att initiera transkriptionen av DNA till RNA och translationen av det RNA:t till ett protein, en elev behöver bara lägga till önskat DNA och vatten till de frystorkade pelletsen.

Forskarna designade en rad molekylära experiment som kan utföras med detta system, och kopplade var och en av dem till en signal som eleverna lätt kan upptäcka med sitt synsinne, lukt, eller rör. Den första, kallas BioBits Bright, innehåller sex olika frystorkade DNA-mallar som var och en kodar för ett protein som fluorescerar olika färger när de belyses med blått ljus. För att producera proteiner, eleverna lägger helt enkelt till dessa DNA-mallar och vatten till FD-CF-maskineriet och placerar reaktionerna i en billig inkubator (~$30) i flera timmar, och se dem sedan med en blått ljus illuminator (~$15). Eleverna kan också designa sina egna experiment för att producera en önskad samling av färger som de sedan kan arrangera till en visuell bild, lite som att använda en Light Brite?. "Att utmana eleverna att bygga sina egna in vitro syntetiska program gör det också möjligt för lärare att börja prata om hur syntetiska biologer kan kontrollera biologin för att göra viktiga produkter, såsom mediciner eller kemikalier, " förklarade Jessica Stark, en NSF Graduate Research Fellow i Jewett-labbet vid Northwestern University som är medförfattare på båda artiklarna.

En utökning av BioBits Bright-kit, kallas BioBits Explorer, inkluderar experiment som engagerar lukt- och känselsinne och låter eleverna undersöka sin miljö med hjälp av syntetiska biosensorer. I det första experimentet, FD-CF reaktionspellets innehåller en gen som driver omvandlingen av isoamylalkohol till isoamylacetat, en förening som ger en stark bananlukt. I det andra experimentet, FD-CF-reaktionerna innehåller en gen som kodar för enzymet sortas, som känner igen och länkar samman specifika segment av proteiner i en flytande lösning för att bilda en squishy, halvfast hydrogel, som eleverna kan röra och manipulera. Den tredje modulen använder en annan Wyss-teknik, tåhållsbrytarens sensor, för att identifiera DNA extraherat från en banan eller en kiwi. Sensorerna är hårnålsformade RNA-molekyler utformade så att när de binder till ett "trigger"-RNA, de öppnar sig och avslöjar en genetisk sekvens som producerar ett fluorescerande protein. När frukt-DNA läggs till de sensorinnehållande FD-CF-pellets, endast de sensorer som är designade att öppnas i närvaro av varje frukts RNA kommer att producera det fluorescerande proteinet.

Forskarna testade sina BioBits-kit i Chicago Public School-systemet, och visade att elever och lärare kunde utföra experimenten i kiten med samma framgång som utbildade syntetiska biologiforskare. Förutom att förfina kitens design så att de en dag kan ge dem till klassrum runt om i världen, författarna hoppas kunna skapa en onlinedatabas med öppen källkod där lärare och elever kan dela sina resultat och idéer om sätt att modifiera kiten för att utforska olika biologiska frågor.

"Syntetisk biologi kommer att bli en av århundradets avgörande teknologier, och ändå har det varit utmanande att lära ut de grundläggande begreppen inom området i grund- och gymnasieklassrum med tanke på att sådana ansträngningar ofta kräver dyra, komplicerad utrustning, sa Collins, som är medförfattare till båda artiklarna och även Termeer-professorn i medicinsk teknik och vetenskap vid MIT. "Vi visar att det är möjligt att använda frystorkad, cellfria extrakt tillsammans med frystorkade syntetiska biologikomponenter för att genomföra innovativa pedagogiska experiment i klassrum och andra miljöer med låga resurser. BioBits-satserna gör det möjligt för oss att exponera små barn, äldre barn, och även vuxna till den syntetiska biologins underverk och, som ett resultat, är redo att förändra naturvetenskaplig utbildning och samhälle.

"Alla forskare brinner för vad de gör, och vi är frustrerade över svårigheten vårt utbildningssystem har haft med att framkalla en liknande nivå av passion hos unga människor. Detta BioBits-projekt visar den typ av out-of-the-box-tänkande och vägran att acceptera status quo som vi värdesätter och odlar på Wyss Institute, och vi hoppas alla att det kommer att stimulera unga människor att fascineras av vetenskap, " sa Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School (HMS) och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, samt professor i bioteknik vid Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Det är spännande att se detta projekt gå framåt och bli tillgängligt för biologiklassrum över hela världen och, förhoppningsvis kommer några av dessa elever att gå en väg inom naturvetenskap på grund av sin erfarenhet."