Hur kan gymnasieelever lära sig om en så komplex och abstrakt teknik som CRISPR? Det är enkelt:tillsätt bara vatten.

Ett team som leds av Northwestern University har utvecklat BioBits, en svit av praktiska utbildningssatser som gör det möjligt för eleverna att utföra en rad biologiska experiment genom att tillsätta vatten och enkla reagens till frystorkade cellfria reaktioner. Satsen kopplar komplexa biologiska koncept till visuella, fluorescerande avläsningar, så att eleverna vet – efter några timmar och med en enda blick – resultaten av sina experiment.

Efter att ha lanserat BioBits förra sommaren, forskarna utökar nu satsen till att omfatta moduler för CRISPR och antibiotikaresistens. En liten grupp lärare och gymnasieelever i Chicago-området har precis avslutat den första pilotstudien för dessa nya moduler, som inkluderar interaktiva experiment och kompletterande material som utforskar etik och strategier.

"Efter att vi presenterade de första kiten, vi ville sedan ta itu med aktuella ämnen som är viktiga för samhället, " sa Northwesterns Michael Jewett, huvudutredare för studien. "Det ledde oss till två områden:antibiotikaresistens och genredigering."

Kallas BioBits Health, de nya kiten och pilotstudien beskrivs i en artikel som publicerades idag (7 maj) i tidskriften ACS syntetisk biologi .

Jewett är professor i kemisk och biologisk teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering och meddirektör för Northwesterns Center for Synthetic Biology. Jessica Stark, en doktorand i Jewetts laboratorium, ledde studien.

Testa i ett rör

Istället för att använda levande celler, BioBits-teamet tog bort det väsentliga cellulära maskineriet inifrån cellerna och frystorkade dem för lagringsstabilitet. Att hålla celler vid liv och inneslutna under en längre tid innebär flera komplicerade, tidskrävande förberedelse- och bearbetningssteg samt dyrbar utrustning. Frystorkade cellfria reaktioner kringgår dessa komplikationer och kostnader.

"Detta är i huvudsak biologiska reaktioner i provrör, sa Stark, en forskarstipendiat från National Science Foundation. "Vi bryter upp cellerna och använder deras tarmar, som fortfarande innehåller alla nödvändiga biologiska maskineri för att utföra en reaktion. Vi behöver inte längre levande celler för att demonstrera biologi."

Denna metod för att utnyttja biologiska system utan intakt, levande celler blev möjliga under de senaste två decennierna tack vare flera innovationer, inklusive många inom cellfri syntetisk biologi av Jewetts labb. Inte bara är dessa experiment genomförbara i klassrummet, de kostar också bara slantar jämfört med standard high-tech experimentell design.

"Jag är hoppfull att studenter blir entusiastiska över ingenjörsbiologi och vill lära sig mer, " sa Jewett.

Erövrar CRISPR

Ett av de största vetenskapliga genombrotten under det senaste decenniet, CRISPR (uttalas "crisper") står för Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Den kraftfulla genredigeringstekniken använder enzymer för att skära DNA på exakta platser för att stänga av eller redigera riktade gener. Det kan användas för att stoppa genetiska sjukdomar, utveckla nya läkemedel, göra maten mer näringsrik och mycket mer.

BioBits Health använder tre komponenter som krävs för CRISPR:ett enzym som kallas Cas9-proteinet, en mål-DNA-sekvens som kodar för ett fluorescerande protein och en RNA-molekyl som riktar sig mot genen för fluorescerande protein. När eleverna lägger till alla tre komponenterna – och vatten – till det frystorkade cellfria systemet, det skapar en reaktion som redigerar, eller skärsår, DNA för det fluorescerande proteinet. Om DNA skärs, systemet lyser inte. Om DNA:t inte skärs, det fluorescerande proteinet görs, och systemet lyser fluorescerande.

"Vi har länkat detta sammandrag, ett riktigt avancerat biologiskt koncept för närvaron eller frånvaron av ett fluorescerande protein, " sa Stark. "Det är något elever kan se, något de visuellt kan förstå."

Läroplanen innehåller också aktiviteter som utmanar eleverna att överväga de etiska frågorna och dilemman kring användningen av genredigeringsteknik.

"Det finns mycket spänning över att kunna redigera genom med dessa teknologier, " Sa Jewett. "BioBits Health uppmärksammar många viktiga frågor – inte bara om hur CRISPR-teknik fungerar utan om etik som samhället borde tänka på. Vi hoppas att detta främjar ett samtal och en dialog om sådana tekniker."

Minska motståndet

Jewett och Stark är båda bekymrade över en förutsägelse att, till år 2050, läkemedelsresistenta bakterieinfektioner kan överträffa cancer som en ledande dödsorsak. Detta motiverade dem att hjälpa till att utbilda den framtida generationen av forskare om hur antibiotikaresistens uppstår och inspirera dem att vidta åtgärder som kan hjälpa till att begränsa uppkomsten av resistenta bakterier.

I denna modul, eleverna kör två uppsättningar reaktioner för att producera ett glödande fluorescerande protein – en uppsättning med en antibiotikaresistensgen och en uppsättning utan. Eleverna lägger sedan till antibiotika. Om experimentet lyser, det fluorescerande proteinet har gjorts, och reaktionen har blivit resistent mot antibiotika. Om experimentet inte lyser, då har antibiotikan fungerat.

"Eftersom vi använder cellfria system snarare än organismer, vi kan visa läkemedelsresistens på ett sätt som inte skapar läkemedelsresistenta bakterier, Stark förklarade. "Vi kan demonstrera dessa koncept utan riskerna."

En stödjande läroplansbit utmanar eleverna att brainstorma och forska om strategier för att bromsa frekvensen av nya antibiotikaresistenta stammar.

En del av något coolt

Efter att BioBits lanserades sommaren 2018, 330 skolor från hela världen efterfrågade prototypsatser för sina vetenskapslabb. Forskargruppen, som inkluderar medlemmar från Northwestern och MIT, har fått uppmuntrande feedback från lärare, elever och föräldrar.

"Eleverna kände sig som vetenskapsmän och läkare genom att röra vid och använda laboratoriematerialet som tillhandahålls under demon, ", sa en lärare. "Även eleverna som inte verkade engagerade var i hemlighet uppmärksamma och ville ta deras tur att pipettera. De visste att de var en del av något riktigt coolt, så vi kunde få kontakt med dem på ett sätt som var nytt för dem."

"Min favoritdel var att använda utrustningen, " sa en student. "Det var en rolig aktivitet som fördjupar dig i vad toppforskare håller på med för närvarande."