隨著生物學(xué)家對(duì)生命的分子和遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行更深入的探討，K-12學(xué)校一直在努力提供反映這些進(jìn)步的課程。眾所周知，實(shí)踐學(xué)習(xí)對(duì)于向?qū)W生教授科學(xué)更具吸引力和有效性，但即使是最基本的分子和合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)也要求設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般教室的預(yù)算，并且通常涉及使用細(xì)菌和其他可能的物質(zhì)。在受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外難以管理。

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)威斯研究所，麻省理工學(xué)院和西北大學(xué)之間的合作開發(fā)了BioBits，這是一種新的教育生物學(xué)試劑盒，使用凍干無細(xì)胞(FD-CF)反應(yīng)，使學(xué)生能夠進(jìn)行一系列簡(jiǎn)單的手 - 生物實(shí)驗(yàn)。BioBits試劑盒引入了分子和合成生物學(xué)概念，無需專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，成本僅為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一小部分。這些試劑盒在Science Advances上發(fā)表的兩篇論文中有描述。

“開發(fā)這些試劑盒的主要?jiǎng)訖C(jī)是為學(xué)生提供有趣的活動(dòng)，使他們能夠真實(shí)地看到，聞到并觸及他們?cè)诜肿铀缴纤錾锓磻?yīng)的結(jié)果，”共同第一作者Ally Huang說。在兩篇論文中，他們是Wyss創(chuàng)始核心教員Jim Profins博士的麻省理工學(xué)院研究生，博士。“我希望他們能激發(fā)更多孩子考慮從事STEM [科學(xué)，技術(shù)，工程和數(shù)學(xué)]的職業(yè)生涯，更廣泛地說，讓所有學(xué)生對(duì)生物學(xué)如何運(yùn)作有基本的了解，因?yàn)樗麄兛赡苡幸惶毂仨氉龌诂F(xiàn)代科學(xué)的個(gè)人或政策決定。“

合成和分子生物學(xué)經(jīng)常利用在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞機(jī)制來產(chǎn)生所需的蛋白質(zhì)。但是該系統(tǒng)要求細(xì)菌保持存活并長時(shí)間保存，并涉及幾個(gè)復(fù)雜的制備和加工步驟。FD-CF反應(yīng)是柯林斯分子制造實(shí)驗(yàn)室的先驅(qū)，與Michael Jewett博士實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新相結(jié)合。在西北大學(xué)，通過完全消除等式中的細(xì)菌，提供了解決這個(gè)問題的方法。

“你可以把它想象成打開汽車引擎蓋并取出發(fā)動(dòng)機(jī)：我們采用'引擎'驅(qū)動(dòng)蛋白質(zhì)生產(chǎn)從細(xì)菌細(xì)胞中獲取，并為其提供所需的燃料，包括核糖體和氨基酸，從細(xì)菌本身以外的DNA中創(chuàng)造出蛋白質(zhì)，“Jewett解釋說，他是西北大學(xué)McCormick工程學(xué)院的Charles Deering McCormick卓越教學(xué)教授，也是西北大學(xué)合成生物學(xué)中心的聯(lián)合主任，并且是兩者的共同作者。文件。然后將這組分子機(jī)器冷凍干燥成顆粒，使其在室溫下變得耐貯存。啟動(dòng)DNA轉(zhuǎn)錄為RNA并將該RNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，

研究人員設(shè)計(jì)了一系列可以使用該系統(tǒng)進(jìn)行的分子實(shí)驗(yàn)，并將每個(gè)分子實(shí)驗(yàn)與學(xué)生可以通過他們的視覺，嗅覺或觸覺輕松檢測(cè)到的信號(hào)相結(jié)合。第一種稱為BioBits Bright，含有六種不同的凍干DNA模板，每種模板編碼一種蛋白質(zhì)，當(dāng)用藍(lán)光照射時(shí)會(huì)發(fā)出不同顏色的熒光。為了生產(chǎn)這些蛋白質(zhì)，學(xué)生只需將這些DNA模板和水添加到FD-CF機(jī)器中，然后將反應(yīng)物放入便宜的培養(yǎng)箱(約30美元)中幾個(gè)小時(shí)，然后用藍(lán)光照明器(約15美元)觀察它們。學(xué)生們還可以設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)，以產(chǎn)生所需的顏色集合，然后將它們排列成視覺圖像，有點(diǎn)像使用Light Brite?“

BioBits Bright試劑盒的擴(kuò)展名為BioBits Explorer，包括吸引嗅覺和觸覺的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生使用設(shè)計(jì)師合成生物傳感器探測(cè)環(huán)境。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)D-CF反應(yīng)顆粒含有一個(gè)基因，該基因驅(qū)動(dòng)異戊醇轉(zhuǎn)化為乙酸異戊酯，這是一種產(chǎn)生強(qiáng)烈香蕉氣味的化合物。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)D-CF反應(yīng)含有編碼酶分選酶的基因，該基因識(shí)別并連接液體溶液中蛋白質(zhì)的特定區(qū)段，形成柔軟的半固體水凝膠，學(xué)生可以觸摸和操作。第三個(gè)模塊使用另一種Wyss技術(shù)，即門檻開關(guān)傳感器，來識(shí)別從香蕉或獼猴桃中提取的DNA。傳感器是發(fā)夾形RNA分子，其設(shè)計(jì)使得當(dāng)它們結(jié)合“觸發(fā)”RNA時(shí)，它們彈開并顯示產(chǎn)生熒光蛋白的基因序列。當(dāng)將水果DNA添加到含有傳感器的FD-CF顆粒中時(shí)，只有設(shè)計(jì)為在每種水果RNA存在下打開的傳感器才會(huì)產(chǎn)生熒光蛋白。

研究人員在芝加哥公立學(xué)校系統(tǒng)中測(cè)試了他們的BioBits試劑盒，并證明學(xué)生和教師能夠在試劑盒中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且與訓(xùn)練有素的合成生物學(xué)研究人員一樣成功。除了改進(jìn)套件的設(shè)計(jì)以便他們有朝一日可以將它們提供給世界各地的教室外，作者希望創(chuàng)建一個(gè)開源的在線數(shù)據(jù)庫，教師和學(xué)生可以分享他們的結(jié)果和想法，以便將工具包修改為探索不同的生物問題。

“合成生物學(xué)將成為本世紀(jì)的定義技術(shù)之一，但在K-12教室中教授該領(lǐng)域的基本概念一直具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些努力往往需要昂貴，復(fù)雜的設(shè)備，”柯林斯說，誰是這兩篇論文的共同作者，也是麻省理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)的Termeer教授。“我們證明可以使用冷凍干燥的無細(xì)胞提取物和凍干合成生物學(xué)成分在教室和其他資源匱乏的環(huán)境中進(jìn)行創(chuàng)新的教育實(shí)驗(yàn).BioBits試劑盒使我們能夠揭示年齡較大的幼兒孩子們，甚至是成年人對(duì)合成生物學(xué)的奇跡，并因此有望改變科學(xué)教育和社會(huì)。

“所有科學(xué)家都熱衷于他們所做的事情，我們對(duì)教育系統(tǒng)在激發(fā)年輕人類似激情方面遇到的困難感到沮喪。這個(gè)BioBits項(xiàng)目展示了那種開箱即用的思考和拒絕接受我們?cè)赪yss研究所重視和培養(yǎng)的現(xiàn)狀，我們都希望它能激發(fā)年輕人對(duì)科學(xué)的興趣，“Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber，醫(yī)學(xué)博士，博士說，他也是Judah Folkman哈佛醫(yī)學(xué)院血管生物學(xué)教授(HMS)和波士頓兒童醫(yī)院血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的生物工程教授。“它'