Como os alunos do ensino médio podem aprender sobre uma tecnologia tão complexa e abstrata como o CRISPR? É simples:basta adicionar água.

Uma equipe liderada pela Northwestern University desenvolveu BioBits, um conjunto de kits educacionais práticos que permitem aos alunos realizar uma variedade de experimentos biológicos, adicionando água e reagentes simples para reações livres de células liofilizadas. Os kits ligam conceitos biológicos complexos a visuais, leituras fluorescentes, para que os alunos saibam - depois de algumas horas e com um único olhar - os resultados de seus experimentos.

Depois de lançar BioBits no verão passado, os pesquisadores agora estão expandindo o kit para incluir módulos para CRISPR e resistência a antibióticos. Um pequeno grupo de professores e alunos do ensino médio da área de Chicago acaba de concluir o primeiro estudo piloto para esses novos módulos, que incluem experimentos interativos e materiais complementares que exploram a ética e as estratégias.

"Depois de lançarmos os primeiros kits, em seguida, queríamos abordar tópicos atuais que são importantes para a sociedade, "disse Michael Jewett da Northwestern, investigador principal do estudo. "Isso nos levou a duas áreas:resistência a antibióticos e edição de genes."

Chamado BioBits Health, os novos kits e o estudo piloto são detalhados em artigo publicado hoje (7 de maio) na revista Biologia Sintética ACS .

Jewett é professor de engenharia química e biológica na McCormick School of Engineering da Northwestern e co-diretor do Center for Synthetic Biology da Northwestern. Jessica Stark, um estudante de graduação no laboratório de Jewett, conduziu o estudo.

Teste em um tubo

Em vez de usar células vivas, a equipe da BioBits removeu o maquinário celular essencial de dentro das células e as liofilizou para estabilidade de prateleira. Manter as células vivas e contidas por um longo período de tempo envolve vários complicados, etapas de preparação e processamento demoradas, bem como equipamentos caros. As reações livres de células liofilizadas contornam essas complicações e custos.

"Estas são essencialmente reações biológicas de tubo de ensaio, "disse Stark, bolsista de pós-graduação da National Science Foundation. "Nós quebramos as células e usamos suas entranhas, que ainda contém todo o maquinário biológico necessário para realizar uma reação. Não precisamos mais de células vivas para demonstrar a biologia. "

Este método para aproveitar os sistemas biológicos sem intactos, células vivas tornaram-se possíveis nas últimas duas décadas graças a várias inovações, incluindo muitos em biologia sintética livre de células pelo laboratório de Jewett. Esses experimentos não são apenas viáveis ​​em sala de aula, eles também custam apenas alguns centavos em comparação com projetos experimentais de alta tecnologia padrão.

"Tenho esperança de que os alunos fiquem entusiasmados com a biologia da engenharia e queiram aprender mais, "Disse Jewett.

Conquistando CRISPR

Um dos maiores avanços científicos da última década, CRISPR (pronuncia-se "mais nítido") significa Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. A poderosa tecnologia de edição de genes usa enzimas para cortar o DNA em locais precisos para desligar ou editar genes-alvo. Pode ser usado para interromper doenças genéticas, desenvolver novos medicamentos, tornar os alimentos mais nutritivos e muito mais.

BioBits Health usa três componentes necessários para CRISPR:uma enzima chamada proteína Cas9, uma sequência de DNA alvo que codifica uma proteína fluorescente e uma molécula de RNA que tem como alvo o gene da proteína fluorescente. Quando os alunos adicionam todos os três componentes - e água - ao sistema sem células liofilizado, cria uma reação que edita, ou cortes, o DNA da proteína fluorescente. Se o DNA for cortado, o sistema não brilha. Se o DNA não for cortado, a proteína fluorescente é feita, e o sistema fica fluorescente.

"Nós vinculamos este resumo, conceito biológico realmente avançado para a presença ou ausência de uma proteína fluorescente, "Stark disse." É algo que os alunos podem ver, algo que eles possam entender visualmente. "

O currículo também inclui atividades que desafiam os alunos a considerarem as questões e dilemas éticos que cercam o uso de tecnologias de edição de genes.

"Há muito entusiasmo em poder editar genomas com essas tecnologias, "Disse Jewett." A BioBits Health chama a atenção para muitas questões importantes - não apenas sobre como a tecnologia CRISPR funciona, mas também sobre a ética na qual a sociedade deveria estar pensando. Esperamos que isso promova uma conversa e um diálogo sobre essas tecnologias. "

Reduzindo a resistência

Jewett e Stark estão ambos preocupados com uma previsão de que, no ano de 2050, infecções bacterianas resistentes a medicamentos podem superar o câncer como uma das principais causas de morte. Isso os motivou a ajudar a educar a futura geração de cientistas sobre como surge a resistência aos antibióticos e os inspirou a tomar ações que poderiam ajudar a limitar o surgimento de bactérias resistentes.

Neste módulo, os alunos executam dois conjuntos de reações para produzir uma proteína fluorescente brilhante - um conjunto com um gene de resistência a antibióticos e outro sem. Os alunos então adicionam antibióticos. Se o experimento brilhar, a proteína fluorescente foi feita, e a reação tornou-se resistente aos antibióticos. Se o experimento não brilhar, então o antibiótico funcionou.

"Porque estamos usando sistemas livres de células em vez de organismos, podemos demonstrar resistência aos medicamentos de uma forma que não crie bactérias resistentes aos medicamentos, "Stark explicou." Podemos demonstrar esses conceitos sem os riscos. "

Uma peça curricular de apoio desafia os alunos a debater e pesquisar estratégias para diminuir a taxa de cepas resistentes a antibióticos emergentes.

Parte de algo legal

Depois que o BioBits foi lançado no verão de 2018, 330 escolas de todo o mundo solicitaram kits de protótipos para seus laboratórios de ciências. A equipe de pesquisa, que inclui membros da Northwestern e MIT, recebeu feedback encorajador de professores, alunos e pais.

"Os alunos se sentiram como cientistas e médicos ao tocar e usar os materiais de laboratório fornecidos durante a demonstração, "disse um professor." Mesmo os alunos que não pareciam engajados estavam secretamente prestando atenção e queriam ter sua vez de pipetar. Eles sabiam que faziam parte de algo muito legal, então, fomos capazes de nos conectar com eles de uma forma que era nova para eles. "

"Minha parte favorita era usar o equipamento, "um aluno disse." Foi uma atividade divertida que mergulha você no que os principais cientistas estão fazendo atualmente. "