Como os biólogos investigaram mais profundamente as bases moleculares e genéticas da vida, As escolas de ensino fundamental e médio têm se esforçado para fornecer um currículo que reflita esses avanços. A aprendizagem prática é conhecida por ser mais envolvente e eficaz para ensinar ciências aos alunos, mas mesmo os experimentos mais básicos de biologia molecular e sintética requerem equipamentos muito além do orçamento de uma sala de aula média, e muitas vezes envolvem o uso de bactérias e outras substâncias que podem ser difíceis de controlar fora de um ambiente de laboratório controlado.

Agora, uma colaboração entre o Wyss Institute da Harvard University, MIT, e a Northwestern University desenvolveu BioBits, novos kits educacionais de biologia que usam reações livres de células liofilizadas (FD-CF) para permitir que os alunos realizem uma variedade de simples, experimentos biológicos práticos. Os kits BioBits introduzem conceitos de biologia molecular e sintética sem a necessidade de equipamentos de laboratório especializados, a uma fração do custo dos projetos experimentais padrão atuais. Os kits são descritos em dois artigos publicados em Avanços da Ciência .

"A principal motivação no desenvolvimento desses kits foi oferecer aos alunos atividades divertidas que lhes permitissem ver de fato, cheiro, e tocar nos resultados das reações biológicas que estão fazendo no nível molecular, "disse Ally Huang, um co-primeiro autor em ambos os artigos que é um aluno de pós-graduação do MIT no laboratório de Jim Collins, membro do corpo docente da Fundação Wyss, Ph.D. "Minha esperança é que eles inspirem mais crianças a considerarem uma carreira em STEM [ciência, tecnologia, Engenharia, e matemática] e, De forma geral, dar a todos os alunos uma compreensão básica de como funciona a biologia, porque eles podem um dia ter que tomar decisões pessoais ou políticas com base na ciência moderna. "

A biologia sintética e molecular freqüentemente faz uso da maquinaria celular encontrada na bactéria E. coli para produzir a proteína desejada. Mas este sistema requer que a bactéria seja mantida viva e contida por um longo período de tempo, e envolve várias etapas complicadas de preparação e processamento. As reações FD-CF foram pioneiras no laboratório de Collins para fabricação molecular, quando combinado com inovações do laboratório de Michael Jewett, Ph.D. na Northwestern University, oferecem uma solução para este problema removendo completamente as bactérias da equação.

"Você pode pensar nisso como abrir o capô de um carro e tirar o motor:pegamos o 'motor' que impulsiona a produção de proteínas de uma célula bacteriana e demos a ela o combustível de que precisa, incluindo ribossomos e aminoácidos, para criar proteínas de DNA fora da própria bactéria, "explicou Jewett, quem é o Charles Deering McCormick Professor de Excelência em Ensino da Escola de Engenharia McCormick da Northwestern University e codiretor do Centro de Biologia Sintética da Northwestern, e co-autoria de ambos os artigos. Esta coleção de maquinaria molecular é então liofilizada em pellets para que se torne estável em temperatura ambiente. Para iniciar a transcrição de DNA em RNA e a tradução desse RNA em uma proteína, o aluno só precisa adicionar o DNA e a água desejados às pelotas liofilizadas.

Os pesquisadores projetaram uma série de experimentos moleculares que podem ser realizados usando este sistema, e acoplou cada um deles a um sinal que os alunos podem detectar facilmente com seu sentido de visão, cheiro, ou toque. O primeiro, chamado BioBits Bright, contém seis diferentes modelos de DNA liofilizado, cada um codificando uma proteína que produz uma fluorescência em uma cor diferente quando iluminada com luz azul. Para produzir as proteínas, os alunos simplesmente adicionam esses modelos de DNA e água ao mecanismo FD-CF e colocam as reações em uma incubadora barata (~ $ 30) por várias horas, e, em seguida, visualize-os com um iluminador de luz azul (~ $ 15). Os alunos também podem projetar seus próprios experimentos para produzir uma coleção desejada de cores que eles podem organizar em uma imagem visual, um pouco como usar um Light Brite ?. "Desafiar os alunos a construir seus próprios programas sintéticos in vitro também permite que os educadores comecem a falar sobre como os biólogos sintéticos podem controlar a biologia para fazer produtos importantes, como medicamentos ou produtos químicos, "explicou Jessica Stark, um NSF Graduate Research Fellow no laboratório Jewett na Northwestern University que é o co-autor em ambos os artigos.

Uma expansão do kit BioBits Bright, chamado BioBits Explorer, inclui experimentos que envolvem os sentidos do olfato e tato e permitem que os alunos investiguem seu ambiente usando biossensores sintéticos projetados. No primeiro experimento, os pellets de reação FD-CF contêm um gene que conduz a conversão de álcool isoamílico em acetato de isoamila, um composto que produz um forte odor de banana. No segundo experimento, as reações de FD-CF contêm um gene que codifica para a enzima sortase, que reconhece e liga segmentos específicos de proteínas em uma solução líquida para formar um hidrogel semi-sólido, que os alunos podem tocar e manipular. O terceiro módulo usa outra tecnologia Wyss, o sensor do interruptor de apoio, para identificar o DNA extraído de uma banana ou kiwi. Os sensores são moléculas de RNA em forma de grampo projetadas de forma que, quando se ligam a um RNA "gatilho", eles se abrem e revelam uma sequência genética que produz uma proteína fluorescente. Quando o DNA da fruta é adicionado aos pellets FD-CF contendo o sensor, apenas os sensores projetados para abrir na presença do RNA de cada fruta irão produzir a proteína fluorescente.

Os pesquisadores testaram seus kits BioBits no sistema de escolas públicas de Chicago, e demonstraram que alunos e professores foram capazes de realizar os experimentos nos kits com o mesmo sucesso que pesquisadores treinados em biologia sintética. Além de refinar o design dos kits para que um dia possam disponibilizá-los para salas de aula de todo o mundo, os autores esperam criar um banco de dados online de código aberto onde professores e alunos podem compartilhar seus resultados e ideias sobre maneiras de modificar os kits para explorar diferentes questões biológicas.

"A biologia sintética será uma das tecnologias definidoras do século, e ainda tem sido um desafio ensinar os conceitos fundamentais do campo em salas de aula K-12, uma vez que tais esforços muitas vezes exigem caro, equipamento complicado, "disse Collins, que é um co-autor correspondente de ambos os artigos e também o Termeer Professor of Medical Engineering &Science no MIT. “Mostramos que é possível usar liofilizados, extratos livres de células junto com componentes de biologia sintética liofilizados para conduzir experimentos educacionais inovadores em salas de aula e outros ambientes de poucos recursos. Os kits BioBits nos permitem expor crianças, crianças mais velhas, e até mesmo adultos para as maravilhas da biologia sintética e, como resultado, estão preparados para transformar a educação científica e a sociedade.

"Todos os cientistas são apaixonados pelo que fazem, e estamos frustrados com a dificuldade que nosso sistema educacional tem enfrentado em incitar um nível semelhante de paixão nos jovens. Este projeto BioBits demonstra o tipo de pensamento inovador e recusa em aceitar o status quo que valorizamos e cultivamos no Wyss Institute, e todos esperamos que estimule os jovens a ficarem intrigados com a ciência, "disse o Diretor Fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School (HMS) e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). "É emocionante ver este projeto avançar e se tornar disponível para salas de aula de biologia em todo o mundo e, espero que alguns desses alunos sigam um caminho na ciência por causa de sua experiência. "