Alors que les biologistes ont sondé plus profondément les fondements moléculaires et génétiques de la vie, Les écoles K-12 ont eu du mal à fournir un programme qui reflète ces avancées. L'apprentissage pratique est connu pour être plus engageant et efficace pour enseigner les sciences aux étudiants, mais même les expériences de biologie moléculaire et synthétique les plus élémentaires nécessitent un équipement bien au-delà du budget moyen d'une salle de classe, et impliquent souvent l'utilisation de bactéries et d'autres substances qui peuvent être difficiles à gérer en dehors d'un laboratoire contrôlé.

Maintenant, une collaboration entre le Wyss Institute de l'Université Harvard, MIT, et Northwestern University a développé BioBits, nouveaux kits de biologie pédagogique qui utilisent des réactions sans cellules lyophilisées (FD-CF) pour permettre aux étudiants d'effectuer une gamme de simples, expériences biologiques pratiques. Les kits BioBits introduisent des concepts de biologie moléculaire et synthétique sans avoir besoin d'équipement de laboratoire spécialisé, à une fraction du coût des conceptions expérimentales standard actuelles. Les kits sont décrits dans deux articles publiés dans Avancées scientifiques .

« La principale motivation dans le développement de ces kits était de proposer aux élèves des activités ludiques leur permettant de voir réellement, sentir, et toucher les résultats des réactions biologiques qu'ils font au niveau moléculaire, " a déclaré Ally Huang, un co-premier auteur des deux articles qui est un étudiant diplômé du MIT dans le laboratoire de Jim Collins, membre fondateur du corps professoral de Wyss, doctorat "J'espère qu'ils inspireront plus d'enfants à envisager une carrière dans les STIM [science, La technologie, ingénierie, et mathématiques] et, plus généralement, donner à tous les élèves une compréhension de base du fonctionnement de la biologie, car ils devront peut-être un jour prendre des décisions personnelles ou politiques fondées sur la science moderne. »

La biologie synthétique et moléculaire utilise fréquemment la machinerie cellulaire trouvée dans les bactéries E. coli pour produire une protéine souhaitée. Mais ce système nécessite que les bactéries soient maintenues en vie et confinées pendant une période de temps prolongée, et implique plusieurs étapes compliquées de préparation et de traitement. Les réactions FD-CF mises au point dans le laboratoire de Collins pour la fabrication moléculaire, lorsqu'il est combiné avec les innovations du laboratoire de Michael Jewett, doctorat à l'Université Northwestern, offrent une solution à ce problème en éliminant complètement les bactéries de l'équation.

« Vous pouvez penser à cela comme à l'ouverture du capot d'une voiture et à la sortie du moteur :nous avons pris le « moteur » qui entraîne la production de protéines à partir d'une cellule bactérienne et lui avons donné le carburant dont il a besoin, y compris les ribosomes et les acides aminés, pour créer des protéines à partir de l'ADN en dehors de la bactérie elle-même, " a expliqué Jewett, qui est le professeur Charles Deering McCormick d'excellence en enseignement à la McCormick School of Engineering de la Northwestern University et codirecteur du Northwestern's Center for Synthetic Biology, et co-auteur des deux articles. Cette collection de machines moléculaires est ensuite lyophilisée en pastilles de sorte qu'elle devienne stable à température ambiante. Pour initier la transcription de l'ADN en ARN et la traduction de cet ARN en une protéine, un étudiant a juste besoin d'ajouter l'ADN et l'eau souhaités aux pastilles lyophilisées.

Les chercheurs ont conçu une gamme d'expériences moléculaires qui peuvent être réalisées à l'aide de ce système, et couplé chacun d'eux à un signal que les élèves peuvent facilement détecter avec leur sens de la vue, sentir, ou toucher. La première, appelé BioBits Bright, contient six modèles d'ADN lyophilisés différents qui codent chacun pour une protéine fluorescente d'une couleur différente lorsqu'elle est éclairée par une lumière bleue. Pour produire les protéines, les étudiants ajoutent simplement ces modèles d'ADN et de l'eau à la machinerie FD-CF et mettent les réactions dans un incubateur peu coûteux (~ 30 $) pendant plusieurs heures, puis regardez-les avec un illuminateur à lumière bleue (~ 15 $). Les étudiants peuvent également concevoir leurs propres expériences pour produire une collection souhaitée de couleurs qu'ils peuvent ensuite organiser en une image visuelle, un peu comme utiliser un Light Brite ?. « Inciter les étudiants à créer leurs propres programmes de synthèse in vitro permet également aux éducateurs de commencer à parler de la façon dont les biologistes synthétiques pourraient contrôler la biologie pour fabriquer des produits importants, tels que des médicaments ou des produits chimiques, " a expliqué Jessica Stark, un chercheur diplômé de la NSF au laboratoire Jewett de la Northwestern University qui est co-premier auteur des deux articles.

Une extension du kit BioBits Bright, appelé BioBits Explorer, comprend des expériences qui engagent les sens de l'odorat et du toucher et permettent aux élèves de sonder leur environnement à l'aide de biocapteurs synthétiques de conception. Dans la première expérience, les pastilles de réaction FD-CF contiennent un gène qui entraîne la conversion de l'alcool isoamylique en acétate d'isoamyle, un composé qui produit une forte odeur de banane. Dans la deuxième expérience, les réactions FD-CF contiennent un gène codant pour l'enzyme sortase, qui reconnaît et relie des segments spécifiques de protéines dans une solution liquide pour former un squishy, hydrogel semi-solide, que les élèves peuvent toucher et manipuler. Le troisième module utilise une autre technologie Wyss, le capteur de contacteur de pincement, pour identifier l'ADN extrait d'une banane ou d'un kiwi. Les capteurs sont des molécules d'ARN en épingle à cheveux conçues de telle sorte que lorsqu'elles se lient à un ARN "déclencheur", ils s'ouvrent et révèlent une séquence génétique qui produit une protéine fluorescente. Lorsque de l'ADN de fruit est ajouté aux pastilles de FD-CF contenant le capteur, seuls les capteurs conçus pour s'ouvrir en présence de l'ARN de chaque fruit produiront la protéine fluorescente.

Les chercheurs ont testé leurs kits BioBits dans le système des écoles publiques de Chicago, et a démontré que les étudiants et les enseignants étaient capables de réaliser les expériences dans les kits avec le même succès que les chercheurs formés en biologie synthétique. En plus d'affiner la conception des kits afin qu'ils puissent un jour les fournir aux salles de classe du monde entier, les auteurs espèrent créer une base de données en ligne open source où les enseignants et les étudiants peuvent partager leurs résultats et leurs idées sur les moyens de modifier les kits pour explorer différentes questions biologiques.

"La biologie synthétique va être l'une des technologies déterminantes du siècle, et pourtant, il a été difficile d'enseigner les concepts fondamentaux du domaine dans les classes de la maternelle à la 12e année étant donné que de tels efforts nécessitent souvent des coûts coûteux, équipement compliqué, " dit Collins, qui est co-auteur des deux articles et également professeur Termeer d'ingénierie médicale et de sciences au MIT. "Nous montrons qu'il est possible d'utiliser du lyophilisé, des extraits sans cellules ainsi que des composants de biologie synthétique lyophilisés pour mener des expériences éducatives innovantes dans les salles de classe et autres environnements à faibles ressources. Les kits BioBits nous permettent d'exposer les jeunes enfants, enfants plus âgés, et même les adultes aux merveilles de la biologie synthétique et, par conséquent, sont sur le point de transformer l'enseignement des sciences et la société.

"Tous les scientifiques sont passionnés par ce qu'ils font, et nous sommes frustrés par la difficulté que notre système éducatif a eue à susciter un niveau similaire de passion chez les jeunes. Ce projet BioBits démontre le genre de pensée originale et de refus d'accepter le statu quo que nous valorisons et cultivons au Wyss Institute, et nous espérons tous que cela stimulera les jeunes à être intrigués par la science, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School (HMS) et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, ainsi que professeur de bio-ingénierie à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard. "C'est excitant de voir ce projet avancer et devenir disponible pour les classes de biologie du monde entier et, Espérons que certains de ces étudiants suivront un chemin en sciences en raison de leur expérience. »