Comment les lycéens peuvent-ils découvrir une technologie aussi complexe et abstraite que CRISPR ? C'est simple :il suffit d'ajouter de l'eau.

Une équipe dirigée par la Northwestern University a développé des BioBits, une suite de kits pédagogiques pratiques qui permettent aux étudiants d'effectuer une gamme d'expériences biologiques en ajoutant de l'eau et des réactifs simples à des réactions sans cellules lyophilisées. Les kits relient des concepts biologiques complexes à visuels, lectures fluorescentes, afin que les élèves connaissent, au bout de quelques heures et d'un seul coup d'œil, les résultats de leurs expériences.

Après avoir lancé BioBits l'été dernier, les chercheurs étendent maintenant le kit pour inclure des modules pour CRISPR et la résistance aux antibiotiques. Un petit groupe d'enseignants et d'élèves du secondaire de la région de Chicago vient de terminer la première étude pilote pour ces nouveaux modules, qui comprennent des expériences interactives et des documents supplémentaires explorant l'éthique et les stratégies.

"Après avoir dévoilé les premiers kits, nous avons ensuite voulu aborder des sujets d'actualité importants pour la société, " a déclaré Michael Jewett de Northwestern, chercheur principal de l'étude. "Cela nous a conduits à deux domaines:la résistance aux antibiotiques et l'édition de gènes."

Appelé BioBits Santé, les nouveaux kits et l'étude pilote sont détaillés dans un article publié aujourd'hui (7 mai) dans la revue ACS Biologie Synthétique .

Jewett est professeur de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern et codirecteur du Center for Synthetic Biology de Northwestern. Jessica Stark, un étudiant diplômé du laboratoire de Jewett, dirigé l'étude.

Tester dans un tube

Au lieu d'utiliser des cellules vivantes, l'équipe BioBits a retiré la machinerie cellulaire essentielle de l'intérieur des cellules et les a lyophilisées pour une stabilité de conservation. Maintenir les cellules vivantes et confinées pendant une période prolongée implique plusieurs des étapes de préparation et de traitement chronophages ainsi que des équipements coûteux. Les réactions sans cellules lyophilisées évitent ces complications et ces coûts.

"Ce sont essentiellement des réactions biologiques en éprouvette, " dit Stark, un chercheur diplômé de la National Science Foundation. "Nous ouvrons les cellules et utilisons leurs entrailles, qui contiennent encore toute la machinerie biologique nécessaire pour effectuer une réaction. Nous n'avons plus besoin de cellules vivantes pour démontrer la biologie."

Cette méthode pour exploiter les systèmes biologiques sans intacte, les cellules vivantes sont devenues possibles au cours des deux dernières décennies grâce à de multiples innovations, dont beaucoup en biologie synthétique sans cellule par le laboratoire de Jewett. Non seulement ces expériences sont réalisables en classe, ils ne coûtent également que quelques centimes par rapport aux conceptions expérimentales de haute technologie standard.

"J'espère que les étudiants s'enthousiasment pour la biologie de l'ingénierie et veulent en savoir plus, " dit Jewett.

À la conquête de CRISPR

L'une des plus grandes percées scientifiques de la dernière décennie, CRISPR (prononcé "crisper") signifie Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. La puissante technologie d'édition de gènes utilise des enzymes pour couper l'ADN à des endroits précis afin de désactiver ou de modifier les gènes ciblés. Il pourrait être utilisé pour arrêter les maladies génétiques, développer de nouveaux médicaments, rendre les aliments plus nutritifs et bien plus encore.

BioBits Health utilise trois composants requis pour CRISPR :une enzyme appelée protéine Cas9, une séquence d'ADN cible codant pour une protéine fluorescente et une molécule d'ARN qui cible le gène de la protéine fluorescente. Lorsque les élèves ajoutent les trois composants - et de l'eau - au système sans cellules lyophilisé, il crée une réaction qui édite, ou des coupures, l'ADN de la protéine fluorescente. Si l'ADN est coupé, le système ne brille pas. Si l'ADN n'est pas coupé, la protéine fluorescente est fabriquée, et le système devient fluorescent.

"Nous avons lié ce résumé, concept biologique vraiment avancé à la présence ou à l'absence d'une protéine fluorescente, " dit Stark. " C'est quelque chose que les étudiants peuvent voir, quelque chose qu'ils peuvent comprendre visuellement."

Le programme comprend également des activités qui incitent les étudiants à examiner les questions et dilemmes éthiques entourant l'utilisation des technologies d'édition de gènes.

« Il y a beaucoup d'enthousiasme à l'idée de pouvoir éditer des génomes avec ces technologies, " a déclaré Jewett. " BioBits Health attire l'attention sur de nombreuses questions importantes, non seulement sur le fonctionnement de la technologie CRISPR, mais également sur l'éthique à laquelle la société devrait réfléchir. Nous espérons que cela favorisera une conversation et un dialogue sur ces technologies."

Réduire la résistance

Jewett et Stark sont tous deux troublés par une prédiction selon laquelle, d'ici 2050, les infections bactériennes résistantes aux médicaments pourraient dépasser le cancer en tant que principale cause de décès. Cela les a motivés à aider à éduquer la future génération de scientifiques sur l'émergence de la résistance aux antibiotiques et à les inspirer à prendre des mesures qui pourraient aider à limiter l'émergence de bactéries résistantes.

Dans ce module, les élèves exécutent deux séries de réactions pour produire une protéine fluorescente brillante :une série avec un gène de résistance aux antibiotiques et une série sans. Les élèves ajoutent ensuite des antibiotiques. Si l'expérience brille, la protéine fluorescente a été fabriquée, et la réaction est devenue résistante aux antibiotiques. Si l'expérience ne brille pas, alors l'antibiotique a fonctionné.

« Parce que nous utilisons des systèmes sans cellules plutôt que des organismes, nous pouvons démontrer la résistance aux médicaments d'une manière qui ne crée pas de bactéries résistantes aux médicaments, " expliqua Stark. " Nous pouvons démontrer ces concepts sans les risques. "

Une pièce du programme d'études invite les étudiants à réfléchir et à rechercher des stratégies pour ralentir le taux de souches résistantes aux antibiotiques émergentes.

Une partie de quelque chose de cool

Après le lancement de BioBits à l'été 2018, 330 écoles du monde entier ont demandé des kits prototypes pour leurs laboratoires scientifiques. L'équipe de recherche, qui comprend des membres de Northwestern et du MIT, a reçu des commentaires encourageants de la part des enseignants, élèves et parents.

« Les étudiants se sont sentis comme des scientifiques et des médecins en touchant et en utilisant le matériel de laboratoire fourni lors de la démonstration, " a déclaré un enseignant. " Même les étudiants qui ne semblaient pas engagés étaient secrètement attentifs et voulaient pipeter à leur tour. Ils savaient qu'ils faisaient partie de quelque chose de vraiment cool, nous avons donc pu nous connecter avec eux d'une manière qui était nouvelle pour eux."

"Ma partie préférée était d'utiliser l'équipement, " a déclaré un étudiant. " C'était une activité amusante qui vous plonge dans ce que font actuellement les meilleurs scientifiques. "