BioBits为K-12学生教授合成生物学

BioBits套件是为没有经过生物学培训的学生和教师设计的。他们用简单的实践实验——有些用普通的家庭水果——来教授合成和分子生物学的概念。

随着生物学家对生命的分子和遗传基础的更深入探索，K-12学校一直试图提供反映这些进步的课程。事实上，实践学习对于向学生教授科学更具吸引力和有效性，但即使是最基本的分子和合成生物学实验，也需要远远超出平均课堂预算的设备，并且通常涉及细菌和其他可能物质的使用。难以在受控的实验室环境之外进行管理。

现在，哈佛大学Wyss研究所、麻省理工学院和西北大学合作开发了一种新的教育生物试剂盒BioBits，它使用冻干无细胞(FD-CF)反应，使学生能够进行一系列简单的手动生物实验。BioBits kit引入了分子生物学和合成生物学的概念，不需要专业的实验室设备。成本只是现有标准实验设计的一小部分。在科学进展发表的两篇论文中描述了这些试剂盒。

“开发这些试剂盒的主要动机是为学生提供有趣的活动，以便他们可以在分子水平上真正观察、闻和触摸他们的生物反应的结果，”第一作者Ally Huang说。在这两篇论文中，他们是Wyss的创始核心教员Jim Profins博士在麻省理工学院的研究生和博士。“我希望他们可以激励更多的孩子考虑从事STEM[科学、技术、工程和数学]职业，更广泛地说，让所有学生对生物学如何工作有一个基本的了解，因为他们可能有一天要根据现代科学做出个人或政策决定。”

和合成分子生物学经常利用在大肠杆菌中发现的细胞机制来生产所需的蛋白质。然而，该系统需要细菌保持存活并长期储存，并且涉及几个复杂的制备和处理步骤。FD-CF反应是柯林斯分子制造实验室的先驱，结合了迈克尔朱厄特博士实验室的创新。在西北大学，这个问题通过完全去除等式中的细菌得到了解决。

“你可以把它想象成打开汽车引擎盖，取出发动机：我们用‘发动机’驱动蛋白质生产，以从细菌细胞中获得，并为其提供所需的燃料，包括核糖体和氨基酸，以从DNA而不是细菌本身创造蛋白质。”朱厄特解释说，他是西北大学麦考密克工程学院的查尔斯迪林麦考密克杰出教学教授，西北大学合成生物学中心的共同主任，也是两者的合著者。文件。然后将这组分子机冻干成颗粒，使其在室温下耐储存。DNA转录成RNA的过程开始，RNA被转化成蛋白质，

研究人员设计了一系列可以使用该系统进行的分子实验，并将每个分子实验与学生可以通过视觉、嗅觉或触觉轻松检测到的信号相结合。第一个名为BioBits Bright，包含六种不同的冻干DNA模板，每种模板编码一种蛋白质，在蓝光照射下会发出不同颜色的荧光。要生产这些蛋白质，学生只需要将这些DNA模板和水加入FD-CF机器中，然后将反应放在廉价的培养箱(约30美元)中几个小时，然后用蓝光照明器(约15美元)观察它们。学生也可以自己设计实验，产生所需的颜色集，然后排列成视觉图像，有点像使用Light Brite？"

BioBits Bright kit的扩展是BioBits Explorer，它包括吸引嗅觉和触觉的实验，允许学生使用设计师合成的生物传感器来检测环境。在第一个实验中，FD-CF反应粒子含有一种基因，该基因驱动异戊醇转化为乙酸异戊酯，这是一种产生强烈香蕉气味的化合物。第二个实验中，FD-CF反应含有编码酶分选酶的基因，该酶识别并连接液体溶液中蛋白质的特定片段，形成学生可以触摸和操作的柔软的半固体水凝胶。第三个模块使用另一种Wyss技术，即阈值开关传感器，来识别从香蕉或猕猴桃中提取的DNA。传感器是发夹形的RNA分子，其设计使得当它们与“触发”RNA结合时，它们会反弹并显示产生荧光蛋白的基因序列。当水果DNA加入到含有传感器的FD-CF颗粒中时，只有设计为在每种水果RNA存在的情况下开启的传感器才会产生荧光蛋白。

研究人员在芝加哥公立学校系统测试了他们的BioBits套件，并证明学生和教师能够在套件中进行实验，并与训练有素的合成生物学研究人员一样成功。除了改进试剂盒的设计，以便有一天它们可以提供给世界各地的教室，作者还希望创建一个开源的在线数据库，教师和学生可以在那里分享他们的结果和想法，以便修改试剂盒，探索不同的生物学问题。

“合成生物学将是本世纪的定义性技术之一，但在K-12课堂上教授该领域的基本概念具有挑战性，因为这些努力往往需要昂贵而复杂的设备，”柯林斯说，他是这两篇论文的合著者，也是麻省理工学院医学工程和科学教授Termeer。“我们证明，我们可以使用冻干的无细胞提取物和冻干的合成生物成分，在教室和其他资源匮乏的环境中进行创新的教育实验。BioBits kit使我们能够为年龄较大的儿童甚至成人揭示合成生物学的奇迹，因此它有望改变科学教育和社会。

“所有科学家都热衷于他们的工作，我们对教育系统难以激发年轻人的类似热情感到沮丧。这个BioBits项目展示了跳出框框的思维，拒绝接受我们在w的工作。

yss研究所重视和培养的现状，我们都希望它能激发年轻人对科学的兴趣，“Wyss研究所创始主任Donald Ingber医学博士，博士，同时也是Judah Folkman哈佛医学院血管生物学教授(HMS)和波士顿儿童医院血管生物学项目，以及哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程教授。“它'

这些论文的其他作者包括Peter Nguyen，Ph.D。，Nina Donghia和Wyss Institute的Tom Ferrante;Melissa Takahashi，Ph.D。来自麻省理工学院的Aaron Dy;来自西北大学的Karen Hsu和Rachel Dubner;Keith Pardee，博士，多伦多大学助理教授;以及芝加哥学校系统中的一些老师和学生，包括：Mary Anderson，Ada Kanapskyte，Quinn Mucha，Jessica Packett，Palak Patel，Richa Patel，Deema Qaq，Tyler Zondor，Julie Burke，Tom Martinez，Ashlee Miller-Berry，Aparna Puppala，Kara Reichert，Miriam Schmid，Lance Brand，Lander Hill，Jemima Chellaswamy，Nuhie Faheem，Suzanne Fetherling，Elissa Gong，Eddie Marie Gonzales，Teresa Granito，Jenna Koritsaris，Binh Nguyen，Sujud Ottman，Christina Palffy，Angela Patel，Sheila Skweres ，Adriane Slaton和TaRhonda Woods。

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