Открывая клетку: новый подход к изучению генетического кода

Исследователи из Калифорнийского политехнического государственного университета разработали образовательную биотехнологию с открытым исходным кодом — «Набор для изучения генетического кода». Он позволяет студентам взаимодействовать с молекулярными процессами внутри клетки новыми способами. Адаптация современных биотехнологий для учебных аудиторий может изменить подход к преподаванию биологии и биохимии для старшеклассников и студентов.

Процесс, с помощью которого генетическая информация используется для создания белков, часто называют «центральной догмой» биологии. Это одна из первых «невидимых» биологических концепций, которую изучают студенты, и её сложно преподавать. Процессы трудно визуализировать, и они «заперты» внутри клетки, которая для студентов остаётся «чёрным ящиком». Это ограничивает доступ к биохимическим механизмам, необходимым для активного, исследовательского обучения. Преподаватели вынуждены использовать эксперименты с живыми клетками или занятия, основанные на моделях и аналогиях, но данные свидетельствуют, что эти методы не полностью эффективны для достижения учебных целей.

Как сообщается в журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, исследователи «извлекли» генетический код клетки в пробирку, создав набор, способный поддерживать различные учебные цели. Биотехнология бесклеточного синтеза белка (CFPS) позволяет изолировать и манипулировать важнейшим белковосинтезирующим аппаратом клетки, не требуя поддержания клеток в живом состоянии. Это делает CFPS доступной и открытой системой, поскольку процессы транскрипции и трансляции больше не ограничены «чёрным ящиком» клетки.

Преимущества CFPS вдохновили профессоров Джавина Озу и Катарину Уоттс внедрить бесклеточные методики в курсы биохимии в Cal Poly с целью улучшить понимание студентами генетического кода. Для этого команда студентов-исследователей разработала учебный набор, содержащий недорогую, модульную CFPS-реакцию. Она проста в использовании для начинающих учёных и помогает изучать транскрипцию и трансляцию в формате «Учись, делая». Теперь студенты могут формулировать гипотезу и проверять её, напрямую манипулируя биохимическим аппаратом, в рамках практического исследовательского обучения. Набор дополнен активностью с дополненной реальностью, позволяющей изучать взаимосвязь структуры и функции зелёного флуоресцентного белка.

Помимо разработки набора, исследовательская группа впервые оценила его влияние на обучение студентов. В исследовании с участием 60 студентов курса «Обзор биохимии» было обнаружено, что «Набор для изучения генетического кода» значительно улучшил усвоение материала по транскрипции и трансляции. Также было отмечено повышение уверенности студентов в использовании стандартных биотехнологических лабораторных методик, что указывает на подготовку студентов к поступлению в аспирантуру и карьере в биотехнологической отрасли.

CFPS готов изменить подход к преподаванию биохимии и молекулярной биологии. Преподаватели могут приобретать различные коммерческие наборы, а «Набор для изучения генетического кода» теперь предоставляет открытую, модульную альтернативу для поддержки исследовательского обучения в аудиториях.

Исследователи Cal Poly продолжат развивать набор, чтобы восполнить многочисленные пробелы в образовании по биохимии и молекулярной биологии. Помимо решения различных учебных задач, набор поможет учителям старших классов лучше соответствовать Стандартам науки нового поколения (Next Generation Science Standards) и позволит преподавателям вузов внедрять исследовательский опыт на базе курсов. Дальнейшая оценка покажет, способны ли такие образовательные биотехнологии, как этот набор, помочь сократить разрыв в успеваемости в областях STEM (наука, технология, инженерия и математика).