Ученые из Массачусетского технологического института, Гарварда и Северо-Западного университета разработали школьные наборы для простых экспериментов с ДНК на уроках биологии — базовая версия одного набора на класс из 30 человек будет стоить не более 100 долларов. Две статьи об этих разработках (одна, вторая) опубликованы в журнале Science Advances.

Авторы статей отмечают, что при всем разнообразии «наборов юного химика» и прочих простых стартовых комплектов для изучения естественных наук или робототехники, на американском рынке нет дешевого экспериментального набора по биологии. Они связывают это с тем, что для большинства биологических экспериментов нужны живые клетки, которые надо безопасно поддерживать в таком виде.

В наборах BioBits живых клеток нет: все клеточные компоненты в них лиофилизированы, что позволяет легко хранить их при комнатной температуре, транспортировать и использовать с минимальными дополнительными ресурсами и вне лабораторных условий — для запуска реакций, как правило, нужна только вода. С помощью двух наборов, Bright и Explorer, можно будет, например, показывать трансляцию, то есть синтез из аминокислот, флуоресцентных белков.

Флуоресцентные белки из набора BioBits Bright. Stark et al. 2018

«Синтетическая биология — технология XXI века, и такие наборы по технологии «просто добавь воды» преобразят то, как мы рассказываем о ней в школах. BioBits удобны для пользователей, наглядны и не вызывают вопросов по части биобезопасности», — сказал один из руководителей проекта Майкл Джуэтт (Michael Jewett) из Центра синтетической биологии Северо-Западного университета, которого цитирует пресс-служба MIT.

В набор BioBits Bright входят последовательности ДНК, кодирующие флуоресцентные белки красного, оранжевого, желтого и зеленого цветов, записанные на плазмиды, а также субстрат из реагентов для синтеза белков, состоящий из РНК-полимераз, рибосом, аминоацил-тРНК-синтетазы и других компонентов. При добавлении воды и комнатной температуре в 21 градус за 40 часов эти реакции выдают количество белка, достаточное для того, чтобы цвета и свечение были видны невооруженным глазом. При этом в зависимости от концентрации компонентов интенсивность свечения меняется. В набор также входят ПЦР-пластинки с реагентами: добавляя недостающие компоненты в различные лунки, школьники могут получать разноцветные изображения.

Помимо прочего, разработчики набора создали для него портативные инкубаторы, работающие от USB-разъема и способные поддерживать температуру от 30 до 37 градусов, и пластиковые коробки для пробирок и пластинок с подсветкой на батарейках, которые позволяют лучше видеть светящиеся белки. Такие инструменты обойдутся в 20–30 долларов и входят в набор, но при необходимости школьники смогут сделать их и самостоятельно.

Более продвинутая версия комплекта, BioBits Explorer за 200 долларов, помимо флуоресцентных белков включает в себя набор для получения из изоамилового спирта изоамилацетата, который из-за характерного запаха называют «банановым маслом» — это делается с помощью фермента алкоголь-ацетилтрансферазы. Аналогичные реакции можно провести с гексанолом и октанолом, получив запахи груши и цитрусовых. Еще один набор реагентов позволяет получать гидрогели разной консистенции, в том числе на основе фибрина, белка, из которого состоят тромбы. Наконец, последний эксперимент работает на основе РНК-переключателей (toehold switches), запускающих синтез светящегося белка только в присутствии определенной РНК: с его помощью школьники смогут создать биосенсор, способный по ДНК отличать банан и киви от других фруктов.

Рисунки из флуоресцентных белков, созданные школьниками. Stark et al. 2018.

В ходе испытаний наборов в государственных школах Чикаго, которые идут с прошлого года, школьники от младших до старших классов успешно справлялись с экспериментами из набора без дополнительной подготовки. Осенью исследователи также планируют провести испытания новых прототипов в Бостоне и его пригороде, Кембридже, где находятся Гарвардский университет и MIT. Они рассчитывают, что к проекту присоединятся учителя и другие ученые, которые будут разрабатывать дополнительные учебные материалы и новые эксперименты для наборов.

В марте прошлого года в сети появились бесплатные онлайн-курсы для всех желающих по синтетической биологии на английском языке. А краудфандинговый проект Bento Lab предлагает всем желающим портативный набор оборудования для анализа ДНК в домашних условиях.

Автор: Ольга Добровидова