Διασκεδάζοντας με τα γονιδιώματα: Μυκητοφάγο DNA παζλ Teach article

Μετάφραση από: Αναστασία Χριστινάκη (Anastasia Christinaki) – Φοιτήτρια Βιολογίας, ΕΚΠΑ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια…

Ψάχνεις ένα διασκεδαστικό, πρακτικό διδακτικό εργαλείο με το οποίο μπορείς να διδάξεις τι είναι τα γονιδιώματα, τα γονίδια και οι πρωτεΐνες; Το Μυκητοφάγο DNA παλζ ίσως είναι αυτό που ψάχνεις! Βίωσε μία τρομερή εμπειρία με την έρευνα των γονιδιωμάτων σαν πραγματικός επιστήμονας. Εκτίμησε την δουλειά που χρειάζεται για να λύσεις τον κώδικα του DNA. Και μάθε πώς το DNA μεταφέρει την πληροφορία για όλες τις βιολογικές λειτουργίες. To μυκητοφάγο DNA παζλ είναι κατάλληλο να εκπαιδεύσει μαθητές δημοτικού και γυμνασίου, επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για να υποστηρίξει επιστημονικά φεστιβάλ και πανεπιστημιακά μαθήματα στη βιολογία και την οικολογία. Ένα βασικό παιχνίδι με το DNA παζλ διαρκεί δέκα λεπτά.

Γνώρισε το Μυκητοφάγο

Βασισμένο σε έρευνα που πραγματοποιήθηκε στο Ολλανδικό Ινστιτούτο Οικολογίας (NIOO-KNAW)w1, το Μυκητοφάγο DNA παζλ βασίζεται στο Collimonas fungivorans, ένα πρόσφατα ανακαλυφθέν βακτήριο εδάφους που έχει τη μοναδική ικανότητα να τρώει μύκητες (μούχλα). Ως εκ τούτου, το ψευδώνυμό του: μυκητοφάγο, προκύπτει από την ελληνική λέξη μύκητας. Οι ερευνητές από το NIOO-KNAW αλλά και όχι μόνο, είναι πολύ ενθουσιασμένοι με αυτό το βακτήριο, επειδή ίσως διαθέτουν νέες ενδείξεις για τρόπους θεραπείας ή πρόληψης μυκητισιακών ασθενειών που αφορούν τον άνθρωπο, τα φυτά ή άλλους οργανισμούς. Για να ανακαλύψουν τι κάνει τον Collimonas μυκητοφάγο, αναλύσαμε το ολικό DNA (ή γονιδίωμα) αυτού του βακτηρίου. Χρησιμοποιώντας το πρότζετ Collimonas ως ένα παράδειγμα, το Μυκητοφάγο DNA παζλ εξηγεί τι είναι ένα γονιδίωμα, με τι σχετίζεται και πώς το γενωμικό DNA μπορεί να διαβαστεί και να κατανοηθεί σε σχέση με τη βιολογία του οργανισμού στον οποίο ανήκει. Με άλλα λόγια, πώς από μακριές αλληλουχίες μόνο τεσσάρων διαφορετικών γραμμάτων DNA (A, C, G, και T), μεταβαίνουμε σε μια ιδιότητα όπως «τρώει μύκητα»;

Εδώ είναι η πρόκληση

Ο στόχος του Μυκητοφάγου DNA παζλ είναι να ολοκληρώσει διάφορες εργασίες που αντιπροσωπεύουν τα διαδοχικά βήματα σε μία τυπική γονιδιακή ανάλυση, από την συναρμολόγηση των μικρών θραυσμάτων του DNA ώστε να προκύψει η αρχική αλληλουχία, μέχρι τη διατύπωση των δικών σου υποθέσεων.

Έτοιμος; Ξεκίνα το παζλ!
Ο πρώτος στόχος είναι να βρεθεί η επικάλυψη σε αυτά τα πέντε τμήματα του DNA
ώστε να δημιουργήσουν μία ακολουθία DNA.
 Η εικόνα προσφέρθηκε από τον Johan Leveau
 

Η πρώτη πρόκληση είναι να συναρμολογήσουμε πέντε επικαλυπτόμενες αλληλουχίες DNA (που αντιπροσωπεύονται από πέντε ξύλινα κομμάτια που πάνω τους έχουν αλληλουχίες βάσεων DNA: A, C, G και T) σε μία αποδεκτή αλληλουχία  DNA. Αυτή η άσκηση δείχνει ότι ένα γονιδίωμα δεν μπορεί να διαβαστεί με τη μία, αλλά πρέπει να προσδιοριστεί από μικρότερα κομμάτια, τα οποία στη συνέχεια πρέπει να συναρμολογηθούν, όπως ένα παζλ, για να αποκτήσουμε μια ακολουθία πλήρους μήκους.
 

Αποστολή εξετελέσθει! Η αποδεκτή ακολουθία DNA (κάτω) ταιριάζει απόλυτα με τις επικαλυπτόμενες βραχύτερες.
Η εικόνα προσφέρθηκε από τον Johan Leveau
 

Η επόμενη εργασία είναι να μεταφραστεί η αποδεκτή αλληλουχία DNA, που αντιπροσωπεύει ένα τυπικό γονίδιο του Collimonas, σε πρωτεΐνη. Αυτό επιτυγχάνεται με την παράταξη σε σειρά τριών γραμμάτων
(βάσεων) DNA (κωδικόνια) που μεταφράζονται σε ένα συγκεκριμένο αμινοξύ (βλ. εικόνα αριστερά). Τα αμινοξέα είναι τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών. Αυτό το τμήμα του Μυκητοφάγου DNA παζλ απεικονίζει το ρόλο του DNA ως φορέα της πληροφορίας και πώς αυτές οι πληροφορίες μεταφράζονται σε πρωτεΐνες.
 

Αποκωδικοποίηση του DNA. Τα ξυλάκια παριστάνουν τα κωδικόνια DNA και τα συναφή αμινοξέα τους χρησιμοποιούνται ως μεταφραστικό κλειδί για τη μετατροπή μιας αλληλουχίας DΝΑ (κορυφή) σε αλληλουχία αμινοξέων ή στην πρωτεΐνη που αντιστοιχεί (κάτω). Η τελευταία θα πρέπει να συγκριθεί με άλλες πρωτεΐνες για να γίνει κατανοητή η λειτουργία της.
Η εικόνα προσφέρθηκε από τον Johan Leveau
 

Η τρίτη πρόκληση είναι να μάθετε πώς το Collimonas μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτή την πρωτεΐνη για να φάει έναν μύκητα. Το δίδαγμα αυτού είναι ότι δεν μπορούν να ληφθούν πολλές πληροφορίες από μία πρωτεϊνική αλληλουχία. Αντ’ αυτού, οι παίκτες καλούνται να συγκρίνουν την πρόσφατα ταυτοποιημένη πρωτεΐνη τους με μια λίστα πρωτεϊνών από άλλους οργανισμούς, οι λειτουργίες των οποίων έχουν ήδη μελετηθεί από άλλους ερευνητές.

Μία από τις πρωτεΐνες της λίστας θα ταιριάζει με αυτή που οι παίκτες εντοπίζουν για το Collimonas. Οι παίκτες προκαλούνται να σκεφτούν πώς η λειτουργία τους μπορεί να εμπλέκεται στην θρέψη του μύκητα. Ένα παράδειγμα είναι η πρωτεϊνική χιτινάση η οποία διασπά τη χιτίνη, δομικό συστατικό του μυκητισιακού κυτταρικού τοιχώματος. Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι το Collimonas χρησιμοποιεί αυτή την πρωτεΐνη για να αποικοδομήσει το κυτταρικό τοίχωμα ώστε να αποκτήσει πρόσβαση σε θρεπτικά συστατικά που εμπεριέχονται στον μύκητα. Για να βοηθήσει στη διατύπωση υποθέσεων, το παζλ περιλαμβάνει ένα μοντέλο αλληλεπιδράσεων μεταξύ του Collimonas και ενός μύκητα. Οι υποθέσεις από διαφορετικές ομάδες μαθητών μπορούν να γραφτούν στον πίνακα, να συγκριθούν και να συζητηθούν.

Η διδασκαλία της ομαδικής εργασίας αλλά και άλλων επιστημονικών αρχών

Εκτός από την εκπαίδευση των μαθητών για γονίδια και πρωτεΐνες, το Μυκητοφάγο DNA παζλ διεγείρει την ομαδική προσπάθεια όταν παίζεται σε ομάδες. Οι τέσσερις πλευρές των ξύλινων DNA επιτρέπουν τέσσερις διαφορετικές συναρμολογήσεις DNA: έτσι, ένα παιχνίδι αντιπροσωπεύει στην πραγματικότητα τέσσερις γρίφους σε ένα, με τέσσερις διαφορετικές πρωτεΐνες και τέσσερις ευκαιρίες να σκεφτούν πώς ταιριάζουν με τον μυκητοφαγικό τρόπο ζωής του Collimonas.

Συνήθως, δεν χρειάζονται περισσότερα από 10 λεπτά για να ολοκληρωθεί ένα παιχνίδι, αν και μπορεί να δαπανηθεί περισσότερος χρόνος για κάθε ένα από τα βήματα, για παράδειγμα για να συζητήσετε ή να δώσετε βασικές πληροφορίες. Το παζλ εκθέτει επίσης τους μαθητές σε ορισμένες βασικές αρχές της επιστημονικής έρευνας. Αυτά περιλαμβάνουν τη διατύπωση υποθέσεων και την ανταλλαγή αποτελεσμάτων με συναδέλφους επιστήμονες (για παράδειγμα, αν άλλοι δεν δημοσιοποίησαν τα ερευνητικά τους ευρήματα, πώς θα ήταν δυνατόν να εκχωρήσουμε μια πιθανή λειτουργία στην πρωτεΐνη του Collimonas μας;).

Για τους προχωρημένους μαθητές, οι βασικές έννοιες του παζλ μπορούν να συνδυαστούν με τη χρήση στην τάξη υπολογιστών με διαδικτυακά προγράμματα, για να δείξουν τι σημαίνει να συναρμολογούν και να αποκωδικοποιούν όχι μόνο πέντε μικρά κομμάτια DNA, αλλά εκατοντάδες χιλιάδες, όπως συμβαίνει σε ένα πραγματικό πρόγραμμα γονιδιώματος. Το εγχειρίδιο του καθηγητή που συνοδεύει το παζλ παρέχει διάφορα παραδείγματα. Το παζλ μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει άλλα θέματα που σχετίζονται με το DNA, όπως το αποτέλεσμα αλλαγών (μεταλλαγών) του DNA στην αλληλουχία αμινοξέων και στη λειτουργία των πρωτεϊνών.

Έρχεται σύντομα…

Σε απάντηση στις προτάσεις της Mai-Britt Meijer και των φοιτητών της, μια εκτεταμένη έκδοση του βασικού παζλ θα είναι διαθέσιμη το φθινόπωρο του 2007. Στοχεύοντας σε μαθητές γυμνασίων, το Μυκητοφάγο DNA Puzzle PLUS! περιλαμβάνει ένα πρόσθετο ξύλινο κομμάτι που αντιπροσωπεύει αγγελιαφόρο RNA (mRNA), η αλληλουχία του οποίου είναι συμπληρωματική του DNA και το πραγματικό «αλφάβητο» RNA (A, C, G, U αντί του A, C, G, T). Στην PLUS! έκδοση του παιχνιδιού, τα αντι-κωδικόνια (επίσης στη γλώσσα του RNA) πρέπει να ταιριάζουν με το mRNA για να δημιουργήσουν την αντίστοιχη αλληλουχία αμινοξέων. Η προσθήκη ενός μεταγραφικού βήματος κάνει αυτό το παζλ πιο δύσκολο και πιο ρεαλιστικό για τους μαθητές λυκείου. Επισκεφθείτε την ιστοσελίδα του Collimonasw2 για περισσότερες πληροφορίες.

Πραγματικά γονίδια

Το Μυκητοφάγο DNA Puzzle χρησιμοποιεί πραγματικά δεδομένα αλληλουχιών DNA, που προέρχονται από το γονιδίωμα του Collimonas fungivorans. Κάθε παζλ περιλαμβάνει ένα πιστοποιητικό με μοναδική σύνδεση με ένα από τα γονίδια του γονιδιώματος του Collimonas. Οι μαθητές μπορούν να παρακολουθήσουν αυτό το γονίδιο στην ιστοσελίδα του Collimonasw2 για να βρουν τη θέση του στο γονιδίωμα του Collimonas και να μάθουν ποια πρωτεΐνη κωδικοποιεί ή ποια εργαστήρια το μελετούν.

Πληροφορίες προϊόντος.

Το Μυκητοφάγο DNA παζλ είναι διαθέσιμο από το Ολλανδικό Ινστιτούτο Οικολογίας (NIOO-KNAW): μπορείτε είτε να αγοράσετε μια πλήρη σειρά είτε να ζητήσετε (δωρεάν) οδηγίες για την κατασκευή του παζλ σας. Για λεπτομέρειες, παρακαλούμε επισκεφθείτε την ιστοσελίδα του Collimonasw2, ή στείλτε email στο c.fungivorans@nioo.knaw.nl

Ένα πρότυπο σετ βασικού παιχνιδιού αποτελείται από πέντε ξύλινα κομμάτια αλληλουχιών DNA για συναρμολόγηση, ένα ξύλινο κομμάτι με τέσσερις αποδεκτές αλληλουχίες DNA και ένα με τέσσερις αντίστοιχες αλληλουχίες πρωτεϊνών, 30 ξύλινα κομμάτια που αντιπροσωπεύουν κωδικόνια με το αντίστοιχο αμινοξύ τους, έξι αφίσες μεγέθους Α3 με ξύλινα στηρίγματα, ένα μοντέλο της αλληλεπίδρασης Collimonas-μύκητα και ένα εγχειρίδιο για εκπαιδευτικούς.

Η εμπειρία ενός εκπαιδευτικού με το Μυκητοφάγο DNA παζλ.

Η Mai-Britt Meijer, καθηγήτρια βιολογίας από την Ολλανδία, δοκίμασε το Μυκητοφάγο DNA παζλ με τους μαθητές της.

Ως εκπαιδευτικός, καλωσορίζω πάντα νέες μεθόδους και νέους τρόπους διδασκαλίας. Το Μυκητοφάγο DNA παζλ είναι ένα πρωτότυπο και διαδραστικό εργαλείο διδασκαλίας γιατί επιτρέπει στους μαθητές να «αφήσουν» το σχολικό εγχειρίδιο και να ερευνήσουν τα βήματα της πρωτεϊνικής σύνθεσης. Όχι μόνο οι μαθητές είναι συγκεντρωμένοι, αλλά και αναγκάζονται να σκεφτούν τη διατύπωση υποθέσεων και την επιστημονική μέθοδο καθορισμού των γονιδιακών λειτουργιών.

Το Μυκητοφάγο DNA παζλ
σε δράση. Αυτή η
φωτογραφία τραβήχτηκε
στην επιστημονική έκθεση
του 2004 στο Ολλανδικό
Ινστιτούτο Οικολογίας
(
NIOOKNAW),
παρουσιάζοντας μικρά
παιδιά που θέλουν να
γίνουν ερευνητές του
γονιδιώματος, να επιλύουν
την πρόκληση του
μυκητοφάγου.

Η εικόνα προσφέρθηκε από
τον Johan Leveau
 

Πριν παίξω με το παζλ, συζήτησα στην τάξη μου τη θεωρία της πρωτεϊνικής σύνθεσης. Οι γνώσεις των μαθητών (προπανεπιστημιακή εκπαίδευση, ηλικίας 15-16 ετών) ήταν αρκετά υψηλές, γεγονός που είναι απαραίτητο.

Μετά από μια σύντομη εισαγωγή για το Collimonas fungivorans, η τάξη χωρίστηκε σε ομάδες από τρεις-τέσσερις φοιτητές. Αυτοί που δεν απασχολήθηκαν με το παζλ εργάστηκαν ανεξάρτητα σε μια εργασία που σχετίζεται με το DNA και τις πρωτεΐνες.

Η τάξη συνεργάστηκε για να βρει την πρώτη αποδεκτή ακολουθία DNA και για να καταλάβει πώς λειτουργεί το παζλ. Στη συνέχεια, μια ομάδα κάθε φορά, αναζητούσε τη δική της αποδεκτή αλληλουχία (μία από τις τέσσερις). Καθώς κάθε ομάδα βρήκε την αποδεκτή ακολουθία της, πήγε στο επόμενο βήμα (προσδιορίζοντας τα αντίστοιχα κωδικόνια). Οι ομάδες μπορούσαν να δουλέψουν χωρίς καμιά καθοδήγηση, καθώς οι αφίσες εξηγούσαν σαφώς κάθε βήμα.

Όταν όλες οι ομάδες έφτασαν στο τελευταίο βήμα (προτείνοντας τη λειτουργία της πρωτεΐνης που κωδικοποιήθηκε από την αποδεκτή αλληλουχία τους), συζητήσαμε τις υποθέσεις τους ως ομάδα: ποιες νομίζουν ότι είναι οι λειτουργίες των κωδικοποιημένων πρωτεϊνών τους; Η άσκηση μπορεί να εγείρει σημαντικά ερωτήματα όπως: Πώς διαμορφώνουν οι μαθητές τις υποθέσεις τους; Είναι σωστά διαμορφωμένες οι υποθέσεις τους; Τι είδους πειράματα μπορούν να σκεφτούν για να δοκιμάσουν τις υποθέσεις τους; Ειδικά για προχωρημένους μαθητές, αυτή η άσκηση μπορεί να αποδειχθεί πολύ χρήσιμη για την εκπαίδευση τους ώστε να δίνουν περίπλοκες αλλά και ακριβείς απαντήσεις.

Οι μαθητές πρότειναν, και συμφωνώ, ότι το παζλ θα ήταν πιο πλήρες εάν περιλάμβανε πρόσθετα βήματα μεταγραφής από το DNA στο αγγελιοφόρο RNA και μετάφραση σε αμινοξέα. Αυτή η επέκταση, η οποία θα είναι διαθέσιμη στο μέλλον, θα επιτρέψει στο παζλ να χρησιμοποιηθεί ως εισαγωγή στη μεταγραφή του DNA και τη μετάφραση πρωτεϊνών. Θα υπενθυμίσει στους μαθητές όλα τα βήματα που εμπλέκονται σε αυτό το είδος της έρευνας, και τα βήματα του παζλ μπορούν να αναφερθούν όταν διδάσκεται η θεωρία στα επόμενα μαθήματα..

Ήταν ωραίο να βλέπω τους μαθητές να παίζουν με τα ξύλινα τμήματα. Η αρχική τους αντίδραση όταν είδαν τα ξύλινα κομμάτια ήταν ότι επέστρεψαν στο νηπιαγωγείο. Ωστόσο, όταν ξεκίνησαν με το παζλ, συνειδητοποίησαν σύντομα ότι δεν είναι τόσο εύκολο όσο φαίνεται, αλλά ότι χρειάζεται πολύς χρόνος για να αποκρυπτογραφήσουμε τον κώδικα DNA και τη λειτουργία των γονιδίων.

Παρόλο που υπάρχουν πολλά εργαλεία διαθέσιμα στο Διαδίκτυο, το Μυκητοφάγο  DNA παζλ έχει το πλεονέκτημα ότι επιτρέπει στους μαθητές να δουλεύουν με τα χέρια τους. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμο επειδή είναι σε θέση να απεικονίσουν πραγματικά ό,τι κάνουν. Ως τελευταία παρατήρηση, αξίζει να σημειωθεί ότι οι μαθητές πρέπει να συνεργαστούν και να συζητήσουν θέματα για να μπορέσουν να ολοκληρώσουν όλα τα βήματα του παζλ. Αυτό είναι και πάλι ένα μεγάλο πλεονέκτημα.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το Ολλανδικό Ινστιτούτο Οικολογίας (NIOO-KNAW), επισκεφτείτε τη διεύθυνση: www.nioo.knaw.nl
  • w2 – Ιστοσελίδα του Collimonas

Author(s)

Ο Johan Leveau είναι ερευνητής στο Ολλανδικό Ινστιτούτο Οικολογίας (NIOO-KNAW) στο Heteren της Ολλανδίας.


Review

Αυτό το άρθρο περιγράφει διδακτικό υλικό που αναπτύχθηκε σε ερευνητικό επίπεδο, για τη σχολική εκπαίδευση. Πρόκειται για μια καινοτομία για τους εκπαιδευτικούς, οι οποίοι συχνά βλέπουν ένα χάσμα μεταξύ της ακαδημαϊκής έρευνας και της διδασκαλίας των επιστημών στο σχολείο.

Η ιδέα είναι απλή αλλά έξυπνη: να μετασχηματιστούν τα επιστημονικά δεδομένα σχετικά με ένα βακτηριακό γονιδίωμα και την οικολογία του, σε ένα παιχνίδι που θα παιχτεί στην τάξη και θα ολοκληρωθεί στο Διαδίκτυο, συνδυάζοντας έτσι μεθόδους πρακτικής δραστηριότητας και διαδικτύου, για την αντιμετώπιση των βασικών βιολογικών θεμάτων του DNA, τη γονιδιακή έκφραση και το μεταβολισμό.

Προτείνω αυτό το άρθρο σε καθηγητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης που ενδιαφέρονται για καινοτόμα διδακτικά εργαλεία: θα βρουν δομημένο υλικό έτοιμο προς χρήση και κατάλληλο για να κάνουν τους μαθητές να σκέπτονται ως επιστήμονες. Οι πιο επιδέξιοι δάσκαλοι θα βρουν οδηγίες για την κατασκευή του παιχνιδιού μόνοι τους ή μαζί με τους μαθητές τους.


Giulia Realdon, Ιταλία




License

CC-BY-NC-SA