Ζωντανεύοντας τις δομές

« Η κρυσταλλογραφία πρωτεϊνών θυμίζει μαύρη μαγεία» - φράση που ακούγεται συχνά σε εργαστήρια δομικής βιολογίας. Τον Οκτώβριο του 2016, 23 εκπαιδευτικοί δευτεροβάθμιας βαθμίδας και εκπαιδευτές καθηγητών αναζήτησαν τρόπους να αναδείξουν την επιστήμη μέσα στις σχολικές τάξεις της Ευρώπης, πίσω από αυτή τη μαύρη μαγεία. Ταξιδεύοντας από εννιά διαφορετικές χώρες, οι συμμετέχοντες κατέφθασαν στην πανεπιστημιούπολη του German Electron Synchrotron (DESY) στο Αμβούργο, ανυπομονώντας να ξεκινήσουνε διήμερο σεμινάριο ή LearningLAB, που οργανώθηκε από το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μάθησης των Βιοεπιστημών [(European Learning Laboratory for the Life Sciences (ELLS)] σε συνεργασία με το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας [(European Molecular Biology Laboratory (EMBL)].

Το LearningLAB με τον τίτλο «Ζωντανεύοντας τις δομές - νέοι τρόποι διδασκαλίας της βιολογίας», προσέφερε μια διαδραστική εισαγωγή στον κλάδο της δομικής βιολογίας. Γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ έρευνας και σχολείου, το σεμινάριο έδωσε στους καθηγητές την ευκαιρία να δουλέψουν μαζί με διακεκριμένους επιστήμονες στα πλαίσια ενός απαιτητικού προγράμματος πρακτικών δραστηριοτήτων, εργαστηριακών πειραμάτων, επιστημονικών διαλέξεων και επισκέψεων στις εγκαταστάσεις έρευνας και εκπαίδευσης στην πανεπιστημιούπολη του DESY.

Το σεμινάριο ξεκίνησε με μια εισαγωγή στη θεωρία της κρυσταλλογραφίας πρωτεϊνών. Πρόκειται για τον επιστημονικό κλάδο που επιτρέπει στους επιστήμονες να οπτικοποιήσουν την χωροδιάταξη των ατόμων μέσα στις πρωτεΐνες και να κατανοήσουν την λειτουργία τους. Έτσι παρέχεται βοήθεια στην αποσαφήνιση βιολογικών  διεργασιών και ανοίγονται δρόμοι για την σχεδίαση καινοτόμων φαρμάκων. Για να αναλυθεί μια πρωτεΐνη, οι επιστήμονες εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι οι πρωτεΐνες μπορούν να αναγκαστούν στη δημιουργία κρυστάλλων. Σε έναν κρύσταλλο, εκατομμύρια αντίγραφα της ίδιας πρωτεΐνης είναι συσκευασμένα σε μια επαναλαμβανόμενη τρισδιάστατη διάταξη. Όταν ένα συγχροτρόνιο (synchrotron) εξαπολύει ακτίνες Χ υψηλής έντασης στον κρύσταλλο, οι πρωτεΐνες διαθλούν τις ακτίνες μ’ ένα συγκεκριμένο πρότυπο το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συμπεράνουμε την τρισδιάστατη πρωτεϊνική δομή.

Υπό την επίβλεψη των επιστημόνων του EMBL, οι συμμετέχοντες ήρθαν σε επαφή με το δυσκολότερο κομμάτι της κρυσταλλογραφίας ακτινών Χ: τη δημιουργία ενός καλού πρωτεϊνικού κρυστάλλου. Για να παραχθεί ένας κρύσταλλος που διαθέτει καλά διαταγμένη σειρά πρωτεϊνών, οι εκπαιδευτικοί δημιούργησαν ένα ‘κόσκινο’ για να ελέγξουν διαφορετικές συνθήκες κρυστάλλωσης - διεργασία που οι κρυσταλλογράφοι χρησιμοποιούν για να βρουν τις τέλειες πειραματικές συνθήκες για πρωτεΐνη που δεν έχουν ξανακρυσταλλώσει. «Υπάρχουν τόσοι πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα του κρυστάλλου», εξηγεί ο Philipp Hornburg, υποψήφιος διδάκτορας στο EMBL που βοηθούσε τους συμμετέχοντες του σεμιναρίου. Αυτός είναι ο λόγος που η κρυσταλλογραφία πρωτεϊνών συχνά αναφέρεται ως «μαύρη μαγεία» - πολλές φορές οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν αν μια πρωτεΐνη μπορεί να κρυσταλλωθεί.

Σε αντίθεση με τους κρυσταλλογράφους, οι οποίοι μπορεί να χρειαστεί να περιμένουν για μέρες, εβδομάδες ή ακόμα και μήνες για να δουν αν θα αναπτυχθεί ο κρύσταλλός τους, οι συμμετέχοντες του LearningLAB χρειάστηκε να περιμένουν μόνο μια ημέρα. Χρησιμοποιώντας στερεοσκόπια, 46 ενθουσιασμένα μάτια αναζήτησαν τους πρωτεϊνικούς κρυστάλλους και επιβεβαιώσανε την επιτυχία του πειράματος: πανέμορφοι κρύσταλλοι μπορούσαν να παρατηρηθούν και προσδιορίστηκαν οι ιδανικές συνθήκες κρυστάλλωσης για την πρωτεΐνη. Οι καθηγητές ήτανε πρόθυμοι να επαναλάβουν τη δραστηριότητα στις δικές τους τάξεις, ενθουσιασμένοι με τη δυνατότητα να εγείρουν το ενδιαφέρον των μαθητών τους προς την τέχνη της κρυσταλλογραφίας και την δύναμη της επιστημονικής έρευνας, όπως είχε εγερθεί το δικό τους ενδιαφέρον.

Αφού πραγματοποιήθηκε η εισαγωγή στην τέχνη της κρυσταλλογραφίας πρωτεϊνών – θεωρητικά και πρακτικά – οι καθηγητές εξερεύνησαν τα εργαστήρια του EMBL και τον πειραματικό χώρο της δέσμης ακτινών Χ. Ομιλίες από επικεφαλής ομάδων του EMBL, όπως ο Thomas Schneider και ο Rob Meijers, έδωσαν στους συμμετέχοντες πληροφορίες για την έρευνα και τα μείζονα θέματα της κρυσταλλογραφίας πρωτεϊνών. Οι ερευνητές μοιράστηκαν τις προσωπικές τους ιστορίες για το τι τους ενέπνευσε να γίνουν επιστήμονες και διευκρίνισαν τον σημαντικό ρόλο που έπαιξαν οι καθηγητές και μέντορες τους στην πορεία της καριέρας τους.

Μια συνεδρία με κεντρικό θέμα την καριέρα επέτρεψε στους καθηγητές να ρωτήσουν τους επιστήμονες του EMBL για τα κίνητρα τους ώστε να γίνουν ερευνητές, τι απολαμβάνουν περισσότερο στην δουλειά τους και πώς αντιμετωπίζουν τις προκλήσεις του περιβάλλοντος της έρευνας. Εργαζόμενοι με μία μέθοδο, όπως η κρυσταλλογραφία πρωτεϊνών, είναι μια ενοχλητική εμπειρία; Για την Vivian Pogenberg, ερευνήτρια του EMBL, αυτό ακριβώς το χαρακτηριστικό κάνει την δουλειά της συναρπαστική: «Απολαμβάνω πάρα πολύ το κομμάτι της τέχνης που εμπεριέχεται στη δουλειά μου. Επειδή η κρυσταλλογραφία δεν είναι ακριβώς επιστήμη, μου επιτρέπεται να ‘παίζω’ με τα πρωτόκολλα των πειραμάτων».

Εκτός από την ερευνητική και πειραματική πλευρά της κρυσταλλογραφίας ακτινών Χ, το σεμινάριο ενίσχυε την ανταλλαγή πληροφοριών και τη συζήτηση για τρόπους διδασκαλίας της δομικής βιολογίας μέσα στην τάξη. Ένα βασικό κομμάτι του προγράμματος ήτανε αφιερωμένο στην παρουσίαση και συζήτηση ήδη έτοιμων υλικών διδασκαλίας στη δομική βιολογία και τη μελέτη των πρωτεϊνών, που παρουσιάστηκαν από το ELLS, το Science in School και τρεις συμμετέχοντες. Για να βελτιωθεί αυτή η διεπιστημονική προσέγγιση, το πρόγραμμα επίσης περιείχε μια επίσκεψη στις εγκαταστάσεις εκπαίδευσης physik.begreifen, ένα εκτός σχολής εργαστήριο φυσικής στην πανεπιστημιούπολη του DESY.

Η Πορτογαλίδα καθηγήτρια Tânia, από το Escola Secundária Filipa de Vilhena, συνοψίζει την εμπειρία της: «Το ELLS LearningLAB για τους καθηγητές ήτανε μια μοναδική ευκαιρία: ανακάλυψα νέα και ανανέωσα την ήδη υπάρχουσα επιστημονική μου γνώση σε διαφορετικά πεδία της βιολογίας. Επιπλέον ανέπτυξα νέα αντίληψη για την μοντέρνα επιστήμη και της τεχνολογίες τελευταίας γενιάς. Είχα επίσης πρόσβαση σε καινοτόμο διδακτικό υλικό. Τώρα πια μπορώ να μεταδώσω στους μαθητές μου μια αντίληψη για το πώς παράγεται η επιστημονική γνώση στην πραγματικότητα, τονίζοντας τη δουλειά των επιστημόνων στο EMBL και ελπίζω να καταφέρω να εγείρω το ενδιαφέρον των μαθητών προς τα πεδία Επιστήμης, Τεχνολογίας, Μηχανικής και Μαθηματικών (STEM). Κάθε εκπαιδευτικός που διδάσκει μάθημα επιστήμης πρέπει να προσπαθήσει να παρεβρεθεί σε αυτά τα εξαιρετικά επιμορφωτικά προγράμματα!».