Modelando la doble hélice de ADN usando materiales reciclados

Este proyecto de construir un modelo en 3D de la molécula ADN, usando materiales cotidianos, estimuló el interés de los alumnos, fomentó el trabajo en equipo, la destreza y la investigación de las propiedades de materiales, y permitió a los alumnos expresar sus propias opiniones y solucionar problemas. Más específicamente aprendieron los elementos estructurales básicos del ADN, y su organización molecular en 3D.

Estructura molecular de ADN

La unidad básica de ADN es el nucleótido, el cual consiste en un grupo fosfato, una molécula de azúcar (desoxirribosa) y uno de cuatro nucleobases (también conocidas como base nitrogenada o simplemente base): adenina (A), timina (T), guanina (G) o citosina (C).

La molécula de ADN consiste en sucesivos nucleótidos arreglados en una doble hélice – una escalera en espiral (escalera caracol) de la cual los dos lados son formados por grupos de azúcar o fosfato, y cada peldaño, a su vez, consiste en un par de bases. Los pares de bases son formados por nucleótidos complementarios: adenina se junta con timina, mientras guanina se parea con citosina.

El modelo

Cada uno de los tres componentes del nucleótido se representan con objetos tridimensionales (ver tabla 1), los cuales fueron conectados para formar una doble hélice con diez peldaños (pares de bases). Ver abajo.

Materiales

Materiales reciclados

Nuestra elección de materiales reflejó su abundancia en los tarros de reciclaje.

• 20 latas de Coca Cola® de aluminio
• 20 latas de Sprite® de aluminio
• 20 botellas plásticas de Coca Cola (500 ml)
• 60 tapas rojas de botellas de Coca Cola
• 10 botellas plásticas de Fanta® (500 ml)
• 20 tapas naranjas de botellas de Fanta
• Una delgada tira de papel o plástico, aproximadamente 1 m de largo.

Materiales adicionales

• 6 m de cuerda delgada
• 20 pajitas de plástico
• 20 tuercas y pernos delgados de doble hilo
• 4 pliegos de celofán de confitería (azul, verde, rojo y amarillo).

Herramientas

• Bisturí o cuchillo cartonero para cortar las botellas plásticas
• Clavo grueso para perforar plástico y aluminio
• Alicate pequeño
• Grapadora
• Dos trozos de cordón de teléfono, aproximadamente 40 cm de largo, para enhebrar las pajitas en las cuerdas.

Método

Primero, cada uno de los componentes de los nucleótidos (desoxirribosa, fosfato y base) se modela simulando lo más cerca posible la geometría de la molécula. Luego, se ensamblan los componentes para formar nucleótidos y se construye la hélice de ADN.

Erforar las latas de aluminio y las tapas de botella usando el mismo clavo. Calentar el clavo facilita la operación. Elige un clavo de tal grosor que permita las pajitas pasar por los agujeros y que estas se ajusten con firmeza para crear una conexión estable entre los elementos estructurales.

Desoxirribosa

Se modela la desoxirribosa con una lata de Sprite con tres tapas rojas de botella ligadas, representando los átomos de carbón ubicados en posiciones 1’, 3’ y 5’. Una tapa naranja en posición 3’ representa el hidróxido el cual se conectará al próximo nucleótido.

1. Perfora la lata en posiciones 1’, 3’ y 5’, según la ilustración.
2. Perfora cuatro tapas de botella (tres rojas y 1 naranja) en el centro.
3. Con una tuerca y perno, sujeta una tapa roja en posición 1’ de tal manera que se puede atornillar una botella.
4. Fija firmemente dos tapas, una roja y una naranja, a un extremo de una pajita (primero la roja, después la naranja).
5. Pasa la pajita a través de la lata, mediante los agujeros en posiciones 3’ y 5’.
6. Fija firmemente la lata a la pajita, luego ensartar otra tapa roja en la pajita en posición 5’. El resultado final se puede ver arriba a la izquierda.

Grupo fosfato

Con el mismo clavo, perfora el centro de la base de una lata de Coca Cola, la cual representa el grupo fosfato. Introduce la pajita pegada a la lata de Sprite (desoxirribosa) a través de la lata de Coca Cola (grupo fosfato), con la tapa superior de ésta más cerca de aquella. Ahora, el grupo fosfato se encuentra sujeto a la desoxirribosa en la posición 5’ (ver izquierda abajo).

La pajita conecta las dos latas, y también facilita pasar la cuerda a través de ambas latas, conectando así los nucleótidos en una cadena molecular (ver abajo). Por esta razón, es importante no doblar la pajita. Para mantener la relación correcta entre el tamaño de la molécula y el modelo, la distancia desde la base de la lata de Coca Cola a la tapa naranja debe ser 23 cm.

Pares de bases complementarias

Luego, las botellas plásticas que representan las bases se modelan de manera que solamente se pueden conectar a su base complementaria (adenina con timina y guanina con citosina).

Para construir dos pares complementarias, corta dos botellas de Fanta y tres botellas de Coca Cola en sección transversal, usando el bisturí y la tijera. ¡Con precaución!

1. Quita la base de dos botellas de Coca Cola (incisión c abajo)
2. De la tercera botella de Coca Cola, quita
   
   1. el cuello
   2. la parte inferior de la botella

Utilizando la tijera, haz cinco o seis incisiones de 2 cm de largo, en el cuello y en la base de la tercera botella de Coca Cola. Ellos pueden entonces ser abiertas para permitir que otras botellas entren (ver abajo).

Usando estos sub unidades y el celofán de colores, los elementos estructurales que representan las bases pueden ser creadas.
 

Timina (T)

Coloca celofán verde dentro de una botella de Coca Cola sin base.

Adenina (A)

Al cuello de otra botella de Coca Cola fija la base de una botella de Fanta. Dentro de ambas partes inserta celofán azul.

Timina (T), representada por el color verde, se conecta a la adenina (A), representada por el color azul, por medio de dos puentes de hidrógeno. Para modelar aquello, insertar con fuerza el cuello de la botella azul dentro de la botella verde sin base.

Guanina (G)

Inserta celofán rojo dentro de una botella de Fanta.

Citosina (C)

Inserta celofán amarillo dentro de una botella de Coca Cola sin base. Fija firmemente la base de otra botella de Coca Cola, en forma invertida.

Guanina (G), representada por el color rojo, se conecta a la citosina (C), representada por el color amarillo, mediante tres puentes de hidrógeno. Para modelar aquello, abre la incisiones en la base de la botella amarilla (citosina) para permitir la base de la botella roja entrar y trabarse firmemente.

Con miras a simetría y la escala del modelo, los dos pares de bases complementarias acopladas deben medir 42 cm. cada botella se enrosca en la tapa de botella roja (carbón) en la posición 1' de una molécula de desoxirribosa, formando así cuatro distintos nucleótidos (ver abajo).

Esta representación de los enlaces de hidrógeno facilita la conexión fácil y la separación de bases complementarias. Esto, en cambio, facilita no solo la separación de las hebras del ADN, sino también la enseñanza del cambio de posición de bases.

Construyendo la molécula de ADN

Una vez construidos los 20 nucleótidos, podemos fabricar una doble hélix con 10 peldaños - dos hebras de 10 nucleótidos cada uno. Porque la distancia desde el extremo de la lata de Coca Cola (grupo fosfato) hasta la tapa naranja (hidróxido enlazado con el siguiente grupo fosfato) es 23 cm, el largo del hilo de nucleótidos será 2,3 m.

Ata el cable de teléfono a aproximadamente 3 m de la cuerda delgada y usa el cable tieso para introducir la cuerda a través de las pajitas de los nucleótidos para formar dos hebras de moléculas, las cuales se suspenden verticalmente 2 m de altura y separadas 65 cm. Las dos hebras de la molécula de ADN se leen en la dirección 5' a 3' y son anti paralelas. En el modelo, la dirección en la cual leemos las palabras Coca Cola coincide con la dirección 5' a 3'. De tal modo que, en una hebra las palabras Coca Cola se leen de arriba para abajo y en la otra hebra, de abajo para arriba. Entonces las hebras en nuestro modelo también son anti paralelas.

Debemos asegurar, también, que las bases en una hebra sean complementarias a las de la hebra opuesta. Adenina debiera estar enfrente de timina, y citosina enfrente de guanina.

Si estos criterios se cumplen, ata un rollo de papel al extremo de cada hebra para que una varilla delgada pueda atravesar el rollo. Esta varilla se utilizará para girar las hebras enlazadas 360 grados.

El modelo representa una molécula de ADN a una escala de 320.000.000:1, es decir, 320 millones veces más grande que su tamaño real. Si intentamos representar una molécula de ADN humana completa, necesitaríamos un doble hélix 640.000 km de largo, es decir, rodea 16 veces el ecuador de la Tierra.

Usando el modelo en clases

Este modelo fue construido y usado en tres etapas durante una o dos semanas.

Etapa 1: Construyendo el modelo

Alumnos de 14 años siguieron las instrucciones para la construcción con mucho interés y se vieron involucrados en resolver problemas prácticos.

Etapa 2: Representando una molécula ADN

En la correspondiente unidad de su curso de biología, alumnos de 15 años recibieron una pauta de trabajo donde reconocieron y compararon los materiales estructurales preparados con aquellos en el dibujo de la molécula ADN que aparece en sus libros de texto. Armaron y torcieron la dobla hebra del modelo. Hicieron muchas preguntas y sostuvieron una intensa e interesante discusión.

Etapa 3: Copiando una molécula ADN

En su tiempo libre y como un juego de teatro, los mismos quinceañeros fingieron ser una enzima apropiada y, con la ayuda del modelo, realizaron los siguientes pasos:

1. Separando puentes de hidrógeno entre bases complementarias, desde la parte superior de la molécula hasta el sexto par de bases (botellas) del modelo (encima: ADN helicasa).
2. Separando las dos hebras.
3. Iniciando la creación de hebras hija complementarias a las hebras madre. (ADN polimerasa).
4. Separando el resto de los puentes de hidrógeno.
5. Creando hebras hija complementarias a la hebra madre.
6. Buscando posibles errores y corrigiéndolos si es necesario.