Вивчаємо геноми граючись: ДНК-головоломка “Mycomuncher “ Teach article

Перекладе Юрієм Дзюбаном. Набридло пояснювати природу геномів, генів та протеїнів? Чому б не дати вашим учням розібратися у цих питаннях за допомогою…

Шукаєте веселий, прикладного характеру засіб для пояснення суті геномів, генів та білків? ДНК-головоломка Mycomuncher (“Грибоїд”), імовірно, є саме тим, що вам потрібно. Відчуйте хвилювання справжнього науковця, що досліджує геноми. Дізнайтесь більше про роботу, яка дозволяє “зламати” код ДНК. І зрозумійте те, у який саме спосіб ДНК виконує роль носія інформації про усі види біологічних функцій організму. Придатна для навчання школярів середніх та старших класів, ДНК-головоломка Mycomuncher також може бути використана в якості допоміжного наочного матеріалу у науково-популярних лекціях, а також при проведенні курсів біології та екології для студентів ВУЗів. Десять хвилин – лише стільки потрібно, аби зіграти у базовий варіант гри.

Зустрічайте – “Грибовбивця”

Створений у Нідерландському Інституті Екології (Netherlands Institute of Ecology, NIOO-KNAW)w1, Mycomuncher був названий на честь мікроорганізму Collimonas fungivorans, нещодавно відкритої ґрунтової бактерії, що характеризується унікальною здатністю – пожирати плісняві гриби. Звідси й назва – Mycomuncher – від грецького слова “mycos” – гриб, та англійського “muncher” – жувати, чавкати. Науковці з NIOO-KNAW, а також дослідники по всьому світу вважають відкриття названої бактерії визначною подією, оскільки даний мікроорганізм потенційно може бути використаний для лікування або запобігання грибковим захворюванням людини, рослин та інших організмів. Аби з‘ясувати, що саме робить Collimonas “пожирачем грибів”, на даний момент здійснюється аналіз усієї ДНК даної бактерії (тобто її геному). Використовуючи проект Collimonas в якості прикладу, ДНК-головоломка Mycomuncher пояснює, що таке геном, які його функції, і яким чином геномна ДНК може бути прочитана і інтерпретована для пояснення біологічних особливостей конкретного досліджуваного організму. Іншими словами, гра дозволяє з‘ясувати, який зв‘язок між довгими послідовностями “ДНК-літер” лише чотирьох типів і такою, наприклад, властивістю, як “поїдання грибів”.

Ось де виклик!

Мета ДНК-головоломки Mycomuncher – продемонструвати кілька послідовних процедур, які виконуються під час будь-якого проекту із розшифрування геному, починаючи від складання окремих сегментів ДНК і закінчуючи формулюванням подальших гіпотез.

На старт, увага, почали! Перше завдання – відшукати у представлених ланцюжках ДНК ділянки, що перекриваються, і скласти усі сегменти у єдину змістовну послідовність
Зображення – із люб‘язного дозволу Йохана Лєвьо
 

Першим завданням є скласти п‘ять ланцюжків ДНК, що перекриваються (виконаних у вигляді дерев‘яних паралелепіпедів із буквами, що позначають нуклеотиди ДНК – А, Ц, Г та Т), в одну упорядковану послідовність. Дана вправа демонструє ту особливість процесу розшифровки геному, що останній не може бути прочитаний за один “прохід” – замість цього необхідно встановити послідовність невеликих фрагментів і скласти їх разом – багато в чому аналогічно складанню мозаїки, – щоб врешті з‘ясувати повну послідовність ланцюга.
 

Завдання виконано! Змістовний ланцюг ДНК (внизу) ідеально співпадає з послідовністю окремих більш коротких ланцюжків, що перекриваються
Зображення – з люб‘язного дозволу Йохана Лєвьо
 

Наступною задачею є “перекласти” змістовну послідовність ДНК, що символізує типовий ген Collimonas, у послідовність амінокислот протеїну. Це здійснюється шляхом підбору до отриманого раніше ланцюга ДНК трилітерних послідовностей – кодонів, – до яких у свою чергу приєднується одна з амінокислот (див. фото). Амінокислоти є будівельними блоками білків. Даний етап гри Mycomuncher наочно демонструє роль ДНК як носія спадкової інформації, а також пояснює механізм, завдяки якому дана інформація “транслюється” у амінокислотну послідовність білків.
 

Розшифровуючи ДНК. Дерев‘яні бруски, що символізують кодони ДНК, разом із зв‘язаними з ними амінокислотами, виконують роль посередника між послідовністю нуклеотидів у ДНК (вгорі) та амінокислот – у білку (внизу). Отриманий протеїн слід порівняти з іншими, уже відомими, щоб з‘ясувати його функцію
Зображення – з люб‘язного дозволу Йохана Лєвьо
 

Третім етапом гри є з‘ясування того, як Collimonas може використовувати отриманий білок для поїдання грибного міцелію. І перше, що має стати зрозумілим для гравців, це те, що відносно небагато можна зрозуміти про білок, виходячи лише з відомостей про його амінокислотну послідовність. Замість цього, учасникам гри пропонується порівняти отриманий ними протеїн зі списком інших білків, функції яких уже були з‘ясовані дослідниками.

Серед білків списку той чи інший буде співпадати з протеїном, отриманим гравцями на основі ДНК Collimonas. Пропонується подумати над тим, яким чином його функція може бути пов‘язана із поїданням грибів. Так, наприклад, може бути встановлено, що отриманий білок подібний до хітинази – ферменту, що розщеплює хітин, будівельний елемент клітинної стінки грибів. Тоді, імовірно, учні можуть припустити, що білок Collimonas використовується нею для зруйнування клітинної стінки гриба, аби дістатися до поживних речовин всередині останнього. Аби надихнути гравців на формулювання гіпотез, в комплект гри включено плакат із зображенням моделі взаємодії Collimonas із грибом. Гіпотези, що висуваються різними групами гравців, можна записувати на дошці, а потім порівнювати і обговорювати.

Розвиваючи навички командної роботи та наукові вміння

Окрім пояснення учасникам гри біологічної суті понять ген, протеїн та ін., ДНК-головоломка Mycomuncher сприяє розвитку навичок колективного розв‘язання задач. Крім того, чотири грані дерев‘яних ДНК-сегментів дозволяють скласти чотири різних послідовності ДНК, тож одна гра, фактично, містить чотири ребуси в одному, із чотирма різними протеїнами та, відповідно, різними варіантами їх участі у життєдіяльності Collimonas.

Зазвичай на проходження однієї гри витрачається не більше 10 хвилин, хоча кожна з описаних стадій може бути подовжена для обговорення або повідомлення учасникам додаткових теоретичних відомостей. Окрім уже зазначених функцій, головоломка формує в учасників поняття і про такі загальнонаукові процедури як висунення гіпотез і обмін отриманою інформацією з колегами (наприклад, якби інші дослідники раніше не зробили загальнодоступними свої результати, з чим могли б ми порівнювати білки Collimonas і на основі чого висувати припущення про їх можливі функції?).

Для більш успішних учнів базові умови гри можуть бути доповнені використанням можливостей комп’ютерного класу – Інтернет-сервісів, що дозволяють отримати уявлення про те, що таке складання не 5 коротких уривків ДНК, а сотень тисяч таких сегментів, що має місце при виконанні реальних проектів з розшифровки геномів. Інструкція для учителя, що входить у комплект гри, містить кілька прикладів подібних задач. Головоломку також можна використовувати для пояснення інших питань генетики, наприклад наслідків змін у ДНК (мутацій) на амінокислотну послідовність та функцію протеїнів.
 

Скоро…

У відповідь на пропозицію Мей-Бріт Мейджер (Mai-Britt Meijer) та її студентів, восени 2007 буде випущено розширену версію головоломки. Орієнтована на учнів коледжів, ДНК-головоломка Mycomuncher PLUS! буде включати додаткові дерев‘яні блоки, що символізуватимуть інформаційну РНК (іРНК), послідовність якої буде комплементарною до ДНК і буде побудована з РНК-нуклеотидів (А, Ц, Г, У замість А, Ц, Г та Т). У розширеній версії гри для того, щоб скласти амінокислоти у правильній послідовності, до іРНК (а не ДНК, як у базовій версії) слід буде підібрати спеціальні РНК-антикодони з амінокислотами. Таким чином, додавання стадії транскрипції має зробити головоломку більш захопливою та близькою до дійсності для учнів. Відвідайте сайтw2 Collimonas, щоб отримати більш детальну інформацію.

Справжні гени!

ДНК-головоломка Mycomuncher використовує реальні послідовності ДНК, отримані з геному Collimonas fungivorans. Кожен із комплектів гри містить сертифікат з унікальною веб-адресою на сторінку одного з генів Collimonas fungivorans. Студенти можуть дізнатись більше про даний ген на сайтіw2 Collimonas, встановити його місцезнаходження в геномі Collimonas, і з‘ясувати, синтез якого білку він кодує, а також які дослідницькі групи займаються його вивченням.

Інформація про продукт

ДНК-головоломку Mycomuncher можна замовити у Нідерландському Інституті Екології (NIOO-KNAW): ви можете або купити повний готовий набір, або подати запит (безплатно) на отримання інструкції для самостійного виготовлення гри. Для більш детальної інформації, відвідайте сайтw2 Collimonas або напишіть за адресою c.fungivorans@nioo.knaw.nl

У стандартний набір гри входить: п‘ять дерев‘яних ДНК-сегментів для складання, один – з чотирма цілими змістовними послідовностями (на різних гранях), а також блок з чотирма амінокислотними послідовностями (білками), 30 дерев‘яних блоків, що символізують кодони з відповідними амінокислотними залишками, шість плакатів формату А3 з ілюстраціями щодо виконання кожного з етапів гри, плакат із зображенням моделі взаємодії Collimonas з грибом, а також інструкція для вчителя.
 

Враження вчителя від використання ДНК-головоломки Mycomuncher

ДНК-головоломка
Mycomuncher в дії. Дане
фото було зроблене у 2004
році під час науково-
освітнього заходу в
Нідерландському Інституті
Екології (NIOO-KNAW).
Можна бачити як юні
дослідники геномів
справляються із викликом
“Грибоїда”

Зображення – з люб‘язного
дозволу Йохана Лєвьо

Мей-Бріт Мейджор (Mai-Britt Meijer), вчитель біології з Нідерландів, протестувала ДНК-головоломку Mycomuncher разом зі своїми учнями.

Як учитель я завжди вітаю нові методи та засоби навчання. Вважаю ДНК-головоломку Mycomuncher оригінальним та стимулюючим знаряддям, оскільки вона дозволяє учням вийти за межі підручника, знайомлячись із послідовними етапами білкового синтезу. Студенти не лише працюють руками, але й змушені думати – висувати гіпотези і встановлювати функції досліджуваних генів.

Перед тим, як грати у головоломку, я обговорювала з класом теорію білкового синтезу. Рівень знань студентів (вік 15-16 років, передуніверситетська освіта) був достатньо високим, що є необхідним для проведення нормальної гри.

Після короткої розповіді про Collimonas fungivorans, клас було поділено на групи по 3-4 особи. Ті з учнів, хто не були зайняті у роботі з головоломкою, працювали над індивідуальними завданнями з тем ДНК та білки.

Спочатку, щоб зрозуміти правила гри та алгоритм складання ланцюжків ДНК у одну послідовність, клас працював разом. Потім кожна група окремо складала свою послідовність (одну з 4 можливих), а встановивши її, переходила до наступного етапу (підбору потрібних кодонів). Усі групи могли працювати без якої-небудь допомоги з боку вчителя, оскільки на плакатах було детально пояснено кожен з кроків.

Коли усі групи досягли останнього етапу (висування гіпотез щодо функцій встановлених ними білків), ми знову працювали разом, обговорюючи зроблені припущення. Дані операції можуть дозволити вчителю з‘ясувати ряд важливих моментів: як саме учні формулюють свої гіпотези, чи вірно вони це роблять, які види дослідів вони можуть запропонувати з метою перевірки зроблених припущень і т.п. Особливо для більш освічених учнів, дана вправа може виявитися дуже корисною для формування в них навичок коректного та точного формулювання відповідей.

На думку учнів, і я з цим погоджуюсь, головоломка була б більш повною, якби включала додаткові етапи, що зображають процес транскрипції – від ДНК до транспортних РНК та амінокислотних залишків. Дане доповнення, яке може бути реалізоване у майбутніх версіях гри, дозволило б використовувати головоломку в якості вступу до тем транскрипція ДНК та трансляція. Гра дозволяє учням на практиці познайомитися з послідовними кроками, що виконуються дослідниками при розшифровці ДНК та з‘ясуванні будови та ролі білків. На різні її елементи можна посилатися при розгляді теоретичних відомостей на подальших заняттях.

Було приємно спостерігати за учнями, що гралися з дерев‘яними блоками. Судячи з їх першої реакції при вигляді дерев‘яних елементів головоломки, вони немов нагадали початкові класи. Втім, починаючи грати, вони достатньо скоро зрозуміли, що це не так просто, як може здатись на перший погляд, і що на те, щоб розкрити код ДНК і з‘ясувати функцію генів, потрібно немало часу і зусиль.

Хоча існує велика кількість різних інтерактивних освітніх Інтернет-сервісів, ДНК-головоломка Mycomuncher має перевагу в тому, що дозволяє учням попрацювати руками. І вона є особливо корисною завдяки тому, що дозволяє в реальності візуалізувати усі процеси, про які йде мова. І, насамкінець, варто відзначити те, що учням доводиться працювати разом, і обговорювати деталі роботи, аби справитись із усіма стадіями головоломки. І це, знову ж таки, є великим плюсом.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – для отримання більш детальної інформації щодо Нідерландського Інституту Екології (NIOO-KNAW) відвідайте www.nioo.knaw.nl
  • w2 – сайт Collimonas

Author(s)

Йохан Лєвьо є дослідником Нідерландського Інституту Екології (NIOO-KNAW), що у Хетерен (Heteren), Нідерланди.


Review

Дана стаття описує навчальні матеріали, призначені для використання в школі і розроблені дослідницьким інститутом. Засоби такого типу є новинкою для вчителів, які вельми часто стикаються з прірвою, що розділяє фундаментальні дослідження та освітній процес.

Ідея гри проста і водночас оригінальна – оформити наукові дані щодо геному бактерії та її екології у формі гри, придатної для виконання в умовах класу і доповненої вправами в Інтернет, таким чином об‘єднуючи методики прикладного та дистанційно-освітнього типу для освоєння базових понять ДНК, експресії генів та метаболізму.

Я рекомендую дану статтю для вчителів старших класів, зацікавлених у сучасних навчальних засобах – вони знайдуть в ній послідовно викладений готовий для використання матеріал, придатний для навчання учнів основам наукової роботи. Найбільш вправні вчителі можуть навіть отримати інструкції щодо виготовлення гри своїми руками або за участі учнів.


Джулія Реалдон (Giulia Realdon), Італія




License

CC-BY-NC-SA