Разгадаването на генетичния код: повторение на научно откритие Teach article

Превод Ралица Алексова. През 1953, Джеймс Уотсън и Франсис Крик установиха структурата на ДНК, молекулата, която носи нашата генетична информация.

През 1958 г. Крик представи централната догма на молекулярната биология, че информационният поток тече от ДНК към РНК към белтъците. Но остана въпросът: как азбуката от четири букви-нуклеотиди на ДНК (А, Ц, Т и Г) или техният еквивалент в РНК (А, Ц, У и Г) кодират 20-те букви в азбуката на аминокиселините, от които са изградени нашите белтъци? Какъв е генетичният код?

През 1961 г., Маршъл У Ниренбърг и Йохан Х Матеи разшифрираха първата буква от кода разкривайки, че РНК секвенцията УУУ (UUU) кодира аминокиселината фенилаланин. В последствие, Хар Гобинд Хорана показа че повтарящата се секвенция нуклеотиди UCUCUCUCUCUC кодира нишка от аминокиселини отговаряща на серин-люцин-серин-люцин. През 1965 г., основно благодарение на работата на Ниренбърг и Хорана генетичният код бе напълно разрешен. Беше разкрито, че всяка група от три нуклеотида (наречена кодон) кодира за специфична аминокиселина и редът на кодоните определя реда на аминокиселините (и оттам химичните и биологични свойства) на съответния белтък.

Самият генетичен код е ключов елемент от уроците по биология, и дава молекулярно обяснение за действието на гените (например за мутации, еволюция, и експресия). В допълнение, начинът, по който Ниренбърг и Хорана са разбили генетичния код – чрез сравняване на кратки секвенции РНК с получените секвенции аминокиселини – може да бъде повторен в училище като учебно занимание базирано на изследователски подход. Като използват секвенциите подадени от учителя, учениците работят в групи:

• Да открият повтарящи се елементи
• Да направят хипотези и модели, които ги обясняват
• Да измислят експерименти
• Да извлекат заключения от непълни данни
• Да установят колко силни са заключенията им
• Да обяснят и подкрепят заключенията си по научен начин.

Така това занимание предлага модел за преподаването на същността на научното знание: предварителен консенсус направен от общността със заключения с различна сила базирани на частични доказателства.

Разбиване на кода в класната стая

Това занимание е подходящо за 14-18 годишни ученици в групи от 3-4 човека, и отнема близо 2 часа, разделени на 4 стъпки и допълнително обсъждане в края. То е замислено като въведение в молекулярната биология, преди да обясните какво е генетичния код и централната догма на молекулярната биология.

От учениците се иска да разбият код направен от различни секвенции от букви (A, C, T, G) като използват съобщенията, които тези секвенции кодират (например AspHisTrp…). Във всяка от първите три стъпки, на всеки отбор е даден различен комплект от буквени секвенции и съответните съобщения. При всяка стъпка трябва да преосмислят заключенията си от предните стъпки и да модифицират решението на кода.

Обяснете, че всички групи ще работят над разбиването на един и същи код като използват различни примери. Не издавайте на учениците си, че секвенциите са биологични (ДНК и аминокиселини); те трябва да се фокусират да намерят повтарящи се елементи и взаимоотношения.

Ниренбърг и Хорана използваха РНК секвенции, за да разбият кода; в сравнение, това занимание използва ДНК секвенции (кодони, 5¢ до 3¢). Смисълът на това занимание е съществуването на кода, а не детайлите по транскрипция и транслация, които ще бъдат покрити в следващи уроци.

След всяка стъпка може да помолите по един ученик от всеки отбор да смени групата си. (Това имитира динамиката на това как се добива и споделя научното знание, например на конференции или чрез публикации).

Иначе, учениците могат да разменят информация само когато им кажете, че могат да го направят. (Ако някоя група се затрудни или разочарова, може да е по-мотивиращо да им помогне друг отбор, а не учителя).

Материали

• Работни листове 1-4 за всяка група, които могат да бъдат свалени от колоната вдясно. Секвенциите са различни за всеки отбор.
• Фигура 1 или мобилно приложение за лесно превръщане на ДНК кодони в аминокиселини^w1.

Протокол

Дайте на учениците поне 10-15 минути да обсъдят всяка стъпка. Когато всички групи смятат, че са намерили възможно най-пълната информация за техните секвенции, преминете на следващата стъпка.

1. Намиране на рамки. Дайте на всяка група копие от работен лист 1 с три секвенции, които не съдържат синонимни или стоп кодони. Всички секвенции започват с ATG кодон за аминокиселината метионин (Met).
   Използвайки три секвенции, учениците би трябвало да разберат, че кодът е базиран на триплети от букви и да направят своята хипотеза за значението на някои от тези триплети.

   Таблица 1: Пример на работен лист 1

   Секвенция	Съобщение	Учениците откриват, че…
   ATGTTAGGTAGTAAAGATGCT	MetLeuGlySerLysAspAla	Кодът е основан на триплети и всеки триплет е един от трибуквените елементи, например Met.
   ATGCATGAAGCTATTTATGAT	MetHisGluAlaIleTyrAsp
   ATGGGTAGTGATGAAGCTTAT	MetGlySerAspGluAlaTyr

2. Създаване на модел. Раздайте на всяка група копие от работен лист 2, който съдържа 3 нови секвенции, някои от които включват синонимни кодони.
   Учениците би трябвало да потвърдят някои от хипотезите си от стъпка 1, докато други хипотези може би ще бъдат изложени под съмнение.

   Таблица 2: Пример за секвенциите на една група от стъпка 2

   Секвенция	Съобщение	Учениците откриват, че…
   ATGGTTTCGTACACTGCGTCA	MetValSerTyrThrAlaSer	Някои елементи могат да бъдат кодирани от повече от един триплет, например Ser.
   ATGCCGTACACATGTGTCACA	MetProTyrThrCysValThr
   ATGACGAGTGCGTTGTGCGAT	MetThrSerAlaLeuCysAsp

3. Поправка на модела след нови сведения. Раздайте на всеки отбор копие от работен лист 3, който съдържа нови секвенции с допълнителна сложност: някои секвенции нямат първият ATG кодон, при някои е по-нагоре в секвенцията, а някои имат стоп кодон. Тези характеристики водят или до съобщения, които са по-къси от секвенциите направени от 7 аминокиселини в предишните стъпки, или не произвеждат никакво съобщение.
   В тази стъпка всеки от работните листове съдържа два списъка със секвенции. Можете да изберете дали да дадете на учениците си всички секвенции едновременно (което ще улесни тази стъпка) или на две по-малки стъпки (за да е по-трудно).
   Освен потвърждаване на това, че триплетите кодират аминокиселини, тези секвенции позволяват на учениците да  открият ключовите роли на кодоните за метионин (старт) и стоп.

   Таблица 3: Пример за секвенциите на един отбор за стъпка 3

   Секвенция	Съобщение	Учениците откриват, че…
   TGTCATGCATCCGTCATCACTGAC	–	Триплетът ATG определя старта на съобщението, а триплета TGA определя края.
   TGCGTGACTATGGACACAGTCGT	MetAspThrVal
   ATGTGTCGATGACTGATCATG	MetCysArg
   ATGTGCGTACACATTTGAGTC	MetCysValHisIle
   ATGCTGTACACATGATGCACAGT	MetLeuTyrThr

4. Тест на хипотези и дизайн на експерименти. Учениците вече би трябвало да могат да предложат частично решение на кода. За да тестват тяхната хипотеза, раздайте на всеки отбор копие от работен лист 4 и ги помолете да измислят експеримент. Те трябва да предложат промени за четири специфични секвенции, които са им дадени в предишните стъпки, и да отбележат какви промени очакват в съобщението. След това им дайте правилното съобщение, използвайки Фигура 1 ако е необходимо. Това ли е резултата, който очакваха? Ако не, какво им казва това? Това имитира бързия процес на създаване на хипотези, дизайн на експерименти и анализ на резултати.
   Като заключение на заниманието, всяка група трябва да представи тяхното частично решение пред остатъка от класа, като подкрепят заключенията си. Частите от кода, които са приети от остатъка от групата, представляваща научната общност, трябва да бъдат записани на дъската. Противоречиви и неясни части също трябва да бъдат отбелязани. Резултатът ще бъде съгласуван частичен генетичен код.
   Избягвайте да потвърдите веднага, че кодът направен от вашитте ученици е верен. Обяснете им, че в науката няма книга, с която да сравните резултатите си и единствения начин да разберете дали нещо е вярно е да задавате добри въпроси, да имате експерименти с добър дизайн и да споделяте информация и идеи с вашите колеги за да постигнете консенсус.

Обсъждане

Помолете учениците да помислят над следните въпроси:

• Как открихте това, което знаете сега?
• Обсъждахте ли идеите си с някого по време на заниманието? Какво обсъдихте?
• Как потвърдихте дали хипотезите ви бяха верни?
• Отхвърлихте ли някои от първоначалните си хипотези? Кои?
• Как оправихте някакви противоречащи си заключения между или в различните групи?
• Всичките ли ви заключения бяха еднакво силни?

След обсъждането, обяснете на учениците си, че секвенциите са ДНК и аминокиселини, и току-що са повторили ключов експеримент в молекулярната биология. Това би трябвало да мотивира вашите ученици да научат повече за генетичния код и централната догма на молекулярната биология, включително колко сходно е било тяхното занимание с начина по който е бил разбит генетичния код наистина.

Можете да преговорите заниманието и да напомните на учениците си какво са открили сами:

• В стъпка 1, че генетичния код е базиран на тройки нуклеотиди (кодони).
• В стъпка 2, че генетичния код е изроден, но не и двусмислен: всеки кодон кодира един елемент (например аминокиселина), но някои елементи са кодирани от повече от един кодон.
• В стъпка 3, че кодът включва старт и стоп кодони, за да покажат началото и края на кодираните секвенции аминокиселини.

(Забележете, че заниманието би могло да доведе до нерадозумение, че протеините обикновено са направени от 6 или 7 аминокиселини, тъй че може да се наложи допълнително обяснение на това).

Обяснете, че начина, по който учениците работиха в колаборация и/ или състезание с отбори като се променят и участниците в отбора, и споделянето на информация с други отбори, наподобява начина, по който учените работят наистина.

Адаптации

За да улесните заниманието можете да дадете повече секвенции на учениците за всяка стъпка (например секвенциите за две групи). Също така можете да пропуснете стъпка 3 и просто да обясните ролята на старт и стоп кодоните след заниманието.

Благодарности

Педагогическите размисли върху заниманието описано в тази статия са част от работата на изследователската група върху езика и контекста в образованието по науките (llenguatge i contextos en educació científica, LICEC) в Автономния Университет в Барселона reference 2014SGR1492), финансирано от Испанското Министерство за Икономика и Конкурентоспособност (reference EDU2015-66643-C2-1-P).