Разгадывая генетический код: воссоздание научного открытия Teach article

Перевод: Надежда Волкова. В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик открыли структуру ДНК – молекулы, которая несет нашу генетическую информацию.

В 1958 году Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: поток информации течет от ДНК к РНК и от РНК к белкам. Однако оставался вопрос: как алфавит из четырех нуклеотидов (А, Г, Ц, Т), составляющих ДНК, или его аналог в РНК (А, Г, Ц, У) кодирует 20-буквенный алфавит аминокислот, из которых состоят наши белки? В чем состоит генетический код?

В 1961 году Маршалл Ниренберг и Дж. Генрих Маттеи расшифровали первую букву этого кода, определив, что РНК-последовательность UUU кодирует аминокислоту фенилаланин. Следом за ними Хар Гобинд Корана показал, что нуклеотидная последовательность UCUCUCUCUCUC кодирует набор аминокислот серин-лейцин-серин-лейцин. В основном благодаря работам Ниренберга и Кораны, к 1965 году генетический код был разгадан полностью. Оказалось, что каждая группа из трех нуклеотидов (называемая кодоном) кодирует определенную аминокислоту, а порядок кодонов определяет порядок аминокислот (и, соответственно, химические и биологические свойства) в белке.

Генетический код сам по себе – это важнейший элемент предмета биологии, дающий молекулярное объяснение активности генов (например, при мутациях, эволюции и экспрессии генов). Более того, эксперимент, при помощи которого Ниренберг и Корана взломали генетический код – сравнивая короткие цепочки РНК с итоговыми последовательностями аминокислот, – можно повторить и в школе в рамках уроков биологии. Получив от преподавателя последовательности, ученики, объединившись в команды, работают над следующими задачами:

• Определить закономерности
• Выдвинуть гипотезы и возможное объяснение
• Распланировать эксперимент
• Прийти к заключению, используя часть данных
• Оценить истинность своих выводов
• Обсудить и подтвердить свои выводы при помощи научных методов.

Подобное занятие предлагает обучающую модель для понимания принципов научного познания: создание предварительной гипотезы путем общих усилий и представление выводов, в разной степени подтвержденных частичными доказательствами.

Разгадываем генетический код в классе

Подобный урок подойдет для учеников в возрасте от 14 до 18 лет, работающих в группах по 3-4 человека, и займет около двух часов: он разбит на 4 части плюс итоговое обсуждение. Это занятие подойдет в качестве введения в молекулярную биологию, перед объяснением генетического кода и центральной догмы молекулярной биологии.

Ученикам будет предложено взломать код, состоящий из различных последовательностей букв (A, G, C, T), используя сообщения, которые эти последовательности кодируют (то есть AspHisTrp…). На каждом из первых трех шагов всем командам даются разные последовательности букв и соответствующие сообщения, и участники должны заново продумывать свои выводы после каждого  шага и обновлять свое решение.

Объясните ученикам, что все группы будут работать над разгадыванием одного и того же кода, но используя разные примеры. Не говорите им о биологической природе последовательностей (ДНК и аминокислоты) – они должны сконцентрироваться на поиске закономерностей и соотношений.

Ниренберг и Корана использовали последовательности РНК, чтобы расшифровать генетический код. Этот урок, напротив, использует последовательности ДНК (смысловые кодоны, от 5’ к 3’). Главная идея занятия – показать существование кода, а не объяснить детали транскрипции и трансляции, которые можно охватить в последующих уроках.

После каждого шага вы можете попросить одного ученика из каждой группы поменять рабочую группу. (Это отражает динамику получения и распространения научного знания, например, на конференциях и через публикации.)

Во все остальное время команды могут обмениваться информацией только когда им велят. (Если одна команда застрянет и потеряет мотивацию, будет интереснее предложить им попросить помощи у другой группы, а не у учителя.)

Материалы

• Рабочие листки 1-4 для каждой команды, которые можно скачать в колонке справа. Наборы последовательностей различаются для каждой команды.
• Изображение 1 или приложение для смартфона для легкого перехода между ДНК кодонами и аминокислотами^w1.

Процесс

Дайте ученикам как минимум 10-15 минут для обсуждения на каждом шаге. Когда все команды почувствуют, что извлекли всю возможную информацию из своих последовательностей, двигайтесь к следующему пункту.

1. Определение рамки. Дайте каждой команде копию рабочего листка 1 с тремя последовательностями без синонимичных кодонов или стоп-кодонов. Все последовательности начинаются с кодона ATG,  кодирующего аминокислоту метионин (Met).
   Используя эти три последоватености, студенты должны быть в состоянии определить, что код основан на триплетах букв, и выдвинуть первые гипотезы о смысле некоторых из этих триплетов.

   Таблица 1: Пример рабочего листка 1

   Последовательность	Смысл	Студенты выяснили, что…
   ATGTTAGGTAGTAAAGATGCT	MetLeuGlySerLysAspAla	Код состоит из триплетов, каждый триплет представляет собой один из трёхбуквенных элементов, например, метионин (Met).
   ATGCATGAAGCTATTTATGAT	MetHisGluAlaIleTyrAsp
   ATGGGTAGTGATGAAGCTTAT	MetGlySerAspGluAlaTyr

2. Построение модели. Дайте каждой команде копию рабочего листка 2, содержащего три новые последовательности, некоторые из которых включают синонимичные кодоны.
   Студенты должны быть в состоянии подтвердить некоторые из своих гипотез из шага 1, и, возможно, подвергнуть сомнению оставшиеся.

   Таблица 2: Пример последовательности для рабочего листка 1 одной из команд

   Последовательность	Смысл	Студенты выяснили, что…
   ATGGTTTCGTACACTGCGTCA	MetValSerTyrThrAlaSer	Некоторые элементы могут быть закодированы более чем одним триплетом, например, серин (Ser).
   ATGCCGTACACATGTGTCACA	MetProTyrThrCysValThr
   ATGACGAGTGCGTTGTGCGAT	MetThrSerAlaLeuCysAsp

3. Изменение модели в соответствии с новыми данными. Дайте каждой команде по копии рабочего листка 3, состоящего из новых последовательностей с более сложным содержимым: у некоторых нет начального кодона ATG, у некоторых он будет в середине последовательности. Подобные свойства приводят либо к более коротким (короче последовательностей из семи аминокислот на предыдущих шагах) сообщениям, либо вовсе не дают никакого результата.
   Рабочие листки для каждого шага состоят из двух списков последовательностей. Вы можете сами выбрать, давать ли ученикам все последовательности разом (чтобы сделать этот шаг легче) или в разные моменты времени (это усложнит задание).
   Кроме подтверждения роли триплетов, кодирующих определенные аминокислоты, эти последовательности позволяют ученикам определить ключевые роли метионина (стартовый кодон) и стоп-кодона.

   Таблица 3: Пример последовательностей для одной из команд на шаге 3

   Последовательность	Смысл	Студенты выяснили, что…
   TGTCATGCATCCGTCATCACTGAC	—	Триплет ATG определяет начало сообщения, а триплет TGA – его конец.
   TGCGTGACTATGGACACAGTCGT	MetAspThrVal
   ATGTGTCGATGACTGATCATG	MetCysArg
   ATGTGCGTACACATTTGAGTC	MetCysValHisIle
   ATGCTGTACACATGATGCACAGT	MetLeuTyrThr

4. Проверка гипотез и планирование эксперимента. Ученики должны теперь суметь предложить частичное решение для кода. Чтобы проверить их гипотезы, предложите каждой команде копию рабочего листка 4 и попросите их создать план эксперимента. Они должны предложить изменения для четырех определенных последовательностей, данных им на предыдущих этапах, и описать изменения, которые они будут ожидать в сообщение. Затем дайте им правильное сообщение, используя Изображение 1 если необходимо. Получился ли тот результат, который они ожидали? Если нет, что это означает? Подобные рассуждения кратко изображают процесс научного размышления, планирования эксперимента и анализа результатов.
   В качестве заключения к занятию, каждая команда должна презентовать свое решение для расшифровки кода остальным ученикам, объясняя свои выводы. Части решения, одобренные всей группой – в качестве научного сообщества – должны быть выписаны на доске. Противоречивые или неясные моменты тоже стоит обсудить. Результатом работы должно быть согласованное командой частичное решение для расшифровки генетического кода.
   Если представленный студентами код является верным, не спешите это подтверждать. Объясните им, что в науке нет книги, с которой можно сравнить свои результаты, и единственный путь к правильному ответу – это задавать правильные вопросы, создавать хорошие эксперименты и делиться информацией и идеями со своими коллегами, чтобы прийти к согласованным выводам.

Обсуждение

Попросите учеников поразмышлять на следующие темы:

• Как вы пришли к открытию, которое теперь считаете фактом?
• Обсуждали ли вы свои идеи с кем-то во время занятия? Что именно вы обсуждали?
• Как вам удалось подвердить гипотезу, если она была верной?
• Отказались ли вы от какой-либо из своих изначальных гипотез? Которой?
• Как вам удалось разрешить противоречивые заключения внутри команды или между разными группами?
• Были ли все ваши выводы одинаково сильными?

После обсуждения объясните своим ученикам, что последовательности являлись цепочками ДНК и аминокислот, и что они только что воспроизвели ключевой эксперимент молекулярной биологии. Ваши ученики теперь должны быть заинтересованы в том, чтобы узнать больше о генетическом коде и центральной догме молекулярной биологии, и в том числе – как близки были их собственные действия к тому способу, при помощи которого был взломан генетический код на самом деле.

Вы можете закрепить результаты урока, напомнив вашим студентам, что им удалось выяснить самим:

• На первом этапе: что генетический код основан на триплетах из нуклеотидов (кодонах).
• На втором шаге: что генетический код однозначен, но содержит повторы – каждый кодон кодирует единственный элемент (только одну аминокислоту), но некоторые элементы могут быть закодированы больше чем одним кодоном.
• На третьем этапе: что этот код включает в себя стартовый и стоп-кодоны, чтобы указать начало и конец закодированной последовательности аминокислот.

(Заметьте, что занятие может создать неверное впечатление, будто белки всегда состоят из 6 или 7 аминокислот: имеет смысл это тоже прокомментировать.)

Объясните, что подобная организация действий – разделение на группы, которые помогают друг другу и/или конкурируют, с перемещением людей между группами и обменом информацией с другими группами – отражает то, как работают ученые в реальной жизни.

Замечания

Чтобы упростить задание, можно давать ученикам больше последовательностей на каждом шаге (например, разбить их на меньшее число групп и дать каждой двойной набор последовательностей). Кроме того, можно опустить третий этап, и просто объяснить роль стартового и стоп-кодона после выполнения задания.

Благодарности

Педагогическая часть занятия, описанного в этой статье, была придумана группой по изучению языка и контекста в научном образовании (llenguatge i contextos en educació científica, LICEC) Автономного Университета Барселоны (ref. 2014SGR1492). Работа велась при финансовой поддержке испанского министерства экономики и конкурентноспособности (ref. EDU2015-66643-C2-1-P).