Программа «ДНК-оригами»

    • ДНК-оригами. Длинные молекулы биополимера (ДНК), вследствие их естественной способности к самосборке и образовыванию комплементарных связей, могут быть уложены определенным образом на молекулярном уровне так, как мы того пожелаем (отсюда термин «оригами», по аналогии с искусством складывания чего угодно из бумаги). Новое направление в нанотехнологии, которое только начинает развиваться, и дает широкие перспективы для создания нового поколения биологически совместимых с организмом человека материалов (пригодных для медицины и не дающих отторжения), создания подложек для различных комплексов, прочных биоразлагаемых нанотрубок и пр.

      1) Введение в нанотехнологию. История развития. Наноструктуры и их свойства (на примере соединений углерода). Работа с моделями атомов, самостоятельная сборка углеродных соединений учащимися. Значение нанотехнологии в различных сферах жизни общества (медицина, промышленность и др.)
      2) Знакомство с научной лабораторией. Правила техники безопасности при работе. Научное оборудование и расходные материалы: эксплуатация, меры безопасности.
      3) Строение и свойства биополимеров (ДНК, РНК, белки), значение для организмов. Сборка моделей ДНК учащимися, объяснение структуры. Принцип комплиментарности. Репликация ДНК в живой клетке.
      4) Способы выделения и очистки ДНК. Демонстрация выделения бактериальной ДНК (из суточной йогуртовой культуры) коммерческим набором на силиконовых колонках. Измерение концентрации нуклеиновых кислот спектрофотометрическим методом. Консервация и храниение ДНК.
      5) Способы получения целевого фрагмента ДНК: полимеразная цепная реакция. Этапы ПЦР, условия проведения, подбор праймеров. Методы детекции результатов ПЦР.
      6) Проведение ПЦР с с целью получения фрагмента 16S рибосомальной РНК.
      В качестве генетического маркера используется участок гена 16S рибосомальной РНК, который фланкировали праймерами: прямой – AGAGTTTGATCCTCCCTCAG и обратный – ACGGCTACCTTGTTACGACTT.
      Состав реакционной смеси для полимеразной цепной реакции (ПЦР): 1x буфер, дезоксирибонуклеотиды (250 мкМ), праймеры (0.25 мкМ), taq-полимераза (10 ед.), деионизированная вода, матрица ДНК (3 мкл). ПЦР проводится в пробирках объемом 0.2 мл с использованием амплификатора Bio-Rad со следующими температурными параметрами: денатурация ДНК при 94°С в течение 2 мин, циклирование – плавление матрицы при 94°С, 30 сек; отжиг праймеров при 55°С, 30 сек; элонгация цепи при 72°С, 1 мин (всего 30 циклов); окончательная достройка цепей – при 72°С в течение 5 мин. После завершения реакции по 5 мкл смеси наносится на 1% агарозный гель для оценки качества ПЦР и разделения фрагментов; после чего готовится препаративный гель, из которого проводят выделение и очистку фрагментов нужной длины (около 1400 п.о.).
      7) Способы определения нуклеотидной последовательности ДНК. Секвенирование по сенгеру, капиллярный форез, полногеномное секвенирование. Биоинформационная обработка последовательностей. Генетические базы данных и работа с ними.
      8) Работа с полученным фрагментом ДНК:
      AGTTGATCGATGAATGCCGGCGGTGTGCCTAATACATGCAAGTCGAACGCGTTGGCCCAATCGATTGATGGTGCTTGCACCTGATTGATTTTGGTCGCCAACGAGTGGCGGACGGGTGAGTAACACGTAGGTAACCTGCCCAGAAGCGGGGGACAACATTTGGAAACAGATGCTAATACCGCATAACAGCGTTGTTCGCATGAACAACGCTTAAAAGATGGCTTCTTGCTATCACTTCTGGATGGACCTGCGGTGCATTAGCTTGTTGGTGGGGTAACGGCCTACCAAGGCGATGATGCATAGCCGAGTTGAGAGACTGATCGGCCACAATGGGACTGAGACACGGCCCATACTCCTACGGGAGGCAGCAGTAGGGAATCTTCCACAATGGGCGCAAGCCTGATGGAGCAACACCGCGTGAGTGAAGAAGGGTTTCGGCTCGTAAAGCTCTGTTGTTAAAGAAGAACACGTATGAGATTAACTGTTCATACGTTGACGGTATTTAACCAGAAAGTCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTAGGTGGCAAGCGTTATCCGGATTTATTGGGCGTAAAGAGAGTGCAGGCGGTTTTCTAAGTCTGATGTGAAAGCCTTCGGCTTAACCGGAGAAGTGCATCGGAAACTGGATAACTTGAGTGCAGAAGAGGGTAGTGGAACTCCATGTGTAGCGGTGGAATGCGTAGATATATGGAAGAACACCAGTGGCGAAGGCGGCTACCTGGTCTGCAACTGACGCTGAGACTCGAAAGCATGGGTAGCGAACAGGATTAGATACCCTGGTAGTCCATGCCGTAAACGATGAGTGCTAGGTGTTGGAGGGTTTCCGCCCTTTCAGTGCCGGAGCTAACGCATTAAGCACTCCGCCTGGGGAGTACGACCGCAAGGTTGAAACTCAAAGGAATTGACGGGGGCCCGCACAAGCGGTGGAGCATGTGGTTTAATTCGAAGCTACGCGAAGAACCTTACCAGGTCTTGACATCTTGCGCCAACCCTAGAGATAGGGCGTTTCCTTCGGGAACGCAATGACAGGTGGTGCATGGTCGTCGTCAGCTCGTGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCTTGTTACTAGTTGCCAGCATTAAGTTGGGCACTCTAGTGAGACTGCCGGTGACAAACCGGAGGAAGGTGGGGACGACGTCAGATCATCATGCCCCTTATGACCCGGGCTACACACGTGCTACAATGGACGGTACAACGAGTCGCAAACTCGCGAGGGCAAGCAAATCTCTTAAAACCGTTCTCAGTTCGGACTGCAGGCTGCAACTCGCCTGCACGAAGTCGGAATCGCTAGTAATCGCGGATCAGCATGCCGCGGTGAATACGTTCCCGGGCCTTGTACACACCGCCGTCACACCATGAGAGTTTGTAACACCCAAAGTCGGTGGGGTAACCTTTTAGGAGCCAGCCGCCTAAGGTGGGACAGATGATTAGGGTGAAGTCGTAACAAGGTAGCCGTAGGAGAACCTGCCTT

      Совместное с учениками создание модели фрагмента с соблюдением пропорций в соответствии с расстояниями между нуклеотидами (последовательность карточек с буквами, скрепленная вместе; шарики с буквами, нанизанными на веревку и т.пр.). Построение простейших конструкций на полученной модели, которые могут быть ренализованы на практике (круг, восьмерка, многоугольник и пр.). Теоретический подбор «сцепок» для соседних цепей фрагмента с целью создания заданной структуры ДНК.

      9) Практическая работа по созданию смоделированных конструкций ДНК, подбор оптимальных условий для поддержания структур в стабильном состоянии.
      10) Изучение структуры полученных фигур с помощью атомно-силового микроскопа. Научный отчет о проделанном исследовании.

      Адреса и контакты мест, где эта программа уже была опробована

      Ульяновская область

      Особые условия

      Участники от 14 лет.

      Материально-техническое оснащение

      Химическая лаборатория со стандартным набором общелабораторного оборудования, реактивы для молекулярной биологии, вытяжной шкаф

      Кадровое обеспечение

      Количество задействованных педагогов и/или иных специалистов - 2

      Знание основ молекулярной биологии

      Личностные достижения педагога

      Руководитель проекта в 2012 г. прошел обучающий тренинг на базе Института биологии гена (РАН, Москва) в ходе практических занятий, организуемых для учителей биологии заведующим лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов Севериновым К.В. (для чего был получен грант фонда «Династия» поддержки проекта «Современная экспериментальная биология в школе»). В ходе обучения практически отработал все методики стимулирования мотивации учащихся на уроках биологии с применением современных методов биологических исследований. В период с 2012 по 2016 г.г. на базе Научно-исследовательского центра УлГПУ активно занимался разработкой нескольких обучающих наборов и использовал их на уроках биологии со школьниками 9-11 классов Малой академии естественно-научного образования УлГПУ. Кроме того, руководитель организует регулярные тренинги для учителей биологии средних школ, в ходе которых проводит обучение использованию новых методов современной биологии в школьном лабораторном практикуме. Данный метод стимулирования познавательного интереса получил высокую оценку как среди школьников, так и преподавателей; существенно повысил мотивацию учеников к изучению сложных разделов молекулярной биологии, генетики, цитологии и других. Руководитель проекта, являясь по основной специальности учителем биологии, имеет более чем 10-летний опыт преподавательской работы (как в средней, так и в высшей школе), а также навыками проведения необходимых в преподавании биологии научных исследований (поскольку прошел стажировки по методам молекулярно-генетических исследований на базе Института биологии гена (РАН, Москва), методам конфокальной и прямой микроскопии (стажировка на базе Института биологии развития (РАН, Москва)). Мищенко А.В. опубликовал более 60 научных работ в ряде ведущих естественно-научных изданий (как отечественных, так и зарубежных): Journal of Natural History, Entomological Review, Зоологический журнал, Энтомологическое обозрение, Вестник защиты растений, Кавказский энтомологический бюллетень, Онтогенез и др.; в период с 2012 по 2016 г.г. руководил 4 грантами по биологическим тематикам исследований, среди которых международный грант компании ОПТЭК поддержки молодых ученых, региональный грант РФФИ, грант Президента РФ, ФЦП Министерства образования и науки РФ.