Δημοσιεύτηκε στο Science in School (

Transcript

1 Δημοσιεύτηκε στο Science in School ( Αναπαριστώντας τον διπλό έλικα του DNA με τη χρήση ανακυκλωμένων υλικών Ο Διονύσιος Καρούνιας, η Ευανθία Παπανικολάου και ο Αθανάσιος Ψαρρέας από την Ελλάδα, περιγράφουν το πρωτοποριακό τους μοντέλο που αναπαριστά τον διπλό έλικα του DNA με τη χρήση άδειων μπουκαλιών και τενεκεδόκουτων! Το έργο κατασκευής ενός τρισδιάστατου μοντέλου μορίου DNA, με τη χρήση καθημερινών υλικών, κέντρισε το ενδιαφέρον των μαθητών, ενθάρρυνε την ομαδική εργασία, την επιδεξιότητα και τη διερεύνηση των ιδιοτήτων των υλικών, και επέτρεψε στους μαθητές να εκφράζουν την άποψή τους και να επιλύουν προβλήματα. Ειδικότερα, οι μαθητές έμαθαν τα βασικά δομικά στοιχεία του DNA και την τρισδιάστατη μοριακή τους οργάνωση. Μοντέλο του έλικα του DNA Μοριακή δομή του DNA Η βασική μονάδα του DNA είναι το νουκλεοτίδιο, το οποίο απαρτίζεται από μια φωσφορική ομάδα, ένα μόριο σακχάρου (δεοξυριβόζη) και μια από τέσσερις νουκλεοβάσεις (γνωστές επίσης ως βάσεις): την αδενίνη (Α), τη θυμίνη (T), τη γουανίνη (G) ή την κυτοσίνη (C). Το μόριο του DNAαπαρτίζεται από διαδοχικά νουκλεοτίδια τοποθετημένα σε διπλό έλικα μια σπειροειδή κλίμακα οι πλευρές του οποίου συντίθενται από ομάδες σακχάρων και φωσφόρου, με κάθε σκαλί να απαρτίζεται από ένα ζεύγος βάσεων. Τα ζεύγη των βάσεων συντίθενται από συμπληρωματικά νουκλεοτίδια: η αδενίνη ενώνεται με τη θυμίνη, ενώ η γουανίνη με την κυτοσίνη. Ένα νουκλεοτίδιο Μοντέλο νουκλεοτιδίου

2 Το μοντέλο Κάθε ένα από τα τρία συστατικά του νουκλεοτιδίου αναπαραστάθηκαν με τρισδιάστατα αντικείμενα (βλ. Πίνακα 1) τα οποία συνδέθηκαν για να σχηματίσουν ένα διπλό έλικα με δέκα σκαλιά (ζεύγη βάσης). Βλέπε παρακάτω. Μόριο DNA Φωσφορική ομάδα Μόριο δεοξυριβόζης Βάση Μοντέλο Κουτάκι Coca Cola Κουτάκι Sprite Πλαστικό μπουκάλι Πίνακας 1:Μοριακά συστατικά του DNA και τα αντίστοιχα υλικά στο μοντέλο Υλικά Ανακυκλωμένα υλικά Η επιλογή των υλικών αντικατόπτριζε την αφθονία τους στους κάδους απορριμμάτων του σχολείου. 20 αλουμινένια κουτάκια Coca Cola 20 αλουμινένια κουτάκια Sprite 20 πλαστικά μπουκάλια Coca Cola (500 ml) 60 κόκκινα καπάκια από μπουκάλια Coca Cola 10 πλαστικά μπουκάλια Fanta (500 ml) 20 πορτοκαλί καπάκια από μπουκάλια Fanta ένα λεπτό κομμάτι χαρτί ή πλαστικό, περίπου 1m μήκος. Πρόσθετα υλικά 6 m λεπτό σκοινί 20 πλαστικά καλαμάκια 20 παξιμάδια και λεπτά μπουλόνια με τρύπα και από τις δύο πλευρές 4 φύλλα χρωματιστού σελοφάν ζαχαροπλαστικής (μπλε, πράσινο, κόκκινο και κίτρινο). Εργαλεία Νυστέρι ή κοφτερό μαχαίρι για το κόψιμο των πλαστικών μπουκαλιών Χοντρό καρφί για να ανοίξουμε τρύπες στο πλαστικό και το αλουμίνιο Μικρή τανάλια Συρραπτικό Δύο κομμάτια λεπτού τηλεφωνικού καλωδίου, μήκους περίπου 40 cm, για να περάσει το σκοινί μέσα από τα καλαμάκια. Μέθοδος Πρώτα, αναπαρίσταται κάθε ένα από τα τρία νουκλεοτίδια συστατικά (δεοξυριβόζη, φώσφορος και βάση), αντιγράφοντας όσο το δυνατό ακριβέστερα τη γεωμετρία του μορίου.

3 Στη συνέχεια, τα συστατικά συγκεντρώνονται, για να σχηματίσουν νουκλεοτίδια και κατασκευάζεται ο έλικας του DNA. Τρυπήστε τα αλουμινένια κουτάκια και τα καπάκια των μπουκαλιών με το ίδιο καρφί. Αν θερμάνετε το καρφί, θα μπορέσετε να τρυπήσετε ευκολότερα τα καπάκια. Διαλέξτε το κατάλληλο πάχος καρφιού, για να μπορέσετε να περάσετε τα πλαστικά καλαμάκια από τις τρύπες και να στερεωθούν χωρίς να κουνιούνται, δημιουργώντας έναν σταθερό δεσμό μεταξύ των δομικών στοιχείων. Δεοξυριβόζη Η δεοξυριβόζη αναπαρίσταται με ένα κουτάκι Sprite στο οποίο έχουν προσαρτηθεί τρία κόκκινα καπάκια, που αντιπροσωπεύουν τα άτομα άνθρακα στις θέσεις 1, 3 και 5. Ένα πορτοκαλί καπάκι μπουκαλιού αντιπροσωπεύει το υδροξείδιο που θα συνδεθεί με το επόμενο νουκλεοτίδιο. Δεοξυριβόζη 1. Τρυπήστε το κουτάκι στις θέσεις 1, 3 και 5, όπως φαίνεται παρακάτω. 2. Τρυπήστε τέσσερα καπάκια μπουκαλιών (τρία κόκκινα και ένα πορτοκαλί) στο κέντρο. 3. Με ένα παξιμάδι και ένα μπουλόνι, στερεώστε καλά ένα κόκκινο καπάκι στη θέση 1, έτσι ώστε το μπουκάλι να μπορεί να βιδωθεί σε αυτό. 4. Στερεώστε καλά δύο καπάκια, ένα κόκκινο και ένα πορτοκαλί, στο καλαμάκι, στη μία του άκρη (πρώτα το κόκκινο, μετά το πορτοκαλί). 5. Περάστε το καλαμάκι μέσα από το κουτάκι, χρησιμοποιώντας τις τρύπες 3 και Στερεώστε το κουτάκι στο καλαμάκι, περνώντας ένα ακόμα κόκκινο καπάκι στη μία πλευρά του κουτιού στη θέση 5. Το τελικό αποτέλεσμα φαίνεται στο σχήμα αριστερά. Φωσφορική ομάδα Phosphate and deoxyribose Με το ίδιο καρφί, τρυπήστε το κέντρο της βάσης του κουτιού της Coca Cola, το οποίο αντιπροσωπεύει τη φωσφορική ομάδα. Περάστε το καλαμάκι που είναι στερεωμένο στο κουτάκι της Sprite (δεοξυριβόζη) μέσα από το κουτάκι της Coca Cola (φωσφορική ομάδα), με το πάνω μέρος του κουτιού της Coca Cola πλησιέστερα στο κουτάκι της Sprite. Η φωσφορική ομάδα είναι τώρα στερεωμένη στη δεοξυριβόζη, στη θέση 5 (βλέπε αριστερά). Το καλαμάκι συνδέει τα δύο κουτάκια και επίσης διευκολύνει, ώστε το λεπτό σκοινί να περάσει μέσα και από τα δύο κουτάκια, συνδέοντας τα νουκλεοτίδια για να σχηματιστεί μια μοριακή αλυσίδα (βλέπε παρακάτω). Για το λόγο αυτό, είναι σημαντικό να μην τσακίσετε το καλαμάκι.

4 Για να εξασφαλίσετε τη σωστή κλίμακα μεταξύ του μορίου και του μοντέλου, η απόσταση από τη βάση του κουτιού της Coca Cola και του πορτοκαλί καπακιού πρέπει να είναι 23 cm. Συμπληρωματικά ζεύγη βάσης Στη συνέχεια, διαμορφώνουμε τα πλαστικά μπουκάλια που αναπαριστούν τις βάσεις, ώστε να μπορούν να συνδεθούν μόνο με τη βάση που τα συμπληρώνει (η αδενίνη με τη θυμίνη και η γουανίνη με την κυτοσίνη). Για να κατασκευαστούν δύο συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων, κόψτε δύο μπουκάλια Fanta και τρία μπουκάλια Coca Cola κατά πλάτος, χρησιμοποιώντας το νυστέρι και το ψαλίδι. Προσέξτε μην κοπείτε! Αφαιρέστε τη βάση από δύο μπουκάλια Coca Cola (τομή c παρακάτω) 1. Από το τρίτο μπουκάλι Coca Cola, αφαιρέστε o Το λαιμό, κόβοντας 10 cm κάτω από το στόμιο (τομή a) και o Το κάτω μέρος του μπουκαλιού, κόβοντας 4 cm πάνω από τη βάση (τομή b). 2. Χρησιμοποιώντας ψαλίδι, κάντε πέντε με έξι τομές, μήκους 2 cm, στο λαιμό και τη βάση του τρίτου μπουκαλιού Coca Cola. Αυτές μπορούν στη συνέχεια νε ανοιχτούν, για να περάσουν άλλα μπουκάλια (βλέπε παρακάτω). 3. Χρησιμοποιώντας αυτά τα κομμάτια και το χρωματιστό σελοφάν, μπορούμε να δημιουργήσουμε τα δομικά στοιχεία που αναπαριστούν τις βάσεις. Κατασκευάζοντας τις βάσεις Θυμίνη (T) Τοποθετήστε πράσινο σελοφάν σε ένα μπουκάλι Coca Cola χωρίς βάση. Αδενίνη (A)

5 Στη βάση ενός μπουκαλιού Fanta, στερεώστε το λαιμό ενός μπουκαλιού Coca Cola. Τοποθετήστε μπλε σελοφάν στο εσωτερικό των δύο κομματιών. Η θυμίνη (T), που αντιπροσωπεύεται από το πράσινο χρώμα, συνδέεται με δύο δεσμούς υδρογόνου με την αδενίνη (Α), η οποία αντιπροσωπεύεται από το μπλε χρώμα. Για να αναπαρασταθεί αυτό, σπρώξτε με δύναμη το λαιμό του μπλε μπουκαλιού στο πράσινο μπουκάλι που δεν έχει πάτο. Γουανίνη (G) Τοποθετήστε κόκκινο σελοφάν σε ένα μπουκάλι Fanta. Κυτοσίνη (C) Τοποθετήστε κίτρινο σελοφάν σε ένα μπουκάλι Coca Cola χωρίς πάτο. Στερεώστε καλά τη βάση ενός άλλου μπουκαλιού Coca Cola, από την ανάποδη. Η γουανίνη (G), η οποία αντιπροσωπεύεται από το κόκκινο χρώμα, συνδέεται μέσω τριών δεσμών υδρογόνου με την κυτοσίνη (C), η οποία αντιπροσωπεύεται από το κίτρινο χρώμα. Για να αναπαρασταθεί αυτό, ανοίξτε τη βάση του κίτρινου μπουκαλιού (κυτοσίνη) κατά μήκος των τομών, για να επιτρέψετε να περάσει η βάση του κόκκινου μπουκαλιού (γουανίνη) και να σταθεροποιηθεί στο σημείο. Για λόγους συμμετρίας και κλίμακας του μοντέλου, τα δύο ζεύγη των συνδεδεμένων συμπληρωματικών βάσεων πρέπει να έχουν 42 cm μήκος. Κάθε χρωματιστό μπουκάλι βιδώνεται στο καπάκι του μπουκαλιού (άνθρακας) στη θέση 1 ενός μορίου δεοξυριβόζης, φτιάχνοντας έτσι τέσσερα διαφορετικά νουκλεοτίδια (βλέπε παρακάτω). Συμπληρωματικές βάσεις Αυτή η αντιπροσώπευση των δεσμών υδρογόνου επιτρέπει την εύκολη σύνδεση και αποσύνδεση των συμπληρωματικών βάσεων. Αυτό, με τη σειρά του, διευκολύνει όχι μόνο το διαχωρισμό των κλώνων του DNA αλλά και τη μεταβολή της θέσης των βάσεων χάριν διδακτικών στόχων.

6 Τοποθετώντας σε ζεύγη συμπληρωματικές βάσεις Κατασκευάζοντας το μόριο του DNA Αφού έχει ολοκληρωθεί η κατασκευή 20 νουκλεοτιδίων, μπορούμε να φτιάξουμε ένα διπλό έλικα με 10 σκαλοπάτια δύο κλώνους με 10 νουκλεοτίδια ο καθένας. Επειδή η απόσταση από το τέλος του κουτιού της Coca Cola (φωσφορική ομάδα) μέχρι το πορτοκαλί καπάκι (υδροξείδιο συνδεδεμένο με την επόμενη φωσφορική ομάδα) είναι 23 cm, ο κλώνος των 10 νουκλεοτιδίων θα έχει μήκος 2.3 m. Δέστε το τηλεφωνικό καλώδιο σε περίπου 3m λεπτού σκοινιού και χρησιμοποιήστε το άκαμπτο καλώδιο, για να περάσετε το σκοινί μέσα από τα καλαμάκια των νουκλεοτιδίων, ώστε να σχηματιστούν δύο μοριακοί κλώνοι, που κρέμονται κάθετα σε ύψος 2 m και σε απόσταση 65 cm το ένα από το άλλο. Οι δύο κλώνοι του μορίου του DNA απεικονίζονται στην κατεύθυνση 5 προς 3 και είναι αντιπαράλληλοι. Στο μοντέλο αυτό, η κατεύθυνση στην οποία διαβάζουμε τη λέξη Coca Cola συμπίπτει με την κατεύθυνση 5 προς 3. Συνεπώς, σε έναν από τους κλώνους, οι λέξεις Coca Cola διαβάζονται από πάνω προς τα κάτω και στον άλλο κλώνο, από κάτω προς τα πάνω. Οι κλώνοι DNA του δικού μας μοντέλου είναι, ως εκ τούτου, επίσης αντιπαράλληλοι. Πρέπει επίσης να φροντίσουμε ώστε οι βάσεις στον ένα κλώνο να είναι συμπληρωματικές σε εκείνες του αντίθετου κλώνου. Η αδενίνη πρέπει να είναι απέναντι από τη θυμίνη και η κυτοσίνη απέναντι από τη γουανίνη. Αν αυτά τα κριτήρια ικανοποιούνται, δέστε ένα ρολό χαρτιού στην άκρη κάθε κλώνου, έτσι ώστε μια λεπτή ράβδος να μπορεί να περάσει μέσα από το ρολό και να χρησιμοποιηθεί για να στρίψουμε τους συνδεδεμένους κλώνους με τη φορά του ρολογιού, 360 μοίρες (βλέπε παρακάτω). Μόριο DNA Μοντέλο Διάμετρος 2 nm 0.65 m Σκαλοπάτι έλικα 3.4 nm 1.1 m Μήκος έλικα 7.14 nm 2.30 m Μήκος έλικα: διάμετρος Σκαλοπάτι έλικα: διάμετρος Πίνακας 2: Μεγέθη και αναλογίες ενός μορίου DNA και του μοντέλου

7 Το μοντέλο αντιπροσωπεύει ένα μόριο DNA σε κλίμακα :1 με άλλα λόγια, 320 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από όσο είναι στην πραγματικότητα. Αν προσπαθούσαμε να αναπαραστήσουμε ένα ολόκληρο ανθρώπινο μόριο DNA με το μοντέλο μας, θα χρειαζόμασταν ένα διπλό έλικα μήκους km, ικανό να τυλιχτεί 16 φορές γύρω από τον ισημερινό της Γης. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο στην τάξη Το μοντέλο κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε σε τρεις φάσεις σε διάρκεια μίας έως δύο εβδομάδων. Φάση 1: Κατασκευάζοντας το μοντέλο Μαθητές ηλικίας 14 ακολούθησαν τις οδηγίες κατασκευής με ενδιαφέρον και συμμετείχαν στην επίλυση πρακτικών προβλημάτων. Φάση 2: Αναπαριστώντας ένα μόριο DNA Στο αντίστοιχο κεφάλαιο του μαθήματος της βιολογίας, μαθητές ηλικίας 15 ετών έπρεπε να απαντήσουν σε ένα φύλλο εργασίας όπου αναγνώρισαν και αντιστοίχησαν τα έτοιμα δομικά υλικά του μοντέλου με εκείνα του μορίου του DNA όπως απεικονίζεται στο σχολικό τους εγχειρίδιο. Συνέθεσαν και έστριψαν τη διπλή αλυσίδα του μοντέλου. Έκαναν πολλές ερωτήσεις και είχαν μια έντονη και ενδιαφέρουσα συζήτηση. Κρεμώντας τον έλικα Φάση 3: Αντιγράφοντας ένα μόριο DNA Τον ελεύθερο χρόνο τους και σαν θεατρικό παιχνίδι, οι ίδιοι δεκαπεντάχρονοι μαθητές υποκρίθηκαν ότι ήταν τα κατάλληλα ένζυμα και, με τη βοήθεια του μοντέλου, προέβησαν στα ακόλουθα βήματα: 1. Χώρισαν δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των συμπληρωματικών βάσεων, από την κορυφή του μορίου μέχρι την έκτο ζεύγος βάσεων (μπουκαλιών) στο μοντέλο (ένζυμο: DNA ελικάση). 2. Διαχώρισαν τους δύο κλώνους. 3. Ξεκίνησαν την κατασκευή θυγατρικών κλώνων συμπληρωματικών του αρχικού (DNA πολυμεράση). 4. Διαχώρισαν τους υπόλοιπους δεσμούς υδρογόνου. 5. Δημιούργησαν θυγατρικούς κλώνους συμπληρωματικούς του αρχικού (DNA πολυμεράση). 6. Έλεγξαν για πιθανά σφάλματα και τα διόρθωσαν αν χρειαζόταν. Στρίβοντας τον έλικα

8 Αξιολόγηση Οι μαθητές μαθαίνουν πολύ πιο γρήγορα και εύκολα όταν συμμετέχουν ενεργά στο μάθημα. Η διδασκαλία της δομής του DNA είναι πολύ ευκολότερη αν χρησιμοποιηθεί ένα τρισδιάστατο μοντέλο του μορίου. Δραστηριότητες τύπου παζλ δίνουν μια δισδιάστατη εικόνα, αλλά είναι δύσκολο να αποκτήσουν οι μαθητές μια οπτική εικόνα του σχήματος του μορίου. Αυτή η ευφάνταστη εργασία περιγράφει τον τρόπο που ένα μοντέλο κλίμακας του DNA μπορεί να κατασκευαστεί με κουτάκια αλουμινίου και μπουκάλια. Η συγκέντρωση των υλικών που απαιτούνται για την κατασκευή του μοντέλου είναι εύκολη, καθώς οι μαθητές μπορεί να ανακυκλώνουν κουτάκια αλουμινίου και μπουκάλια. Θα ήταν μια καλή ιδέα για τον τεχνικό ή τον δάσκαλο να κάνει κάποια προπαρασκευαστική εργασία. Αυτό θα μείωνε τον απαιτούμενο χρόνο στο μάθημα, ενώ θα ανταποκρινόταν και σε όρους ασφάλειας, όταν θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα καυτό καρφί για να γίνουν τρύπες στα καπάκια των μπουκαλιών και αιχμηρό αντικείμενο για να κοπούν τα πλαστικά μπουκάλια. Εναλλακτικά, το μοντέλο θα μπορούσε να κατασκευαστεί σε μάθημα τεχνολογίας και κατόπιν να χρησιμοποιηθεί στα μαθήματα βιολογίας. Θα μπορούσε, επίσης, να σχεδιαστεί ομαδική εργασία, ώστε οι ομάδες να ανταγωνίζονται ποια θα κατασκευάσει πρώτη το μοντέλο του DNA. Το μοντέλο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως διδακτικό εργαλείο για να παρουσιαστεί η αντιγραφή του DNA, είτε κατά τη μίτωση είτε κατά την αλυσιδωτή αντίδραση της πολυμεράσης. Το γεγονός ότι το μοντέλο είναι σε κλίμακα θα βοηθήσει τους μαθητές να εκτιμήσουν τη χωρική σχέση των συστατικών στοιχείων του μορίου του DNA. Πιστεύω ότι οι μαθητές, χρησιμοποιώντας αυτή την ιδέα, θα μάθουν με ευχαρίστηση για το DNA, γεγονός που σημαίνει ότι το μάθημα θα είναι κατανοητό και θα το θυμούνται. Shelley Goodman, ΗΒ ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ ΑΠΟ ΤΟ SCIENTIX (