Στη σημερινή εποχή όπου η γνώση είναι προσβάσιμη σε όλους, έννοιες όπως αυτές του DNA, RNA και των πρωτεϊνών είναι οικείες. Μπορούμε όμως να αντιληφθούμε τη δομή αυτών των μακρομορίων στην πραγματική τους υπόσταση; Πολλές φορές η φαντασία δεν αρκεί για να μετατρέψει την πληροφορία των εικόνων σε τρισδιάστατη στερεοδιάταξη. Το ζήτημα μπορεί να λυθεί με τρισδιάστατα φυσικά μοντέλα τα οποία αναπαριστούν βιολογικά μακρομόρια, παρουσιάζοντας λεπτομερείς πληροφορίες για την δομή τους. Η απεικόνιση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων συμβάλλει στην κατανόηση των αλληλεπιδράσεων με άλλα μόρια και κατ΄επέκταση της λειτουργίας τους.

  Στην ιδέα αυτή βασίστηκε μία ομάδα του πανεπιστημίου της Βόρειας Καρολίνας, η οποία δημιούργησε 4 φυσικά μοντέλα με στόχο την κατανόηση των ηλεκτροστατικών και μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων και την σχέση τους με την στερεοδιάταξη των μακρομορίων. Τα μοντέλα απεικονίζουν τη δευτεροταγή και τριτοταγή δομή των πρωτεϊνών, μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη  και τη δομή του DNA.

Δημιουργία μοντέλων

3D μοντέλα μεθανόλης (αριστερά) και μεθανοθειόλης (δεξιά)
3D μοντέλα μεθανόλης (αριστερά) και μεθανοθειόλης (δεξιά)

Τα μοντέλα αποτελούν προϊόντα 3D εκτύπωσης. Ο σχεδιασμός τους βασίστηκε σε δεδομένα από το PubChem ή το Protein Data Bank και παράλληλα έγιναν τροποποιήσεις των χημικών ομάδων και των ατόμων με το πρόγραμμα Avogardo Version 1.1. Τα αρχεία που προέκυψαν μετατράπηκαν σε κατάλληλη μορφή ώστε να είναι συμβατά με εκτυπωτή 3D.

Εφαρμογή στην τάξη

Τα μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν σε δραστηριότητες του εισαγωγικού μαθήματος της Βιοχημείας, όπου συμμετείχαν φοιτητές των επιστημών της Βιολογίας και της Διατροφής. Οι συμμετέχοντες χωρίστηκαν σε ομάδες και κάθε ομάδα επεξεργάστηκε διαφορετικό μοντέλο. Η ομαδοποίηση των ατόμων φαίνεται στον παρακάτω πίνακα.

Αριθμός μαθητών Πλήθος ομάδων Δραστηριότητα
61 16 Δευτεροταγής δομή πρωτεΐνης
34 8 Τριτοταγής δομή πρωτεΐνης
36 8 Διαμεμβρανική πρωτεΐνη
25 8 DNA

Η συμμετοχή και οι αντιδράσεις των ομάδων καταγράφηκαν. Συγκεκριμένα κάθε ομάδα παρατηρήθηκε για 100sec, με  καταγραφή της παρατήρησης ανά 10sec. Κατά τη διάρκεια της 5ης και 10ης καταγραφής γίνεται η μαγνητοσκόπηση της συμπεριφοράς μιας ομάδας συνομηλίκων δίπλα από την εκάστοτε ομάδα. Μετά τις 10 παρατηρήσεις  ο παρατηρητής πήγαινε σε άλλη ομάδα. Κάθε παρατηρητής κατέγραφε διαφορετικές ομάδες καθ όλη τη διάρκεια της δραστηριότητας. Ως αποτέλεσμα η κάθε ομάδα είχε καταγραφεί από 3 ή 4 φορές έτσι ώστε όλες οι ομάδες να έχουν μαγνητοσκοπηθεί στην αρχή, στη μέση και στο τέλος της δραστηριότητας. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή της συμπεριφοράς ήταν μια τροποποίηση  του Behavioral Observation of Students in Schools. Το τροποποιημένο μοντέλο περιλαμβάνει τους εξής κώδικες:

  • συμπεριφορά on-task -> διακρίνεται σε ενεργητική ως προς τον προφορικό λόγο (active verbal, AV), ενεργητική ως προς τις πράξεις (active model, AM) και παθητική (passive, P).
  • καθοδήγηση από τον εκπαιδευτικό-> διακρίνεται  σε καθοδήγηση που αφορά το γνωστικό υπόβαθρο και καθοδήγηση ως προς το εκτελεστικό κομμάτι.

Αποτελέσματα

Δευτεροταγής δομή πρωτεΐνης

Το μοντέλο αυτό αναπαριστά ένα πεπτίδιο 8 αμινοξέων (LVVAASII) με δομή α έλικας. Κάθε αμινοξύ έχει τυπωθεί ξεχωριστά και είναι βαμμένο με κόκκινο στις ηλεκτροαρνητικές  περιοχές και μπλε στις ηλεκτροθετικές. Τα αμινοξέα ενώνονται μεταξύ τους με ένα κορδόνι. Το πεπτίδιο αποτελείται από πλευρικές αλυσίδες υδρογονανθράκων, μεταξύ των οποίων ξεχωρίζει μια σερίνη με μία επιπλέον ομάδα υδροξυλίου. Επομένως το μπλε και το κόκκινο συμβολίζουν τον σκελετό της αλυσίδας και αποτελούν την πολική πλευρά. Οι μαθητές κατάφεραν να:

  • αναγνωρίσουν ότι το κορδόνι αντιστοιχεί στον σκελετό και τα άσπρα τμήματα αντιπροσωπεύουν τις πλευρικές ομάδες
  • αναγνωρίσουν ότι η ακολουθία των μοντέλων στο κορδόνι αντιστοιχεί στην αλληλουχία που δόθηκε, είτε χρησιμοποιώντας την ομάδα της σερίνης που προεξείχε είτε ταιριάζοντας  την πλευρά των αλυσίδων των επαναλαμβανόμενων αμινοξέων.

    Μοντέλο δευτεροταγούς δομής. (Α)Γραμμική ακολουθία, (Β) Ένωση του n αμινοξέος με το n+4 , (C) Λανθασμένη αναδίπλωση, με ένωση του n αμινοξέος με το n+1, (D) Ένωση του n αμινοξέος με το n+3

Τριτοταγής δομή πρωτεΐνης

Τριτοταγής δομή. (Α) 3 έλικες, (Β) Αναδίπλωση ελίκων με την έλικα 3 στη μέση, (C) Λανθασμένη αναδίπλωση ελίκων

Το μοντέλο αναπαριστά 3 πρωτεϊνικά ελικοειδή τμήματα, τα οποία είναι χρωματισμένα όπως και το προηγούμενο μοντέλο.  Κάθε ελικοειδές τμήμα τυπώθηκε με μια τρύπα, έτσι ώστε να περνάει μέσα ένα κορδόνι το οποίο επιτρέπει την περιστροφή. Το ζήτημα ήταν οι έλικες να στραφούν και να τοποθετηθούν στη σωστή κατεύθυνση. Μόλις οι 6 από τις 8 ομάδες κατάφεραν την δοκιμασία. Όλες οι ομάδες αναγνώρισαν την μικρότερη έλικα ως έλικα 1, αλλά  μόνο 2 ομάδες  διέκριναν τις άλλες 2 έλικες και τοποθέτησαν την έλικα 3 στο κέντρο.

Διαμεμβρανική πρωτεΐνη 

Διαμεμβρανική πρωτεΐνη. (Α) Μοντέλα πρωτεϊνης (επάνω), γκυκόζης (κάτω αριστερά), προσδέτη (κάτω μέση) και λαυρακικού οξέος (κάτω δεξιά). (Β) Μοντέλο με τη γλυκόζη εντός του πόρου. (C) Λαυρικό οξύ και προσδέτης ορθά τοποθετημένοι στην εξωτερική επιφάνεια της πρωτεΐνης, (D) Κυκλικό μοντέλο πυκνότητας ηλεκτρονίων( πολλές ομάδες τοποθέτησαν εκεί τη γλυκόζη. (E) Προσδέτης και λαυρακικό οξύ εντός τους πόρου. (F) Γλυκόζη τοποθετημένη στην εξωτερική επιφάνεια της πρωτεΐνης

Το μοντέλο αυτό εστιάζει στις αρχές των μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων ως προς την διαλυτότητα των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών. Περιλαμβάνει μια πορίνη (στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι ένας μεταφορέας γλυκόζης) , γλυκόζη, λαυρικό οξύ (αντί μεμβράνης) και  (υδροξυαιθυλοξυ) τρι (αιθυλοξυ) οκτάνιο.Τα διαφορετικά μόρια έχουν τυπωθεί σε τέτοιο μέγεθος, ώστε να αναδεικνύονται οι πραγματικές αναλογίες και είναι χρωματισμένα όπως και πριν. Οι φοιτητές κλήθηκαν να περιγράψουν που εντοπίζεται καθένα από τα μόρια, αιτιολογώντας, και να τοποθετήσουν τα μικρά μόρια στην περιοχή της πρωτεΐνης βάσει της κατανομής των ηλεκτρονίων. Μόνο οι δύο  από τα έξι ομάδες τοποθέτησαν τη γλυκόζη εντός του πόρου, ενώ μόλις μια ομάδα τοποθέτησε σωστά το λαυρικό οξύ και τον μη πολικό προσδέτη εξωτερικά της υδροφοβικής επιφάνειας της πρωτεΐνης. 28 από τους 36 συμμετέχοντες δυσκολεύτηκαν να συσχετίσουν τα μη πολικά χαρακτηριστικά του λαυρικού οξέος με τα αντίστοιχα της επιφάνειας της πρωτεΐνης.

DNA

DNA (A) Νουκλεϊκά οξέα (Β) Μοντέλο όπου φαίνονται οι δεσμοί υδρογόνου (C) Μοντέλο όπου έχουν ενωθεί οι άκρες για να ζευγαρώσουν οι βάσεις.

Το μοντέλο  απεικονίζει μικρό τμήμα του DNA και αποτελείται από 4 ζεύγη βάσεων και 8 νουκλεϊκά οξέα με ένα διάτρητο άνοιγμα στο κέντρο του σκελετού. Ζητήθηκε από τους φοιτητές να συναρμολογήσουν το DNA  βάσει της δισδιάστατης ακολουθίας που τους δόθηκε. Οι περισσότερες ομάδες κατάφεραν να αναγνωρίσουν τα νουκλεϊκά οξέα και να τα συναρμολογήσουν σωστά, 4 ομάδες αναγνώρισαν τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των  βάσεων και 2 ομάδες ένωσαν τα άκρα των ¨κορδονιών¨ για να δείξουν τις αλληλεπιδράσεις των βάσεων. Οι φοιτητές έκαναν γρήγορα τη σύνδεση μεταξύ των ηλεκτρονιακών πυκνοτήτων και της δομής των μοντέλων, υποδεικνύοντας ότι τα μοντέλα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε πρώιμο στάδιο με στόχο την εξοικείωση των φοιτητών με αυτά.

Συμπεράσματα

  1. Παρατηρήθηκε ότι η καθοδήγηση του εκπαιδευτικού είτε για την πορεία της διαδικασίας είτε για διευκρινήσεις σημείωσε μικρά ποσοστά  σε όλες τις δραστηριότητες.
  2. Οι μαθητές ήταν σε εγρήγορση σε ικανοποιητικό βαθμό για τις δραστηρίοτητες που αφορούσαν το DNA και την διαμεμβρανική πρωτεΐνη, με μικρά διαστήματα αποχής από την διαδικασία. Τα διαστήματα αυτά ήταν αυξημένα στην δραστηριότητα της τριτοταγούς δομής.
  3. Οι κύριες συμπεριφορές των φοιτητών ήταν ενεργοί ως προς τον προφορικό λόγο και τις πράξεις  και παθητικοί, με τις δύο πρώτες αντιδράσεις να ξεχωρίζουν, καθώς οι φοιτητές αξιοποίησαν τον περισσότερο χρόνο συζητώντας και δουλεύοντας με τα μοντέλα.
  4. Στις δραστηριότητες που αφορούν τη διαμεμβρανική πρωτεΐνη και την τριτοταγή δομή, η προφορική συμμετοχή αποσκοπούσε κατά κύριο λόγο στη διαχείριση και συναρμολόγηση του μοντέλου.
  5. Τα μοντέλα του DNA  και της δευτεροταγούς δομής ήταν τα πιο παραστατικά στην ανάδειξη των ηλεκτρονιακών πυκνοτήτων και της σχέσης τους με τις αλληλεπιδράσεις των μορίων.
  6. Τα μοντέλα της τριτοταγούς και τεταρτοταγούς δομής ήταν πιο απαιτητικά στην κατανόηση της πολικότητας και των αλληλεπιδράσεων των μορίων.

Επομένως τα 3D φυσικά μοντέλα συμβάλλουν στην κατανόηση της στερεοδιάταξης των βιολογικών μορίων και των αλληλεπιδράσεων που υπαγορεύει η εκάστοτε δομή. Παρ΄όλα αυτά οι δραστηριότητες που εφαρμόστηκαν στη συγκεκριμένη έρευνα ήταν μεμονωμένες και στοχευμένες σε βιολογικές διεργασίες, χωρίς να εξετάζουν το βαθμό εμπέδωσης των φοιτητών.

Leave a Reply