Neues Kit macht CRISPR-Experimente im Klassenzimmer erschwinglich und zugänglich

CRISPR, die Technologie zur Genbearbeitung, war einer der größten Durchbrüche in der Biologie der letzten zwei Jahrzehnte. Und obwohl die Schüler lernen, wie man Gene ausschneidet, einfügt und verändert, haben sie nur selten die Chance, die Technologie selbst zu verstehen, indem sie sie anwenden.

Hier kommt CRISPRkit ins Spiel. Die Erfindung aus Stanford enthält alle Materialien, die für die Durchführung eines CRISPR-Experiments im Klassenzimmer benötigt werden, und kostet etwa 2 Dollar pro Kit (oder etwa 40 Dollar für Materialien für ein ganzes Klassenzimmer). Die Ergebnisse können ausschließlich mit einer Smartphone-Kamera analysiert werden und die CRISPRkit-Website.

Es ist zwar noch ein weiter Weg, bis es landesweit verfügbar sein wird, aber ein aktuelles Papier veröffentlicht in Naturkommunikation Verfasser: Stanley Qi, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen an den Fakultäten für Ingenieurwesen und Medizin, die Qi-Labormitglieder Matthew Lau und Marvin Collins und andere lenkten die Aufmerksamkeit auf das Potenzial von CRISPRkit, moderne Fortschritte der Biologie in den Unterricht zu bringen.

„Unser Ziel ist es, die Biologie zu demokratisieren“, sagte Lau. „Die Nachfrage ist da – dies könnte als Modell dienen, um diese Art von Möglichkeiten in die Klassenzimmer zu bringen.“

Früh anfangen

Matthew Lau, einer der Erstautoren des Artikels, begann bereits als Highschool-Schüler im Qi-Labor zu arbeiten, nachdem er ein Sommercamp in Stanford besucht hatte. 2018 nahm Qi ihn mit zu einer Biotech-Konferenz in New York, wo Lau ein Poster für ein teures Lehrset sah.

Das war der zündende Gedanke für die Entwicklung eines DIY-Kits – etwas, das die Community einbeziehen und Schülern Wissenschaft näherbringen könnte. Das Team konzentrierte sich auf CRISPR, weil es bereits ein wichtiger Bestandteil von Qis Laborforschung war.

Marvin Collins, der im zweiten Studienjahr war, als sie mit der Arbeit an diesem Projekt begannen, sagte: „Wir wollten es so zugänglich wie möglich machen, damit Kinder aus allen sozioökonomischen Schichten spannende Technologien kennenlernen, die in der Biotechnik und Medizin für Furore sorgen – und praktische Experimente ihnen Erfahrungen vermitteln, worum es in der Wissenschaft geht.“

Das Team plante, ein Kit herzustellen, das Chromoproteine ​​– Proteine, die bei normalem sichtbarem Licht farbig sind – zur Bildung von Pigmenten verwendet. Anschließend sollte im Experiment geprüft werden, ob Benutzer die Chromoproteine ​​mithilfe von CRISPR abschalten können. Die Teammitglieder waren begeistert, mit dem visuellen Aspekt zu experimentieren, der ihr Interesse wecken könnte, und möglicherweise Kits herzustellen, bei denen Farbmischungen möglich sind.

Doch bevor all dies Wirklichkeit werden konnte, mussten die Hürden überwunden werden, die CRISPR bereits heute in Klassenzimmern verhindern. CRISPR wird normalerweise mit Spezialgeräten und biologisch gefährlichen Chemikalien durchgeführt, die spezielle Entsorgungsmethoden erfordern, und es ist teuer – allein die Pipetten können 500 Dollar kosten. Qi sagte: „Wir haben uns gefragt, wie wir diese Hürden beseitigen können, um etwas so Billiges und so Sicheres herzustellen, dass jemand dieses Experiment in seiner Küche durchführen kann?“

Versuchen Sie es immer wieder

Für Lau und Collins bestand die Antwort darin, viel zu experimentieren. Der erste Plan sah vor, dass das Kit CRISPR verwendet, um Pigmente in einem Reagenzglas zu bearbeiten: Wenn das Experiment erfolgreich war, würde die Farbe von Rot zu Transparent wechseln.

Der erste Sommer, so Lau, sei zeitweise frustrierend gewesen. „Es gab etwa zwei Wochen, in denen wir das Pigment nicht ausschalten konnten, also mussten wir viel Fehler beheben. Es gab viel zu optimieren. Ich habe vielleicht 50 einzelne Experimente durchgeführt, um es zum Laufen zu bringen.“ Collins arbeitete auch an den Nasslaborexperimenten und verbrachte viel Zeit unter der Haube.

Als die COVID-19-Pandemie begann, führte Stanford Fernunterricht ein. Lau flog zurück nach Hongkong, konnte aber seine Computerarbeit aus der Ferne fortsetzen; er entwickelte CRISPectra, die Website, auf der Benutzer der Kits Fotos ihrer Ergebnisse hochladen und quantitative Daten daraus erhalten können. Für Collins bedeutete die Rückkehr zum Haus ihrer Familie in Alabama jedoch, dass sie keinen Zugang mehr zu Laborgeräten hatten.

„Die Situation, keinen Zugang zu einem Labor zu haben und in Alabama zu leben, hat mich vor denselben Anwendungsfall gestellt, für den wir die Kits entworfen haben“, sagte Collins. „Also habe ich das als Gelegenheit genutzt, die Low-Tech-Umgebung zu nutzen.“ Collins konnte Materialien per Post erhalten, was ihnen erlaubte, weiter zu experimentieren und dabei half, potenzielle Probleme und Workarounds aufzuzeigen.

Testen mit Lehrern

Als das Team 2021 auf den Campus zurückkehrte, war es bereit, das Kit im Klassenzimmer auszuprobieren. Durch die Zusammenarbeit mit Lehrern und Schülern der Los Altos High School und der Menlo High School optimierten sie das Kit weiter. So tauschten sie beispielsweise die Pipetten nach einem fehlgeschlagenen Testdurchlauf gegen Impfösen aus – Instrumente mit einer kleinen Öse zur Probenentnahme.

Qi, Lau und Collins erinnern sich alle daran, wie aufregend es war, in den Unterrichtsräumen zu sitzen und zu sehen, wie die Schüler ihr Projekt tatsächlich anwendeten und dabei leidenschaftlich und neugierig an der Forschung teilnahmen.

„Ich war nervös, als ich das Kit ins Klassenzimmer bringen wollte, und fragte mich: ‚Wird es in den Händen der Schüler tatsächlich funktionieren?‘“, sagte Qi. „Von den 17 Gruppen haben es 15 zum Laufen gebracht, was mich sehr gefreut hat. Ein Highschool-Schüler ging sogar noch einen Schritt weiter und führte einen Drucktest durch, wobei er das Experiment viele Male wiederholte, um die Konsistenz der Ergebnisse zu prüfen. Ich war wirklich gerührt von der Hingabe dieses Schülers, mit der er uns geholfen hat.“

„Unsere Forschung hatte direkte Auswirkungen auf die Kinder, man konnte ihre Freude und ihr Engagement sehen“, sagte Collins. „Es hat mich daran erinnert, dass ich selbst nicht Wissenschaftler geworden wäre, wenn ich keine Lehrer und Mentoren gehabt hätte, die ihr Wissen mit mir teilten und mich inspirierten – und jetzt ist es cool, dass ich auf der anderen Seite stehen darf.“

Von dieser Begeisterung beflügelt, verdoppelte das Team seine Bemühungen, das Kit wirklich zugänglich zu machen – was bedeutete, über die Kosten nachzudenken. Qi sagte, dass dies weiterhin eine Herausforderung sei, da einige der wichtigsten Reagenzien für das Experiment etwa 80 % der Kosten des Kits ausmachen.

Glücklicherweise konnte Qi mit Michael Jewett zusammenarbeiten, einem Stanford-Professor für Biotechnik, dessen Labor mit einem der wichtigsten Reagenzien arbeitet. Jewetts Labor stellt seine eigenen Reagenzien mithilfe von Bakterien her, sodass Collins und Brenda Wang, ein Mitglied des Jewett-Labors, es selbst herstellen und die Kosten senken konnten. Während das Team über andere mögliche Verwendungen und Variationen des Kits nachdenkt, behalten sie die Erschwinglichkeit im Auge.

Die Zukunft von CRISPRkit

Obwohl Collins inzwischen ihren Abschluss in Stanford gemacht hat, ist sie weiterhin an dem Projekt beteiligt. Sie bewerben sich derzeit für Ph.D.-Programme und beabsichtigen, sich auf die Erforschung der Barrierefreiheit zu konzentrieren, die ihnen als schwarze nichtbinäre Wissenschaftlerin, die historisch unterrepräsentiert war, von Anfang an wichtig war.

Collins sagte: „Bioengineering ist aus Sicht der Zugänglichkeit wirklich spannend und wenn wir es richtig machen und unterschiedliche Perspektiven einbringen, hat es das Potenzial, Probleme anzugehen, die für verschiedene Gemeinschaften auf der ganzen Welt wichtig sind.“

Qi wechselte von Physik zu synthetischer Biologie, weil er den immensen positiven Einfluss erkannte, den dieses Feld auf das Leben der Menschen haben könnte. „Diese Technologien bleiben normalerweise in Artikeln, die von Experten gelesen werden. Und selbst bei etwas wie der Genbearbeitung kann es bis zu fünf Jahre dauern, bis die Öffentlichkeit davon erfährt – bis zu zehn Jahre, bis Studenten davon erfahren“, sagte Qi.

„Als Forscher können wir den Kopf in den Sand stecken, aber die Öffentlichkeitsarbeit ist enorm wichtig. Es ist ein Ausbildungsprozess für zukünftige Wissenschaftler, Politiker und Führungskräfte.“

Qi betonte auch, wie wichtig es war, dass auch Studenten wie Lau und Collins beteiligt waren. „Bei einem Projekt wie diesem denken Doktoranden vielleicht, dass es schwierig sein würde, eine erstklassige Arbeit zu veröffentlichen, und zögern deshalb vielleicht, ihre Zeit zu investieren. Aber die Studenten waren wie Einzelgänger – sie trauten sich, etwas Neues auszuprobieren und waren bereit, ihre Anstrengungen aus Leidenschaft zu investieren. Unser Ziel ist es, das CRISPRkit Studenten im ganzen Land zugänglich zu machen.“

Lau beginnt sein letztes Studienjahr in Stanford. Er und Qi haben auf Konferenzen und Workshops Vorträge gehalten und gezeigt, dass Projekte wie diese, insbesondere im Bereich Biologie, sehr gefragt sind.

Lau ist sich besonders der Bedeutung für Schüler bewusst, obwohl seine Zeit als Gymnasiast schon ein paar Jahre zurückliegt. „Als Gymnasiast besteht eine große Lücke zwischen dem, was man in einem Lehrbuch lernt, und der theoretischen Arbeit, die in ein Experiment einfließt. Aber sobald man in einem Labor ist und selbst etwas tun kann, ist es völlig anders“, sagte er.

„Dieses Kit, das wir haben, veranschaulicht perfekt die Möglichkeiten von CRISPR für den Unterricht. Und das ist nur der erste Schritt“, sagte Lau. Er beabsichtigt, weiter an der Demokratisierung der Biologie zu arbeiten und hofft, dass auch andere Wissenschaftler ihre Forschung zugänglich machen werden.

„Dieses Kit ist eine großartige Gelegenheit, den Schülern etwas über Biologie auf eine Weise beizubringen, mit der sie arbeiten und die sie verstehen können – und ich hoffe, dass es als Modell für das dient, was in der Zukunft passieren könnte.“