Καθαρίστε την πρωτεΐνη σας… εικονικά

Αν και θερμός υποστηρικτής της χρήσης των νέων τεχνολογιών (ας τις λέμε ΤΠΕ-Τεχνολογίες της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας) δεν είμαι πάντα βέβαιος (ούτε και υπάρχουν αδιάσειστα στοιχεία ερευνών) πως η διδακτική τους μεταχείριση επιφέρει καλύτερα μαθησιακά αποτελέσματα. Οι λόγοι είναι πολλοί, εκτιμώ πως δύο από τους πιο σημαντικούς είναι:

• δεν γίνεται στοχευμένη χρήση από τους εκπαιδευτικούς, δεν γνωρίζουμε πώς ακριβώς να τις χρησιμοποιήσουμε και πώς να τις εντάξουμε στη διδακτική πρακτική, και
• κάνουμε τη χρήση τους αυτοσκοπό και δεν τις αντιλαμβανόμαστε ως ένα απλό μέσο για να πετύχουμε στο σκοπό μας.

Όμως, υπάρχουν στιγμές που η χρήση των ΤΠΕ εξασφαλίζει εκπαιδευτικές συνθήκες για ενεργή συμμετοχή μαθητών (ίσως και καλύτερα μαθησιακά αποτελέσματα). Όπως π.χ. όταν πρέπει να πραγματοποιηθούν πειράματα που είναι αδύνατον να γίνουν στην υπάρχουσα υλικοτεχνική υποδομή και χρονοπρογραμματισμό των σχολείων. Τότε η χρήση (και όχι κατάχρηση) των ΤΠΕ έχει την ευκαιρία να αναδείξει τα πλεονεκτήματά της.

Μία τέτοια περίπτωση είναι το δωρεάν λογισμικό ‘Protein Purification‘ που αναπτύχθηκε στον Ιούνιο του 2016, από τον Dr. Andrew G. Booth στο πανεπιστήμιο του Leeds. Το λογισμικό διαθέτει τέσσερα μίγματα πρωτεϊνών για να τα μελετήσουμε: Easy3 (3 πρωτεΐνες), Example (6 πρωτεΐνες), Default (20 πρωτεΐνες), και Complex (60 πρωτεΐνες). Οι χρήστες μπορούν να επιλέξουν οποιοδήποτε από αυτά τα πρωτεϊνικά μίγματα και να το καθαρίσουν. Υπάρχει ποικιλία μεθόδων καθαρισμού, όπως κατακρήμνιση με θειικό αμμώνιο (ammonium sulfate fractionation), θερμική διάσπαση (heat treatment), διήθηση γέλης (gel filtration), χρωματογραφία ιοντοανταλλαγής (ion exchange chromatography), χρωματογραφία υδροφοβικών αλληλεπιδράσεων (hydrophobic interaction chromatography) και χρωματογραφία συγγένειας (affinity chromatography). Για κάθε μία από αυτές τις τεχνικές ο/η χρήστης μπορεί να επιλέξει και να ορίσει διάφορες παραμέτρους. Για παράδειγμα στην περίπτωση της ιοντοανταλλακτικής χρωματογραφίας μπορεί να επιλεχθεί ανιονικό (QSepharose & DEAE-cellulose) ή κατιονικό (S-Sepharose and CM-cellulose) υλικό ή μέθοδος έκλουσης με ‘διαβάθμιση άλατος’ (salt gradient) ή με διαβάθμιση pH (pH gradient). Επιπλέον μπορεί να επιλεχθεί ο διαχωρισμός των προϊόντων που λαμβάνονται από τη χρωματογραφία, σε εικονική ηλεκτροφόρηση 1D και 2D (με χρώση coomassie blue ή ανοσοσήμανση). Το λογισμικό διαθέτει και οδηγό βοήθειας που περιλαμβάνει έξι βοηθητικές ασκήσεις. Είναι προφανές πως μία τέτοια σειρά τεχνικών δεν θα μπορούσαν εύκολα (κάποιες ίσως και καθόλου) να πραγματοποιηθούν σε ένα σχολικό εργαστήριο της ελληνικής επικράτειας.

Οι Daniel D. Clark & Daniel J. Edwards στην εργασία τους με τίτλο “Virtual Protein Purification: A Simple Exercise to Introduce pH as a Parameter that Effects Ion Exchange Chromatography” χρησιμοποιούν το λογισμικό για μία άσκηση Βιοχημείας με προπτυχιακούς φοιτητές. Η χρήση του λογισμικού εντάσσεται στο εργαστηριακό μάθημα της Βιοχημείας, οπότε οι συμμετέχοντες πρέπει να ακολουθήσουν μία σειρά από οδηγίες για να καθαρίσουν το δείγμα ‘Easy3’. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε ήταν αυτή της ιοντοανταλλακτικής χρωματογραφίας όπου οι φοιτητές (με τη χρήση υλικού δραστηριοτήτων και πληροφορίων που διατίθεται και αυτό δωρεάν στην online έκδοση της δημοσιευμένης εργασίας) έπρεπε να υλοποιήσουν έξι διαφορετικούς εικονικούς ιοντοανταλλακτικούς διαχωρισμούς.

Στιγμιότυπα της χρωματογραφίας FPLC κατά τη χρήση του λογισμικού. Σε κάθε μία από τις προσομοιώσεις (παραδείγματα από τις τέσσερις προσομοιώσεις) έχει χρησιμοποιηθεί το πρωτεϊνικό μίγμα “Easy3”. Ο αστερίσκος δείχνει τη θέση της ‘Πρωτεΐνη 1’ που έπρεπε να καθαριστεί, σύμφωνα με το σενάριο της εργασίας. Σε καθένα από τα σχήματα (A, B, C, D) έχουν εφαρμοστεί διαφορετικές συνθήκες ως προς το άλας που απαιτήθηκε για την έκλουση, το μέσο ιοντοανταλλαγής, το pH ισορροπίας και τη διαβάθμιση άλατος: (A) Q-Sepharose, pH 6.0, 0–0.5 M άλατος, (B) Q-Sepharose, pH 7.0, 0–0.5 M άλατος, (C) Q-Sepharose, pH 8.0, 0–0.5 M άλατος και (D) Q-Sepharose, pH 10.0, 0–0.5 M άλατος.

Οι συμμετέχοντες φάνηκε να δείχνουν ενδιαφέρον για την εργασία με το λογισμικό και για το μάθημα του διαχωρισμού των πρωτεϊνών. Εξοικειώθηκαν με την ιοντοανταλλακτική χρωματογραφία, ενώ φαίνεται πως νοιώθουν επαρκείς να υλοποιήσουν το πείραμα και σε συνθήκες πραγματικού εργαστηρίου. Οι περισσότεροι κατόρθωσαν να κατανοήσουν πώς η ισορροπία του pH μπορεί να επηρεάσει τη σύνδεση και την έκλουση, ενώ απέκτησαν και τη δεξιότητα να κάνουν προβλέψεις για πιθανή συμπεριφορά πρωτεΐνης ανάλογα με την τιμή pH.

Στις σχολικές τάξεις Βιολογίας του Γυμνασίου και του Λυκείου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το λογισμικό. Είτε η πιο απλή μέθοδος (π.χ. θερμική διάσπαση) για τις τάξεις του Γυμνασίου ή πιο απαιτητικές μέθοδοι για τις τάξεις του Λυκείου. Επιπλέον θα μπορούσε να δοθεί έμφαση και στο πώς το pH και η συγκέντρωση άλατος μπορεί να μεταβάλλει τη συμπεριφορά των πρωτεϊνών, γνώση που είναι συμβατή με τη Βιολογία καθώς οι μαθητές πρέπει να κατανοούν τη βιοχημική λειτουργία στο εσωτερικό ενός κυττάρου και πώς αυτή μπορεί να μεταβληθεί ανάλογα με το χημικό υπόβαθρο.

Επισκεφτείτε την ιστοσελίδα του λογισμικού όπου μπορείτε να το ανακτήσετε σε διάφορες μορφές και εκδόσεις (για κινητά, ταμπλέτες, υπολογιστές-στην ιστοσελίδα γράφει πως είναι για windows XP/Vista/7/8 αλλά στο δικό μου υπολογιστή τρέχει κανονικά και σε windows 10).