El modelo práctico ayuda a los estudiantes a comprender la ingeniería genética

El modelo práctico ayuda a los estudiantes a comprender la ingeniería genética

El EzMC (que se muestra aquí) es una representación electrónica de la vía de biosíntesis de lignina. Esta imagen muestra un voltímetro conectado que muestra la cantidad de metabolito simulado en una parte de la vía. Crédito: Universidad Estatal de Carolina del Norte

Un equipo de profesores e investigadores de pregrado ha creado un modelo físico interactivo para enseñar a los estudiantes sobre la genética y los procesos biológicos a nivel celular.

“Al crear un análogo entre un sistema biológico y un sistema diseñado físicamente, creemos que podemos ayudar a los estudiantes a comprender los conceptos detrás de la genética, el metabolismo celular y la ingeniería genética”, dice Cranos Williams, experto en modelado de sistemas biológicos y profesor asociado de sistemas eléctricos y ingeniería informática (ECE) en NC State.

Los investigadores están buscando socios en sectores privados o sin fines de lucro para hacer que la herramienta esté más disponible para su uso en las aulas de pregrado y K-12.

La gran idea

“Hace años, Cranos y yo trabajamos en un proyecto para crear un modelo matemático de los procesos biológicos que usan las plantas para crear lignina, que es una sustancia en la materia vegetal que plantea problemas para los biocombustibles y la fabricación de papel”, dice Joel Ducoste, experto en modelado y profesor de ingeniería civil, de construcción y ambiental en NC State.

“Reconocimos que es difícil para las personas entender lo que está sucediendo en un modelo matemático, por lo que queríamos ver si sería posible crear un modelo físico en el que los circuitos electrónicos imiten lo que está sucediendo en el metabolismo celular. Esa fue la génesis del proyecto.”

El modelo práctico ayuda a los estudiantes a comprender la ingeniería genética
Imagen de estudiante de pregrado demostrando el uso del EzMC. Crédito: Universidad Estatal de Carolina del Norte

Con ese fin, en 2014 Ducoste y Williams solicitaron la ayuda de Reuben Valeriano, un estudiante de pregrado de ECE en NC State. Un año después, trajeron a otro estudiante de ECE, Cody Ellington. Para el otoño de 2016, el equipo había desarrollado un prototipo completamente funcional del modelo físico, llamado Circuito de metabolitos enzimáticos (EzMC).

Cómo funciona

“En una célula, el metabolismo es una serie de reacciones químicas que convierten una forma de masa en otra forma de masa, a través de diferentes vías bioquímicas”, dice Williams. “Estas reacciones pueden ser secuenciales; pueden ocurrir en paralelo, con múltiples reacciones que ocurren simultáneamente; pueden desencadenar reacciones adicionales; o pueden ocurrir casi de manera independiente. Estas reacciones son cómo las plantas convierten el agua, la luz y lo que esté disponible en el suelo en cosas que las plantas necesitan, como la lignina que se encuentra en la madera “.

En el EzMC, la electricidad sustituye a la masa. Por ejemplo, en el EzMC, la corriente representa el flujo de masa en el metabolismo de una célula: cuanto mayor es la velocidad a la que la masa se convierte del Material A en el Material B en una célula, mayor es la corriente entre dos puntos análogos en el modelo.

De la misma manera, la cantidad de masa que se conserva en una forma en la célula se representa como voltaje (es decir, cuanto mayor es la cantidad de masa que se almacena en un punto de la vía metabólica, mayor es la cantidad de voltaje que se almacena en ese punto en el EzMC).

El modelo práctico ayuda a los estudiantes a comprender la ingeniería genética
Este diagrama muestra lo que está grabado en la superficie de vidrio del EzMC. Crédito: Universidad Estatal de Carolina del Norte

“En nuestro prototipo, puede rastrear lo que está sucediendo en el modelo tocando un multímetro en varios puntos de la sonda en el modelo”, dice Valeriano. “El multímetro mide el voltaje, por lo que le dice efectivamente cuánta ‘masa’ se encuentra en cualquier punto del modelo físico de la vía metabólica.

“Con fondos adicionales, podríamos reemplazar esos puntos de sonda con paneles LED que mostrarían cómo cambia el voltaje en cada unión cada vez que se modifica el sistema o podríamos reemplazar los puntos de sonda con una lectura de computadora de los cambios en el modelo metabólico”, dice Valeriano.

Utilidad educativa

El prototipo permite a los usuarios realizar cambios en cualquier punto de la vía metabólica similar a realizar cambios celulares a través de la ingeniería genética. Los usuarios pueden observar cómo esos cambios afectan el comportamiento celular.

“Queremos transmitir la idea de lo que sucede cuando se realizan modificaciones genéticas en un organismo”, dice Williams. “Los sistemas celulares son increíblemente complejos: hacer un pequeño cambio puede alterar el comportamiento en una amplia gama de sistemas o es posible que deba realizar varios cambios para alterar el comportamiento en absoluto. Estas son ideas fundamentales que queremos que los estudiantes comprendan. Y pensamos el EzMC podría ayudar a avanzar en ese entendimiento “.


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