يعد تدريب الطلاب الجامعيين على مفاهيم البيولوجيا الجزيئية الأساسية والتقنيات المختبرية أمرا بالغ الأهمية لتطورهم العلمي والمهني لأن هذه المنهجيات شائعة في مختلف البيئات البحثية ، بما في ذلك الأوساط الأكاديمية والصناعة. على هذا النحو ، يطلب من الطلاب في علم الأحياء (تركيز البيولوجيا الجزيئية والخلوية) وتخصصات الكيمياء الحيوية في جامعة ولاية كاليفورنيا للفنون التطبيقية ، سان لويس أوبيسبو (كال بولي) أخذ دورة مختبرية في البيولوجيا الجزيئية من القسم العلوي لتعلم هذه الموضوعات وتطبيقها (CHEM / BIO 475). تم تطوير منهج أساسي لهذه الدورة مسبقا حيث يقوم الطلاب بإجراء استنساخ قائم على التوبويزوميراز (TOPO) لتجميع بلازميد يحتوي على الأكتين يتم تحضيره من قالب الحمض النووي التكميلي للخميرة (cDNA)1. يصمم الطلاب تجارب بناء على أسئلة تحاكي فرضيات البحث الحقيقية ، مما يزيد من معرفتهم بالممارسات المختبرية والتعلم القائم على الاستفسار. يتطلب التقدم المستمر في مجال البيولوجيا الجزيئية أن تتكيف المناهج المناهج المقابلة لإعداد الطلاب ذوي الكفاءات الحديثة للقوى العاملة. على وجه الخصوص ، أصبح استخدام جمعية جيبسون أكثر انتشارا في المجتمع العلمي. في حين تم إنشاء الطريقة في الأصل لتصنيع الكروموسومات الاصطناعية2 ، فقد أشار أكثر من 5,000 منشور في وقت هذا التقرير إلى عمل Gibson et al. الأصلي. يعد Gibson Assembly فريدا من نوعه مقارنة بمنهجيات الاستنساخ التقليدية: فهو قابل للتخصيص بدرجة كبيرة ويمكنه بسهولة ربط أجزاء DNA خطية متعددة دون الحاجة إلى مواقع تقييد لإنتاج التقاطعات. وهكذا ، رأينا الفرصة لتجديد منهج CHEM / BIO 475 لدمج تقنيات الاستنساخ الجزيئي الحديثة وتحسين نموذج الدورة التدريبية القائم على الاستفسار.
لقد ثبت أن خبرات أبحاث الطلاب تساهم في زيادة الفهم المفاهيمي وتنمية المهارات والمثابرة في العلوم3 ، ومع ذلك لا تتاح الفرصة لجميع الطلاب الجامعيين للمشاركة مباشرة في مختبر البحث. لمواجهة التحدي المتمثل في قدرة الطلاب المحدودة في مختبرات البحوث ، تم تطوير الخبرات البحثية الجامعية القائمة على الدورات (CUREs) وتوظيفها لزيادة إمكانية الوصول إلى العلوم من خلال البحث الأصيل في الفصل الدراسي. وفي حين أن هذه البحوث البحثية تختلف في تنفيذها، فقد تم وضع ممارسات مشتركة تعالج المبادئ الخمسة للبحث العلمي. في CURE المصمم جيدا ، سيقوم الطلاب 1) باستخدام الممارسات العلمية ، 2) التعاون في مشروع بحثي ، 3) محاولة إجراء اكتشافات جديدة ، 4) المساهمة في العمل ذي الصلة خارج الفصل الدراسي ، و 5) إعادة تقييم ومراجعة الفرضيات والأساليب في حالة الفشل التجريبي4. على غرار الخبرات البحثية التقليدية للطلاب في المختبر ، ثبت أن CUREs تعزز ثقة الطلاب في العلوم والمهارات العلمية وملكية المشروع والمثابرة في العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM)5. في حين تم الإبلاغ عن CUREs التي تنطوي على الاستنساخ الجزيئي سابقا6،7،8،9،10،11،12،13 ، فإننا لسنا على علم بأي شيء يؤكد على قدرة Gibson Assembly على التكيف لإنشاء مكتبة من البلازميدات البحثية الأصلية.
هنا ، نبلغ عن توسيع منهج CHEM / BIO 475 الحالي القائم على الاستفسار في جامعة ولاية كاليفورنيا للفنون التطبيقية ، سان لويس أوبيسبو مع تحسينين رئيسيين: الخبرة العملية باستخدام Gibson Assembly ومشاركة الطلاب في CURE ، والتي قدمت تركيبات البلازميد الأصلية للمشاريع البحثية الممولة من المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF-1708919 و NSF-2300890). على مدار ثلاثة تطبيقات لهذا المنهج ، ساهم الطلاب في مشروعين بحثيين متميزين يركزان على التخليق الحيوي للمنتجات الطبيعية للجزيئات النشطة بيولوجيا التي تنتجها Actinomycetota. غالبا ما تحتوي المنتجات الطبيعية على دوائر ذات أنشطة مضادة للمضادات الحيوية و / أو الفطريات و / أو مضادة للسرطان ، مما يعطي هذه الجزيئات الصغيرة أهمية في جهود اكتشاف الأدوية وإمكانية الأهمية السريرية14. يتطلب هذا البحث إنشاء مكتبات بلازميد لتمكين التحقيق في كل من الوظيفة والإمكانات الهندسية لإنزيمات التخليق الحيوي البكتيرية. في هذا CURE ، صمم الطلاب وأجروا تجارب Gibson Assembly لاستنساخ مكتبات البلازميد الفريدة ذات الصلة بهذه المشاريع البحثية (الشكل 1). بالإضافة إلى ذلك ، فإن تنسيق وتصميم الوحدة مميز لأنه سهل التكيف لتوليد أي بلازميدات ذات أهمية لمشاريع بحثية أخرى.

الشكل 1: نظرة عامة على دور جمعية جيبسون في مختبر الأبحاث لدينا. تنتج Actinomycetota منتجات طبيعية جزيئية صغيرة ذات أنشطة حيوية ذات صلة سريريا باستخدام مجموعات الجينات التي تشفر إنزيمات التخليق الحيوي. في بحثنا ، يتم تجميع البلازميدات التي تحتوي على جين التخليق الحيوي عبر Gibson Assembly لإجراء تحقيقات نهائية لوظيفة الإنزيم المشفر. أيقونات العلوم من Biorender.com. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
نظرة عامة على المختبر
مختبر البيولوجيا الجزيئية هو مقرر دراسي من الدرجة الأولى مطلوبة لتخصصات الكيمياء الحيوية وتخصصات علم الأحياء بتركيز البيولوجيا الجزيئية والخلوية. نرحب بالطلاب الآخرين الذين يستوفون المتطلبات الأساسية لأخذ الدورة كمادة اختيارية للقسم العلوي. الدورة مدرجة بشكل مشترك بين قسم الكيمياء والكيمياء الحيوية وقسم الأحياء في كال بولي. يتناوب أعضاء هيئة التدريس من كلا القسمين على تدريس الدورة في كل فصل دراسي (ربعان علم الأحياء ، ربع الكيمياء والكيمياء الحيوية).
يجتمع الفصل في المختبر مرتين كل أسبوع لمدة 170 دقيقة ومرة واحدة في الأسبوع لمحاضرة مدتها 50 دقيقة. تحتوي أقسام المختبر على 16 طالبا كحد أقصى ويتم تقديم 2-3 أقسام معملية كل ثلاثة أشهر. تستمر الدورة لمدة 10 أسابيع ، ويتم إجراء الاختبار النهائي خلال الاجتماع الأخير في الأسبوع 10. يقضي وقت المحاضرة في مناقشة النظرية الكامنة وراء العديد من التقنيات التجريبية التي يتم إجراؤها في المختبر ، بالإضافة إلى الموضوعات الحالية في البيولوجيا الجزيئية التي لا يتم تغطيتها في المختبر. يشمل المنهج الأساسي للمختبر عملية استنساخ جين الأكتين من الخميرة1 ، والتي تستغرق حوالي 7 أسابيع (13-14 اجتماعا معمليا). تشمل التقنيات الماصة الدقيقة ، وعزل الحمض النووي الريبي للخميرة ، وتضخيم جين الخميرة باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل للنسخ العكسي (RT-PCR) ، واستنساخ TOPO ، والفحص الأزرق والأبيض ، وعزل البلازميد والتحقق من الإدخال عن طريق ملخص التقييد و PCR ، في تحليل السيليكو للنسخ المستنسخة ، وتحليل تسلسل الحمض النووي. يخضع المنهج الدراسي لآخر 3 أسابيع من الدورة لتقدير المعلم ولكنه يتضمن الطلاب الذين يكملون "مشروعا مستقلا" بنتائج غير محددة.
نظرة عامة على التجربة
أحد محاور مجموعتنا البحثية هو مسارات التخليق الحيوي في Actinomycetota. عند تصميم المشروع المستقل ، تصورنا أن يقوم الطلاب بإنشاء البلازميدات من خلال Gibson Assembly لاستخدامها في مشاريعنا البحثية التي تبحث في التخليق الحيوي للمنتجات الطبيعية. في حين أن تكرارات وحدة الدورة التدريبية التي تم تقييمها هنا كانت خاصة بالبلازميدات التي تسمح بالتلاعب بمسارات التخليق الحيوي ، فإن سير عمل Gibson Assembly قابل للتكيف بشكل كبير مع مشاريع الاستنساخ الجزيئي الأخرى (الشكل 2). تم تقسيم سير العمل إلى ثلاث تجارب مختلفة (A و B و C) تم إكمالها على مدار فترتين من المحاضرات وست فترات معملية (إجمالي 3 أسابيع) (انظر الملف التكميلي 1 والملف التكميلي 2). سبقت التجارب أوراق عمل لدعم إعداد الطلاب وتقييم فهم الطلاب (الملف التكميلي 3 ، الملف التكميلي 4 ، والملف التكميلي 5). يتم تقديم سير العمل بتنسيق مرن لاحتياجات المدرس واهتماماته.

الشكل 2: سير عمل وحدة تجميع جيبسون. اليوم 1 واليوم 4 عبارة عن فترات محاضرات يكمل فيها الطلاب تحليل تسلسل السيليكو والتصميم التجريبي. الأيام 2-3 و 5-8 هي اجتماعات معملية حيث يتم إجراء خطوات استنساخ البلازميدات الجديدة عبر Gibson Assembly ، تليها العزل والفحص. يتم تجميع المخطط الانسيابي التصويري حسب التجارب الثلاث التي يقوم بها الطلاب (A و B و C). يمكن العثور على توجيهات وبروتوكولات أكثر تفصيلا في أدلة المعلم والطالب المقدمة كملف تكميلي 1 وملف تكميلي 2، على التوالي. أيقونات العلوم من Biorender.com. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تم تجريب وحدة المشروع المستقل لجمعية جيبسون لأول مرة في ربع ربيع عام 2019 في CHEM / BIO 475. في عامي 2020 و 2021 ، تم تدريس الدورة عبر الإنترنت بسبب جائحة SARS-CoV-2. عندما استؤنف التدريس الشخصي في ربيع عامي 2022 و 2023 ، تمت دعوة الطلاب داخل الدورة للمشاركة في دراسة لتقييم نتائج التعلم لمشروع Gibson Assembly المستقل حيث سيتم استنساخ البلازميدات الأصلية ذات الصلة بالبحث. في عام 2019 ، أنشأ الطلاب مكتبة من البلازميدات تتكون من أشرطة جينية من جينوم Micromonospora echinospora ATCC 15837 التي تم استنساخها في pKC1132 (الشكل 3). يتم استخدام مكتبة البلازميد هذه في مختبر الأبحاث الخاص بنا لتعطيل الجينات ذات الأهمية في مجموعة جينات التخليق الحيوي المفترضة للمنتج الطبيعي TLN-0522015. لاستكمال دراسات تعطيل الجينات لدينا ، قام الطلاب في عام 2022 باستنساخ مكتبة صغيرة من الجينات من مجموعة الجينات المفترضة TLN-05220 إلى pUC19 (Figure 3). استخدمت مجموعتنا البحثية هذه البلازميدات لاستنساخ الجينات الفرعية في نواقل التعبير ، بما في ذلك pET28b ، للإفراط في التعبير عن البروتين وتنقيته. ساهم الطلاب في مجموعة 2023 في العمل الجاري في مشروع هندسة التخليق الحيوي على epoxomicin synthetase16. في فرق مكونة من 3-4 ، استنساخ الطلاب مجالات هندسية من تخليق الببتيد غير الريبوزومي17 وحدة في نواقل تعبير البروتين المختلفة لتحسين الإفراط في التعبير عن هذه الإنزيمات وتنقيتها في مختبر الأبحاث الخاص بنا (الشكل 3). تم تضمين التكرار في خطة الاستنساخ لكل مجموعة. على سبيل المثال ، احتوت مجموعة 2019 على 44 طالبا ، وتم تخصيص 15 بلازميد للفصل ، للاستنساخ. وهكذا تمت محاولة استنساخ كل بلازميد مرتين أو ثلاث مرات.

الشكل 3: ملخص البلازميدات المستنسخة والطلاب المشاركين خلال تكرارات المشاريع المستقلة 2019 و 2022 و 2023. تم نشر مشروع Gibson Assembly ثلاث مرات. في كل عرض ، استنسخ الطلاب المشاركون مكتبة مختلفة من البلازميدات لاستخدامها في المشاريع البحثية التي تستكشف مسارات التخليق الحيوي. دعمت المشاريع في عامي 2019 و 2022 عملنا المستمر على المنتج الطبيعي TLN-0522015 مع جزأين (كاسيت جيني واحد أو جين وناقل تفاعلات Gibson Assembly. تضمن مشروع 2023 مبادلة المجال داخل الوحدتين 1 و 2 من إنزيم مركب الببتيد غير الريبوزومي (NRPS) الذي يشارك في التخليق الحيوي للإيبوكسوميسين16. تمثل الشظايا المفرغة اثنين من الطفرات المختلفة للمجال الذي تم تبديله، وتمثل الألوان الصلبة المجالات التي لم يتم تبديلها. في المجموع ، تم إنشاء ثمانية أجزاء جينية مختلفة (أربعة للوحدة 1 وأربعة للوحدة 2) مع أجزاء متدلية متوافقة مع Gibson Assembly. لكل وحدة ، تم تجميع مجموعتين مختلفتين من ثلاثة أجزاء جينية مع واحد من اثنين من المتجهين المختلفين (pBAD33 و pET28 ، أربعة أجزاء إجمالية لكل تجميع) ، من أجل إمكانية توليد ثمانية بلازميدات NRPS هندسية. أيقونات العلوم من Biorender.com. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
نظرة عامة على التقييم
قبل أسبوع واحد على الأقل من بدء مشروع Gibson Assembly المستقل ، تمت دعوة الطلاب في مجموعات 2022 و 2023 للمشاركة في تحقيق نتائج التعلم ، المصمم بشكل مشابه لدراسة أجريت في دراسة استقصائية لدورة مختبر الكيمياء الحيوية في Cal Poly18. أكمل الطلاب المشاركون استبيانا مسبقا متعدد الخيارات في اجتماع المختبر قبل بدء المشروع المستقل واستبيان لاحق متعدد الخيارات خلال اجتماع المختبر النهائي (أي بعد الانتهاء من وحدة تجميع جيبسون). تألفت الاستبيانات السابقة واللاحقة من 28 سؤالا متطابقا مع سؤالين إضافيين في مرحلة ما بعد الاستبيان (إجمالي 30 سؤالا). تمت كتابة عشرة أسئلة حول المحتوى لتقييم معرفة الطلاب بالإنزيمات والآليات المشاركة في الاستنساخ الجزيئي (على سبيل المثال ، تفاعل البوليميراز المتسلسل [PCR] ، وتجميع جيبسون ، والتحول ، والفحص الأزرق والأبيض). طلبت الأسئلة السبعة التالية من الطلاب التقييم الذاتي لمعرفتهم بمصطلحات الاستنساخ الجزيئي (على سبيل المثال ، بوليميراز الحمض النووي ، نوكلياز خارجي ، ليغاز). سمحت الأسئلة العشرة التالية للطلاب بالتقييم الذاتي لقدرتهم على أداء تقنيات الاستنساخ الجزيئي (على سبيل المثال ، تحليل تسلسل الحمض النووي ، وتفاعلات هضم التقييد ، والرحلان الكهربائي لهلام الاغاروز). أبلغ الطلاب أيضا عما إذا كانوا سيكونون مرتاحين لممارسة مهنة في البيولوجيا الجزيئية بناء على معرفتهم بتقنيات الاستنساخ الجزيئي. تم تضمين سؤالين إضافيين في الاستبيان اللاحق للطلاب لتقييم التزامهم بالتعلم في الدورة التدريبية وما إذا كانت الدورة تجربة تعليمية قيمة (الملف التكميلي 6 والملف التكميلي 7). تم دمج جميع البيانات من إجابات الطلاب قبل وبعد الاستبيان لعامي 2022 و 2023 للتحليل وهي متوفرة في الجدول التكميلي S1.