Bo biologia jest 3D!

Równie trudne jest wprowadzenie uczniów w nowe dla nich zagadnienia. Szczególnie te z zakresu biologii komórkowej czy molekularnej są dla nich często nieintuicyjne, trudne do prawidłowego zrozumienia. Wiedza ta, pozornie nieprzydatna, może okazać się kluczowa w naszym codziennym życiu. Posiadanie jej pozwala zrozumieć sposób działania wielu leków a także podłoża chorób atakujących człowieka. Zrozumienie takie z kolei jest kluczowe dla podejmowania świadomych decyzji np. w obszarze szeroko rozumianej opieki medycznej.

Przykładem takiego zagadnienia może być rola enzymu, kinazy BCR-ABL, będącego kluczem do zrozumienia powstawania i leczenia chorób nowotworowych. Na omawiany przypadek trafiliśmy na stronie Thingiverse.com, która jest największą na świecie, otwartą bazą modeli 3D. Dostępne są tam między innymi modele 3D enzymów i cząsteczek, struktur czy narządów. Wśród nich znajdziemy modele kinazy BCR-ABL i cząsteczek leków. Zostały one opublikowane na stronie HHMI (Howard Hughes Medical Institute), gdzie znajdziemy wiele innych ciekawych materiałów dydaktycznych i pomysłów na lekcje. W zakresie tego tematu pojawiają się informacje dotyczące takich pojęć i zjawisk jak: chromosomy i ich mutacje, mutacje punktowe, transkrypcja i translacja, budowa i działanie enzymów, cykl komórkowy, choroby nowotworowe, odkrywanie i testowanie leków. W ramach jednego zagadnienia możemy poruszyć, odświeżyć lub przedstawić w nowym kontekście informacje z tak wielu rożnych obszarów.

Poza informacjami podstawowymi i treściami dotyczącymi kinazy, kluczowym elementem są załączone na stronie pliki do przygotowania wydruków 3D które posłużą jako pomoce do wizualizacji omawianych zagadnień i aktywności uczniów. Jest to jeden z ciekawszych trendów we współczesnej dydaktyce. Za niewielką cenę możemy przygotować właściwie dowolną liczbę sztuk wybranych obiektów biologicznych, dostępnych na prawach wolnej licencji creative commons. Szczególnie te, dotyczące struktur z mikroświata, wydają się niezwykle wartościowe i użyteczne w dydaktyce biologii. Do tej pory byliśmy zdani albo na ilustracje w podręcznikach albo wyświetlanie wirtualnych modeli 3D dostępne na stronach internetowych. A przecież biologia to właśnie materialne trójwymiarowe struktury. Stąd biorą się trudności w zrozumieniu wielu zagadnień, gdyż uczniowie często wyobrażają sobie zjawiska lub obiekty jako dwuwymiarowe abstrakcje.
Istnienie cyfrowych odwzorowań i animacji wniosło dużo do dydaktyki jednak możliwość wzięcia do ręki powiększonego modelu np. enzymu, obejrzenie jego kształtu, powierzchni i układu centrum aktywnego i wejście z nimi w interakcje daje niezwykłe doświadczenia uczniom i studentom. Oczywiście, możliwości nie ograniczają się tylko do jednego enzymu. W bazach znajdziemy modele cząsteczek chemicznych, komórek, tkanek, narządów, organizmów (współczesnych oraz wymarłych) czy elementów wyposażenia laboratorium. W wielu wypadkach składają się one z łączonych elementów co pozwala na zapoznanie się ze złożonością struktury lub zajrzenie do jej wnętrza. Niezwykłe jest też to, że często nie są to wyidealizowane reprezentacje zawierające jedynie kluczowe cechy, zazwyczaj znajdziemy realistycznie odwzorowane, zawierające mnóstwo detali - modele pochodzące np. z tomografu komputerowego lub rekonstrukcji fotogrametrycznych. Wydruki ze względu na właściwości mechaniczne wykorzystywanych polimerów są wyjątkowo wytrzymałe i posłużą przez długi czas.

Białaczka jest nowotworem białych krwinek, która jest związana z mutacjami genów ABL (Abelson [Abl] tyrosine kinase gene) i BCR (break point cluster [Bcr] gene). ABL znajduje się na chromosomie 9 a gen BCR na chromosomie 22. Translokacja pomiędzy tymi dwoma chromosomami łączy gen ABL z BCR. Ostatecznie powstaje kinaza fuzyjna (fusion protein kinase) ABL-BCR (Ryc. 1). Jej patologicznie wysoka aktywność prowadzi do niekontrolowanych podziałów komórkowych i przyrostu liczby leukocytów.

^{Ryc. 1. Modele 3D cząsteczek kinazy BCR-ABL A) wersja pierwotna B) wersja zmutowana}

Kinaza ABL-BCR ma dwa stany: aktywny i nieaktywny. Zależnie od stanu zmienia się kształt centrum aktywnego. W stanie aktywnym kinaza może połączyć się z ATP i przenieść grupę fosforanową na inne białka substratowe aktywując je. Niekontrolowana aktywacja białek jest sygnałem do wzrostu i podziału, ostatecznie prowadzącego do niekontrolowanego namnażania komórek.

Aby przeciwdziałać niekontrolowanej aktywności kinazy, opracowano leki mające na celu jej blokowanie (inhibicje). Jednym z pierwszych odkrytych leków jest Gleevec (Imatinib). Lek ten udaje ATP i łączy się z centrum aktywnym enzymu (w stanie nieaktywnym) blokując je. Pozwala to na bardzo skuteczne przeciwdziałanie niekontrolowanym fosforylacjom białek i podziałom komórkowym. Był to jeden z milowych kroków farmakologicznej walki z tym typem białaczki.

Jednak po pewnym czasie okazało się, że lek przestaje działać. Badania wykazały, że w wyniku silnej presji selekcyjnej jaką wywierał lek na komórki nowotworowe, pojawiały się populacje komórek ze zmodyfikowanym (zmutowanym) wariantem kinazy ("zmutowanym mutantem"). Zmiana ta wiązała się głównie z modyfikacją kształtu centrum aktywnego, przez co Gleevec nie mógł skutecznie łączyć się z enzymem. W celu ratowania pacjentów ze zmodyfikowaną kinazą, opracowano lek drugiej generacji - Dasatinib, który może skutecznie oddziaływać hamująco na obie formy kinazy. Jednak tak jak u bakterii powstają szczepy antybiotykooporne, tak i w tym wypadku ciągle pojawiają się linie komórek oporne na działanie stosowanych leków.

Dzięki przygotowanym wydrukom 3D uczniowie mogą przyjrzeć się odmiennym kształtom obu wersji enzymów, które powstają w wyniku mutacji punktowych. Możliwa staje się również obserwacja kształtu samych cząsteczek: ATP oraz stosowanych leków Gleevecu i Disatinibu (Ryc. 2).

^{Ryc. 2. Centrum aktywne w rozkładanym modelu 3D cząsteczki kinazy BCR-ABL: A) wersja pierwotna B) wersja zmutowana}

Obie formy kinazy są również dostępne w wersji dwuczęściowej, po jej rozłożeniu uzyskuje się pełny dostęp do centrum aktywnego, pozwalającego uczniom samodzielne dopasowywać do niego cząsteczki obserwując skutki mutacji (Ryc. 3). Mogą także zaobserwować, że nie da się umieścić cząsteczki Gleevecu w zmutowanej wersji kinazy i domknąć modelu. Dodatkowo fakt, że cząsteczek nie da się umieścić w centrum aktywnym żadnego z pełnych modeli, a jedynie w dwuczęściowych uzmysławia również uczniom, że centrum aktywne nie jest statycznym, łatwo dostępnym wgłębieniem na powierzchni enzymu, lecz że zmienia się ono i dostosowuje swój kształt do substratu (model reki i rękawiczki).

^{Ryc. 3. Modele cząsteczek A) Gleevec B) Disatinib C) ATP}

W oparciu o analizę tego studium przypadku można zastanowić się nad następującymi pytaniami lub przygotować aktywności o nie oparte:

w jakim momencie cyklu komórkowego będzie działać kinaza i dlaczego?
jaka jest sekwencja kinazy i gdzie występują mutacje punktowe wariantu zmutowanego (lokalizacja mutacji w przygotowanych wcześniej sekwencjach)?
jak przeprowadza się procedurę poszukiwania nowego leku?
czy mogą istnieć inne mechanizmy obrony komórek nowotworowych przed tego typu lekami niż mutacja w białku docelowym?
przygotuj schemat kariogramu człowieka zlokalizuj oba geny kinazy nowotworowej i przeprowadź symulacji fuzji
czy istnieją inne leki przeciw tego typu białaczce? jeśli tak, na co działają?
jaki inne mutacje mogą występować w komórkach prowadzić do nowotworzenia komórek?
z wykorzystaniem programu CaseIt! można przygotować całe zajęcia w wykrywanie pacjenta z białaczką, identyfikacją jej typu i doborem leku

Potencjał prezentowanego tematu i samych wydruków 3D w dydaktyce biologii wydaje się nie do przecenienia. Uważamy, że stanowi to przyszłość nowoczesnej edukacji dając szanse na nowego rodzaju doświadczenia i możliwości aktywności dla uczniów i studentów. Zachęcamy do zapoznania się i korzystania z baz, modeli i samej technologii.

Linki do materiałów:

Autorzy są pracownikami Katedry Fizjologii Zwierząt i Ekotoksykologii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Na co dzień zajmują się fizjologią i etologią owadów. Ich zainteresowania obejmują szeroko rozumianą edukację oraz zastosowania technologii druku 3D.