روشی نوین و جامع برای آموزش زیست‌شناسی مصنوعی

آموزش زیست‌شناسی مصنوعی: رویکردی نوین برای یکپارچگی در یادگیری

زمینه زیست‌شناسی مصنوعی، علمی که به دستکاری در زیست‌شناسی می‌پردازد، با وجود تعداد زیادی از متخصصان در این حوزه، هم به شکوفایی آن کمک کرده و هم ایجاد یک برنامه درسی منسجم و یکپارچه برای دانشجویان در همه سطوح را دشوار کرده است. هر رشته‌ای که در این زمینه دخیل است، از مهندسی شیمی تا اخلاق، رویکرد خاص خود را در تدریس و ادبیات دارد که این موضوع باعث ایجاد ناهماهنگی‌هایی در آنچه که دانشمندان یاد می‌گیرند، می‌شود.

اکنون محققان دانشگاه نورث‌وسترن پیشنهاد جدیدی برای آموزش زیست‌شناسی مصنوعی ارائه کرده‌اند که از سطوح مختلف سازمان‌دهی استفاده می‌کند؛ از مقیاس مولکولی آغاز شده و به مقیاس اجتماعی گسترش می‌یابد تا اصول اساسی و دیدگاهی جامع از توسعه فناوری‌های پایدار زیست‌شناسی مصنوعی را آموزش دهد. این رویکرد شامل اجزای مختلفی از رشته‌های گوناگون است و به افراد با پیشینه‌های متفاوت اجازه می‌دهد تا به آموزش زیست‌شناسی مصنوعی دسترسی پیدا کنند. مقاله‌ای که جزئیات این چارچوب را توضیح می‌دهد، دیروز (۲۶ ژوئن) در نشریه Nature Communications منتشر شد.

یولیوس لاکس، کارشناس زیست‌شناسی مصنوعی و نویسنده اصلی مقاله، گفت: “نسخه‌های اولیه دوره‌های زیست‌شناسی مصنوعی فاقد یک بنیاد مفهومی بودند.” او افزود: “از منظر آموزشی، شما نوعی آشفتگی را مشاهده می‌کردید که بستگی به این داشت که در کدام دپارتمان بودید. ما خود را به چالش کشیدیم که چگونه می‌توانیم تمام این رشته‌ها را ادغام کنیم، به نوعی یک چارچوب مشترک توسعه دهیم و یک زبان مشترک ایجاد کنیم؟”

لاکس استاد مهندسی شیمی و زیستی در دانشکده مهندسی مک‌کُرمیگ دانشگاه نورث‌وسترن و هم‌مدیر مرکز زیست‌شناسی مصنوعی (CSB) است. زمانی که مهندسی ژنتیک در دهه ۱۹۷۰ ظهور کرد، ایده استفاده مجدد، بازسازی و تنظیم مجدد سیستم‌های زیستی برای حل چالش‌های اجتماعی – که هسته اصلی زیست‌شناسی مصنوعی است – ممکن شد. با ظهور CRISPR در حدود سال ۱۹۹۰، زیست‌شناسی مصنوعی محبوبیت بیشتری پیدا کرد و بدون هیچ برنامه درسی مشخصی، با مشکل هویتی مواجه شد.

آشتی کریم، استادیار پژوهشی مهندسی شیمی و زیستی در دانشگاه نورث‌وسترن و نویسنده اول مقاله، گفت: “یکی از بزرگ‌ترین مشکلاتی که در دانشجویان و آزمایشگاه‌های خود مشاهده کردیم این است که آن‌ها تمایل دارند بر روی یک مشکل خاص تمرکز کنند.” او افزود: “به عنوان مثال، اگر شما به بررسی نحوه کارکرد CRISPR می‌پردازید، ممکن است در حال مطالعه ماشین‌آلات پروتئینی محلی باشید که تغییراتی در DNA ایجاد می‌کند. اما اگر قرار است فناوری‌ای بر اساس CRISPR ایجاد کنید، جنبه‌های مهم دیگری فراتر از کارکردهای مقیاس مولکولی وجود دارد.”

چگونه این فرآیند در بدن انسان کار می‌کند؟

این فرآیند در سلول یا جمعیتی از سلول‌ها در بدن انسان و در بافت‌های مختلف چگونه عمل می‌کند؟ تعاملات این سلول‌ها چگونه با سیستم‌های بهداشتی کنونی ارتباط برقرار می‌کنند؟ این‌ها مباحثی هستند که باید به آن‌ها پرداخته شود و ممکن است بر علم ما تأثیر بگذارند.

کاریم، مدیر تحقیقات در CSB و یکی از اعضای اصلی هیئت علمی آن، از اینجا ایده‌ای برای دسته‌بندی زیست‌شناسی به مقیاس‌ها شکل گرفت که در اصل از گفتگویی درباره این که چگونه بیشتر دوره‌های مقدماتی زیست‌شناسی یک پیوستار را از دی‌ان‌ای به بافت و سپس به موجود زنده ارائه می‌دهند، نشأت می‌گیرد. رفتارهای نوظهوری در سطوح مختلف سازماندهی ظاهر می‌شوند؛ جامعه به‌طور متفاوتی نسبت به یک موجود زنده رفتار می‌کند و غیره.

اجزای زیست‌شناسی مصنوعی

به گفته این مقاله، زیست‌شناسی مصنوعی را می‌توان به پنج جزء تقسیم کرد: مولکولی، مدار/شبکه، سلولی، جامعه‌های زیستی و اجتماعی. کلید چارچوب پیشنهادی، وجود اخلاقیات قوی در هر مقیاس است. با آزمایش این برنامه در میان دانشجویان کارشناسی و تحصیلات تکمیلی در نورث‌وسترن، نویسندگان اعلام کردند که اصول بنیادی مختلفی مانند ترمودینامیک و کینتیک به‌طور طبیعی به مقیاس‌های مختلف مرتبط می‌شوند.

به عنوان مثال، آیا همیشه باید یک اصل را درک کنید؟ یا می‌توانید آن را تا مقیاس خاصی “نادیده” بگیرید؟ برنامه درسی همچنین باید بر اساس مطالعات موردی باشد که به یادگیرندگان کمک می‌کند تا تحلیل کنند که چگونه انتخاب‌های مهندسی در یک مقیاس بر عملکرد زیستی در مقیاس دیگر تأثیر می‌گذارد و راه‌حل‌های بالقوه برای چالش‌های جهانی در مقیاس‌های مختلف ارائه دهند و تأثیر زیست‌شناسی مصنوعی بر اهداف اجتماعی و مسائل اخلاقی را شناسایی کنند.

موفقیت در آموزش

مطالعات موردی می‌توانند به مؤسسه یا مدرس اجراکننده برنامه درسی متناسب شوند. به گفته لوکس و کاریم، ارائه این رویکرد به کلاس‌ها بسیار موفقیت‌آمیز بوده و هر دو گفتند که این مفهوم حتی در بار اول تدریس، برای دانشجویان “جذاب” بود. مفهوم مقیاس‌ها به قدری موفق بوده است که در واقع، مرکز زیست‌شناسی مصنوعی نورث‌وسترن از آن برای سازماندهی تحقیقات پیشرفته و همکاری‌های خود استفاده می‌کند.

این محققان همچنین امیدوارند که برنامه درسی بتواند به‌طور گسترده‌تری اجرا شود و منابع و ایده‌هایی را ارائه داده‌اند که دیگران می‌توانند برای تطبیق این رویکرد با نیازها و علایق خود استفاده کنند. توسعه رویکرد تجزیه و تحلیل به‌وسیله بنیاد ملی علوم از طریق برنامه SynBAS NRT (شماره کمک‌هزینه ۲۰۲۱۹۰۰) و همچنین توسط بنیاد خانواده باخراخ حمایت شده است.