Velkommen i Det Virtuelle Laboratorium – en bioteknologisk verden, hvis muligheder vil forundre og fascinere! Her er det muligt at udføre moderne genteknologiske eksperimenter fuldstændig som i et virkeligt laboratorium – design selv generne, før pipetten og optimér kritiske parametre i den bioteknologiske produktion. Der er endda mulighed for at afprøve det producerede produkt, f.eks. insulin, på en virtuel laboratoriemus.
For at eksperimenter i Det Virtuelle Laboratorium skal lykkes, er det nødvendigt at have et grundigt bioteknologisk kendskab. Det opnås undervejs i laboratoriet og gennem det tilhørende skriftlige materiale. Alt sammen viden der har fundament i gymnasieskolens pensum i fagene bioteknologi, biologi og kemi. Grundlæggende biologiske begreber såsom transkription og translation bliver i laboratoriet illustreret med flotte animationer.
I mange bioteknologiske processer er tid en afgørende faktor, og ofte er der lang ventetid i laboratoriet. I Det Virtuelle Laboratorium er tiden sat ud af spil, således at der ingen ventetid er fra den ene opgave til den anden. Det betyder, at processer og teknikker som i virkelighedens laboratorium vil tage 24 timer, eksempelvis det at lave en over-nat gærkultur, tager 10 sekunder i Det Virtuelle Laboratorium. Det bliver dermed muligt at nå fra idé til færdigt produkt på kort tid. Således opnås overblik over hele processen fra idé til færdigt bioteknologisk produkt.
I Det Virtuelle Laboratorium er sikkerheden helt i top! Derfor er det også muligt at lave enhver genetisk manipulation. Kun fantasien sætter grænser!
Gennem brugen af Det Virtuelle Laboratorium, vil brugeren få et grundigt kendskab til, hvordan genetisk manipulerede organismer (GMO) bliver til og samtidig opleve, at den praktiske bioteknologiske udførelse er et håndværk i laboratoriet. Man vil erfare, at en dyb teoretisk forståelse er en forudsætning for at udnytte de muligheder bioteknologien giver.
Det Virtuelle Laboratorium giver mulighed for at:
-
Designe gener
-
Gensplejse gærceller
-
Optimere bioteknologisk produktion
-
Afprøve et produkt på en mus eller i en vaskemaskine
-
Opnå teoretisk kendskab til bioteknologiske processer
-
Se flotte animationer af grundlæggende molekylærbiologiske begreber
-
Anvende teori i praksis
-
Få overblik over processen at gå fra idé til produkt
God fornøjelse i Det Virtuelle Laboratorium!
Arbejdet i Det Virtuelle Laboratorium
I det følgende tekstmateriale gives en introduktion til de to cases, der findes i Det Virtuelle Laboratorium, samt en beskrivelse af de forskellige arbejdsstationer laboratoriet indeholder.
Case: Produktion og test af hurtigtvirkende insulin
Det skønnes, at 250 millioner mennesker på globalt plan lider af diabetes, og at antallet vil stige til op mod 350 millioner mennesker i år 2025. Hvert år dør 3,8 millioner mennesker af sygdomme relateret til diabetes, hvilket svarer til at et menneske dør hvert 10. sekund. Behandling af diabetes og udvikling af nye behandlingsmetoder har derfor høj prioritet i forskning og udviklingsenheder i industrien og på universiteterne.
Diabetes skyldes, at blodsukkeret ikke reguleres korrekt. Det er altafgørende, at blodet indeholder en konstant koncentration af sukker på ca. 5 mM. Hormonet insulin er ansvarlig for reguleringen af blodsukkerkoncentrationen i mennesker. Hos diabetespatienter sker denne regulering ikke pga. mangel på netop insulin. Patienter med diabetes behandles derfor med daglige insulininjektioner for at holde blodsukkerniveauet konstant. Da kroppens normale regulering med insulin er meget sensitiv, er det dog svært at holde niveauet konstant med de nuværende insulinpræparater. Derfor er det nødvendigt at udvikle nye insulintyper, der kan regulere blodsukkerniveauet både hurtigt og langsomt, således at man har flere muligheder for regulering ved hjælp af injektioner.
I Det Virtuelle Laboratorium er det opgaven at udvikle hurtigvirkende insulin. Det gøres ved at designe gener, gensplejse gærceller og derefter producere store mængder insulin. Det er ikke let, og mange ting kan gå galt undervejs i laboratoriet. Derfor er det vigtigt, med en teoretisk viden inden for området. Der kan læses nærmere om det at anvende celler som fabrikker til produktion af f.eks. insulin her: http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/genteknologi.aspx
Case: Produktion og test af vaskeenzym
I mange år, foregik tøjvask med vand og sæbe ved høje temperaturer. I moderne tøjvask anvendes enzymer i vaskemidlet, hvilket medvirker til at den optimale vasketemperatur sænkes. Det er en stor fordel, da det kræver meget energi at varme vand op til de traditionelle vasketemperaturer. Dermed kan enzymerne hjælpe til at der spares energi, og sænke CO2 udledningen.
Enzymer er biologiske katalysatorer, nemlig proteiner. De er en del af alle organismers metabolisme og er helt essentielle for alle livsvigtige biokemiske processer. Enzymerne er specifikke for enkelte kemiske reaktioner. F.eks. findes enzymer der kun nedbryder fedt. Da mange organismer lever med en lavere temperatur end de traditionelle vasketemperaturer, vil også deres enzymer være aktive ved den temperatur. Ved hjælp af moderne genteknologi, kan enzymer med nyttige egenskaber, f.eks. at nedbryde fedt, produceres i stor skala og anvendes i f.eks. vaskemiddel.
Opgaven i Det Virtuelle Laboratorium er at producere et enzym, der for nylig er blevet identificeret i fordøjelsessystemet i myg, og derefter teste dets effekt på en fedtplettet trøje i en vaskemaskine. Da enzymet er et protein, kan det produceres i andre organismer end den myg, hvorfra det stammer. I Det Virtuelle Laboratorium produceres vaskeenzymet i gærceller og oprenses derfra. Selvom der findes moderne teknikker til gensplejsning, proteinproduktion og oprensning kan meget stadig gå galt i laboratoriet – og det kan blive nødvendigt at starte forfra. Det er derfor vigtigt at have teorien på plads. Find det spændende teoretiske tekstmateriale her: (http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/genteknologi.aspx)
Beskrivelse af Det Virtuelle Laboratoriums forskellige arbejdsstationer
Computeren:
Selvom en stor del af bioteknologisk arbejde foregår i laboratoriet, er en meget vigtig del det indledende arbejde ved computeren. Her besluttes hvilke nye produkter, der skal produceres og ikke mindst hvordan, dette skal foregå. Det er her de genetiske komponenter sammensættes, der kræves for at udtrykke et protein, og det er også her, det besluttes, hvor store mængder, der skal produceres. Dette gøres ved at tilføje promotorer med forskellig styrke til gensekvensen.
Gensekvensen kan sammensættes som man ønsker det, men for at opnå et produkt, er det nødvendigt at sætte de forskellige komponenter i den rette rækkefølge i gensekvensen. Derfor er det vigtigt at tage stilling til, om promotoren skal placeres foran eller efter ribosom bindingsstedet.
Når sekvensen er færdig, sendes den til et firma, som syntetiserer den. I virkelighedens verden kan det tage op til en uge eller to før man får sin syntetiserede sekvens tilbage. I Det Virtuelle Laboratorium går det lidt hurtigere.
Prisen for en sekvens varierer med længden af den. Nogle steder kan man få syntetiseret et gen for ca 1,5 kr./basepar.
Arbejdsbord
På arbejdsbordet findes alle de materialer og alt det udstyr, der skal til for at udføre moderne genteknologi. Her findes blandt andet en pipette, som bruges til at overføre materiale med fra én beholder til en anden. Ligesom i det virkelige laboratorium er det også her utrolig vigtigt at skifte pipettespids mellem forskellige trin, således at de forskellige opløsninger ikke kontamineres. I virkelighedens verden er dette en utrolig vigtig forholdsregel, da man ellers vil ødelægge opløsninger, som dermed ikke kan bruges mere. Pipetten er for bioteknologen lige så vigtig, som sværdet er for ridderen!
På arbejdsbordet er der adgang til en elektroporator, som anvendes på gærcellerne for at få dem til at optage syntetiseret DNA. Dette er et kritisk step i vejen til et færdigt produkt, for hvis ikke DNA'et trænger ind i cellerne, er resten af det efterfølgende arbejde naturligvis spildt! Processen bliver illustreret af en flot og grundig animation, således at det visualiseres, hvad der foregår på molekylært niveau.
Varmeskab
Gærceller har det ofte bedst ved en anden temperatur end den, der findes i laboratoriet. Derfor er der et varmeskab til rådighed. Heri kan der inkuberes gærceller, så de vokser hurtigere. Den optimale temperatur er forskellig fra organisme til organisme og varierer endda også mellem forskellige gærstammer. Gærcellerne inkuberes gerne i 24 timer, også i Det Virtuelle Laboratorium, men heldigvis er processen speedet op, så det kun tager 10 sekunder.
Fermentor
En fermentor er en stor tank, der indeholder et medium, som består af alle de næringsstoffer en gærcelle skal bruge for at opnå optimal vækst. Når der skal overføres en gærkultur til fermentoren, vil gærcellerne derfor begynde at vokse. Men hastigheden afhænger af en hel del forskellige faktorer. Blandt de vigtigste faktorer er temperatur og pH. For at optimere gærcellernes vækst er det nødvendigt at finde de optimale betingelser for at de kan gro. Det kan kræve flere forsøg, fuldstændig som i det virkelige laboratorium, at bestemme disse.
Kromatografiudstyr
Når gærcellerne er gensplejset, vil en stor mængde protein være produceret. Gærcellerne vil dog samtidig producere alle de andre proteiner, som er nødvendige for cellerne. Derfor er det nødvendigt at oprense det ønskede protein, hvad enten det er vaskeenzym eller insulin. Som i et ethvert moderne bioteknologisk laboratorium findes også udstyret til dette. Dette kaldes i Det Virtuelle Laboratorium for kromatografiudstyr.
Musebur
Insulinet, der er produceret på baggrund af gendesignet ved computeren, er nu oprenset. Men det vides ikke, om det faktisk virker! Derfor er der i laboratoriet en mus, som det kan testes på! Musen er koblet til at en maskine, der måler blodsukkerkoncentration. Ved at injicere insulinet og/eller fodre musen med saftevand, kan blodsukkerkoncentrationen følges i tiden efter injektion på en lille skærm. Der er både en rask mus samt en diabetisk mus til rådighed, og dermed er det muligt at teste insulinets effekt og observere forskellene mellem de to. Målet er at holde blodsukkerkoncentrationen på et normalt niveau, så der ikke opstår kritiske situationer for musen. For mus er denne koncentration på 5 mmol/L.
Vaskemaskine
Når vaskeenzymet er oprenset, er det i Det Virtuelle Laboratorium muligt at teste det på en slemt plettet trøje i en vaskemaskine. Målet er at opnå en ren trøje ved lavest mulig temperatur. Det er desuden ønskeligt at anvende så lidt enzym som muligt og derfor er der flere forskellige koncentrationer til rådighed.