研究program-linked course-based本科研究经验,允许本科生参与当前的分枝杆菌基因调控的研究
路易斯·安东尼·罗伯茨
1
*
红色美国壳牌
1、2
- 1生物学和生物技术部门、伍斯特理工学院伍斯特马,美国
- 2生物信息学和计算生物学程序、伍斯特理工学院伍斯特马,美国
本科教学生物学实验室通常教内两个范例。一些实验室专注于交付协议和技术在“食谱”格式定义的实验结果。有越来越多的动力或者雇佣学生,开放式的,和基于探索策略,经常通过course-based本科生使用的众包项目研究经历(治疗)。一小部分的学生也参与教师研究实验室资助的研究,他们有机会工作在项目旨在扩大人类知识的前沿。雷竞技rebat这些经验被广泛认为是有价值的但不是可伸缩的,因为大多数机构更多的大学生比研究实验室的位置。我们试图解决这一差距通过我们部门的课程为学生创造一个机会参与实际研究过程在实验室课程。我们构想、开发和交付一个真实的,引导学生研究经验的上层分子生物学实验室课程。我们称这种模式为“研究program-linked治疗。“研究问题直接来自教员的研究实验室和演变,研究项目。学生学习在分枝杆菌转录后调节。我们使用当前分子生物学方法来测试假设“utr影响RNA和蛋白表达水平,”“RNA解旋酶,当中有功能冗余”和“碳饥饿改变信使RNA 5′末端化学反应。“我们标准进行评估和开发一个定制的“库存”调查技能和概念来衡量课程如何满足我们学生的学习成果。我们报告我们的评估结果和描述挑战解决课程的开发和执行期间,包括组织活动适合在一个教学实验室,平衡的广度与深度,保持真实性而让学生获得的经验解释和小说的结果。 Our data suggest student learning was enhanced through this truly authentic research approach. Further, students were able to perceive they were participants and contributors within an active research paradigm. Students reported increases in their self-identification as scientists, and a positive impact on their career trajectories. An additional benefit was reciprocation back to the funded research laboratory, by funneling course alumni, results, materials, and protocols.
1。介绍
创建一个真正真实的动机和理由研究课程在于国家称之为起源于近二十年前将理科教学。建议中包括在总统科学技术顾问委员会的报告与Excel (小盖茨和墨金,2012年),并在AAAS / NSF报告本科生物学教育愿景和变化(布鲁尔和史密斯,2011年),是取代标准的实验室课程基于探索研究课程。为了实现这个目标,我们部门加入了小世界/小地球计划(小地球倡议,2022)2015年,科学教育联盟-噬菌体猎人推进进化基因组学和(SEA-PHAGES 20222016年)。这些众包实验室适合实验室改造我们的入门课程,让我们的学生去探索基于探索科学。这些课程得到了学生,通过治疗和自我评估数据(Buckholt et al ., 2022(新闻)]。这些课程的成功激励我们若有所思地创建高级课程坚持发现的同样的原则。
一个重大的挑战在实验室科学教育是识别一种机制来为所有学生提供机会了解如何进行生命科学研究。虽然我们专业的分数进行项目的实验室research-active教员,这个模型不是可伸缩的适应和培训我们的学生真正的。在上层我们试图设计自己的真实的研究实验室,基于我们research-active的企业,市外的教师资助。这种方法会让我们更关注和应用范例,让学生们进行原始研究项目资助的研究项目。这个模型股票许多目标和一定程度的相似性与真实的研究经验,如得克萨斯大学的新生研究专项(Rodenbusch et al ., 2016)。在我们的例子中我们希望创建一个新的实验室课程存在独立于university-sponsored程序或过程序列,可以提供与现有部门资源,将上层的学生主修生物学及相关学科。我们举行教师撤退,集思广益来识别方面的研究项目是智力和暂时适合,且可伸缩的,我们现有的实验室环境。我们的共识,我们可以从程序中提取元素的当前研究的教师和部署它们在实验室课程设置。我们定义这些研究program-linked治疗(rpl-CUREs)。这些课程是他们的签名的真实性保持资助的研究项目,同时给更多的学生获得的经验解释和新颖的结果在实验室课程的约束。数据和发现学生产生超越,导致积极的研究项目。工作流描述了我们之后创建课程图1。
图1。创建一个rpl-CURE工作流。
基于详细的注意事项和限制,和分子生物学湿实验室的必要性缺席我们的课程,我们打造了一个新的称为“分子生物学和基因工程方法和应用程序”(MBGE)博士研究项目的基础上朱红色外壳,调查mRNA-level基因调控的肺结核模型,Mycolicibacterium smegmatis。全世界每年有130万人死于结核病(2021年,)和挑战来治疗用抗生素由于其微环境在肉芽肿和增长缓慢的自然。提高治疗功效和期权的一个渠道是了解疾病的代理结核分枝杆菌调节基因表达,以应对压力。我们正在处理的主要研究问题是“如何信使rna代谢和基因表达的转录后调控导致应力在分枝杆菌宽容吗?“我们使用分子和遗传方法从机械的角度来解决这个问题。
确定教师研究项目和科学问题后我们会处理过程中,我们使用向后课程设计的原则(Davidovitch 2013)定义学习成果(表1)。我们使用标准的和独特的实验室课程评估,以确定如果我们满足我们的目标;即学生进行开放式的项目,他们将有所有权,对其他高价值,通过新发现知识领域的进步,是可以转换的回一个研究设置。我们将报告我们的评估和跟踪的扩展研究的实验室research-active教员。鉴于资助的研究的快速发展的本质,我们提供了三个独特的变体在过去6年。这里我们描述所有版本的共性,以及元素独特的推力。从老师的角度,教员资助,和学生们,我们的评估证明这种方法的有效性。
表1。映射到学生学习成果评估。
2。材料和方法
2.1。分子生物学和基因工程课程设置,入学率和力学
学年在我们机构伍斯特工学院(WPI)分为季度周七类。MBGE实验室是结构化的,这样学生参加每周三个3 - h块,产生63小时的接触时间。学生通常需要完整的实验室阶段来完成他们的实验。一些监控的文化(如增长曲线)发生预定实验室以外的时间。期望在我们的制度是,学生每周花~ 15 h在每三个类。因此,大多数的评估学生的学习是基于实验室活动(例如,笔记本和参与),和简洁pre-lab测验和回顾性总结。提供了这些评估的列表表2。
表2。学生评估和相对权重。
入学第一祭(2017)被限制在12名学生。在随后几年的能力增加,每年17个学生完成了课程。学生们成对,与一群三个需要。在所有六个祭,~ 75%学生生物学/生物技术专业,~ 10%是生物化学专业,剩下的~ 15%是主修生物信息学和计算生物学、工程(即。、生物医学、化学和机械)和环境科学。
一般来说,第一个3周致力于DNA操纵和应变建设,其次是3周的表型分析的基因表达或增长。每学期我们专注于不超过两个输出,下面详细的每个实验推力。最后一个星期是用来提炼分析,目录发现,和设计,印刷,和现在的学生研究海报。时间轴为广大学生工作流描述了图2。
图2。一般学生实验和课程评估的时间表。
2.2。人员和空间
罗伯茨博士副教授(教学)协调,设计,并指示MBGE课程。壳牌提供博士项目的想法和实验方法。课程设计过程中完成了8个月。会议举行每月从概念推出,教学和评估设计团队咨询是合适的。壳牌实验室参加了第一天博士研究的背景下,出席了会议最终海报,和提供反馈和建议。壳牌实验室成员提供指导、结构和压力。一个全职(15 - 20小时/周)研究生教学助理被分配到这门课程;每小时在某些发行一个本科教学助理受雇协助实验室和分级。
(~ 900平方米的实验室空间。10英尺)包含学生长椅,总共20个席位。湿实验室配备了两个thermocyclers,两个生长室,两个颤抖的孵化器,琼脂糖凝胶电泳和sds - page单元,蓝光箱、两个4°C,一个−20°C,一个−80°C。笔记本电脑是提供给学生。荧光板读者(Victor3 PerkinElmer)和显微镜(蔡司),每个配备合适的过滤器,electroporator和凝胶文档系统(BioRad)可在同一座楼实验室类。干冰、湿冰和液态氮也可以。我们利用FastPrep-24 5 g仪器(MP生物医学)为qPCR提取RNA和蛋白质sds - page /免疫印迹,和qPCR thermocycler(应用生物系统公司7500)出现在壳牌实验室。教学人员准备所有媒体和基础组件。
2.3。Mycolicibacterium smegmatis增长、基因操作和资源
m . smegmatis是一种土壤细菌,是一种安全(BSL-1),驯良的,和广泛使用的模型吗结核分枝杆菌(BSL-2/3)。的基因组m . smegmatis包含在一个环形染色体约7 Mbp的长度。m . smegmatis在液体培养中生长迅速(mc的倍增时间2155株~ 2.8在37°C和h ~ 18 h结核分枝杆菌),殖民地出现在2 - 3天的连续电镀和后5天内转换。电穿孔的主管m . smegmatis是有效的;单拷贝质粒整合到基因组是针对L5和贾尔斯噬菌体集成网站。
PCR和DNA组装,我们使用2 x版本的Q5, Taq, HiFi装配主混合来自新英格兰生物学实验室(内)。最大的化学主管大肠杆菌从内购买(C2987I),而electrocompetent吗m . smegmatis被学生们准备的。RNA提取/纯化试剂(2毫升中断管从运维诊断;100年μm锆赖氨酸矩阵,分子级)和qPCR试剂(如iTaq SYBR绿色Bio-Rad)也是必需的。寡核苷酸从DNA技术或集成获得伊顿生物科学;DNA测序反应(每提供~ 40)是由伊顿生物科学和Quintarabio。免费网络平台Benchling (Benchling生物学软件,2022)是由学生利用DNA序列处理、注释和对齐。我们还使用了电子实验室笔记本功能在Benchling学生整合他们的笔记,协议,图片,分析科学接受的格式。基因信息,记录和核苷酸序列得到从Mycobrowser (Kapopoulou et al ., 2011)和帕特里克(Wattam et al ., 2014);二级结构预测是使用Sfold (丁et al ., 2004)。
3所示。结果与讨论
3.1。定义学习成果,评估,和作业
在WPI我们使用的原则“向后课程设计”(Davidovitch 2013),先学习成果的确认,然后类构建的框架内完成既定目标。我们确定了六个学习成果(中给出表1这个类)。我们写了学习成果和课程描述适应改变的重点,课程中包含的方法,和方法。这将使我们能够利用不同的项目或未来的研究项目。我们的课程没有先决条件也不限制专业,所以测序课程并不是决定因素。实验室提供的课程我们部门完全独立于我们的讲座类。缺乏限制促使我们实验室导师培养学生广泛分布的技能和知识,提供了许多自由度对课程内容。我们致力于创建一个上层实验室,为学生选择先完成至少一个低级别的实验室。推荐背景包括讲座类分子生物学、遗传学、微生物学、细胞生物学;众包小地球倡议,“酶、蛋白质和净化”(两个低级的产品)建议实验室经验。
我们确定了16个(见具体的实验室技能图3我们预计学生掌握(学习目标1)。其中,七在很大程度上在网上/电子技能和九被定义为湿实验室技术和程序的技能。成功的实验结果和直接观察学生的掌握。学生被要求设计引物,确定适当的装配的参数和设计实验(学习目标2)。成功完成设计确定之前,通过讨论和实验实验室笔记本检查。基本上所有的在网上和湿实验室程序需要定量或定性分析(学习目标3)完成。为了解决学习目标4,设计,结果,和分析提出了非正式地在实验室,和更正式的最终海报在学期的结束会话。每日总结和最后一个反射纸被用来评估学生书面表达能力。学生在定义工作,持续小组的两个或三个词,执行并行程序。这些特性的课程推广和强制协调实验室合作伙伴(s)和作为一个类(学习目标5)。我们是依靠学生的评论请求通过大学课程评价和“个人反思”任务计如果学生认为他们开发了一个理解生命科学研究过程的研究实验室(学习目标6)。表1映射到学习成果的评估。
图3。科学学习收益,comapring面对面(n= 16个学生反应)和完全远程(n= 17)交付MBGE实验室。
评估管理贯穿在课程(见的结论图2)。期中考试课程反馈做是为了评估学生觉得实验室功能而调整仍有可能。通过这个评估学生的高满意度水平课程后3周(特别是与个人项目的重要性的研究企业壳博士的实验室和集成电子实验室组织软件)的使用。学生是国家的速度非常快和更多的讨论背后的概念的过程将会受益。为此,每周“实验室小组会议”是建立在学生、教师,助教划拨~ 45分钟块讨论的概念。
3.2。研究项目
3.2.1之上。确定研究问题
实现我们学习成果的真实性和维护在人类知识的前沿,我们选择研究问题MBGE满足下面四个标准。雷竞技rebat(1)研究解决一个尚未回答的问题在工作或发表的未发表的实验在壳牌实验室。(2)研究课题是直接关系到计划在壳牌实验室或正在进行的工作。(3)研究问题最好通过一系列的实验来解决并行运行使用不同的菌株,基因,或其他特性。例如,在下面的第一个研究推力,学生测试一组5 'utrs的影响,我们假设监管职能。这是自然有利于并行多个组的工作,因为每组使用类似的方法来调查5 'utr不同。(4)适当的技术来解决这个问题涉及分子生物学和基因工程。在六次MBGE已经提供,我们解决三个不同的研究重点,下面描述。我们搬到了新的研究手臂当壳的新问题成为发展重点实验室或当一个项目开始在MBGE传递给一个全职壳牌实验室成员进行更多的调查。
3.2.2。研究推力1:使用记者评价5 'utr角色
我们第一次提供我们专注于阐明潜在的角色5 'utrs成绩单在调节基因表达的mRNA和蛋白水平。我们探索5 'utr序列是否改变转录或翻译成蛋白质的稳定性,使用黄色荧光蛋白(YFP)当记者。我们专门设计的质粒和表达磁带这门课。这些组件提供我们改变和演化;这里介绍最优化版本图4。我们的质粒骨架包含大肠杆菌起源的复制;潮霉素抗性基因在两种选择大肠杆菌和m . smegmatis;和一个序列编码噬菌体整合酶酶以及相应的attP序列进行有针对性的集成。我们YFP记者表示通过Pmyc1-tetO启动子(Ehrt et al ., 2005),包含一个c端6 xhis标签,在双向转录终止剂(阮et al ., 2020盒式)隔离表达式。注意没有春节抑制因子在我们的系统中,所以表达式从Pmyc1-tetO本构尽管春节抑制因子结合位点的存在。我们版本的这个质粒没有任何5 'utr (pSS310), 5 'utr与Pmyc1导致YFP -tetO启动子表达高水平(pSS303),和一个promoterless版本(pSS314)作为一个消极的控制表达式分析(阮et al ., 2020)。
图4。研究推力1:使用记者评价5′UTR角色。(一)质粒用于评估的影响5′utr报告基因的表达yfp。Pmyc1-tetO启动子在没有春节的抑制因子来实现高级转录本构。质粒元素包括和没有显示大肠杆菌起源的复制、抗生素resistsnce标记和序列整合质粒进入Mycolicibacterium smegmatis染色体位点专一的重组。质粒的Pmyc1pSS303 -tetO相关5′UTR(左)作为一个积极的控制有效的翻译。学生使用音响组装(内)插入m . smegmatis5′UTR种乐趣变成一个质粒缺乏5′UTR(对,pSS310)。图形创建BioRender.com。(B)学生对质粒构建工作流,应变建设和表达式测试。由学生显示生成的数据的一个例子。
学生设计引物的5 'utr插入基因可能的监管压力的反应(即。、缺氧、碳饥饿或抗生素治疗)质粒。学生Benchling用来构建最终的目的序列的质粒与他们5 'utr插入。学生用音响组装他们5 'utr插入pSS310启动子和YFP之间,或与P“交换”myc1-tetO相关5 'utr pSS303。在变换,选择,和质粒PCR筛选miniprepped和送去测序。学生们一致序列在Benchling预测和初始质粒序列。质粒被electroporated到预期的序列m . smegmatis、选择转化株和集成是证实通过使用引物PCR在左和右连接集由壳牌实验室验证。
克隆正在进行时,学生获得的分枝杆菌培养技能和初步数据收集他们需要设计和执行有效的实验。例如,当研究5 'utrs核糖体蛋白基因,研究学生发表的最小抑制浓度(麦克风)ribosome-targeting抗生素作为起点来定义sub-MIC浓度可能减少生长和诱导转录本编码核糖体蛋白质的稳定。
一旦克隆和应变创建完成,菌株被测试在这些条件下确定的压力改变了表达YFP UTR-dependent的方式。YFP蛋白质含量测定与一盘读者,流式细胞术,或通过免疫印迹。Yfp相对于管家基因的mRNA水平sigA是衡量qPCR使用底漆集以前为qPCR壳牌实验室进行验证。
设计引物,克隆和创建m . smegmatis菌株完成上半年的课程(由11日实验室会话)。一直在三个产品,~ 75%的组织成功地满足了克隆的目标。所有组确定有效浓度抗生素的使用在他们的实验。在下半年的课程压力下的学生们能够绘制细胞生长条件和执行表达水平分析。代表数据所示图4是,UTR-specific差异表达检测的。注意mRNA的相对丰度(通过qPCR)和蛋白质(通过荧光)相关联。
随后,在创建的质粒在壳牌实验室利用夏天活和高级研究项目的一个组成部分。一位课程明矾继续在壳牌实验室和扩展他们的研究从课程成为co-first作者同行评议的出版物在《细菌学(阮et al ., 2020)。
3.2.3。研究推力2:使用CRISPRi评估在RNA降解蛋白质功能冗余
确定角色的RNA降解蛋白质在分枝杆菌是一个高优先级,因为RNA降解蛋白质的突变基因与临床耐药有关结核分枝杆菌压力(希克斯et al ., 2018;马提尼et al ., 2022)。一些基本功能m . smegmatis,如RNA解旋酶的活动,可以实现冗余基因分别归类为非必要。三个假定的RNA解旋酶存在m . smegmatis(他,rhlE1,rhlE2)(塞缪尔et al ., 2015;Khemici林德,2016;豪斯曼et al ., 2021),这些基因是至关重要的。壳牌实验室先前构造的删除这三个基因突变,并在每种情况下,淘汰赛没有或很温和增长缺陷表型。我们假设失踪的两个假定的解旋酶基因可能导致减少/不增长。为了验证这一点,我们使用了一个诱导CRISPR干扰(CRISPRi)系统(岩石et al ., 2017)击倒表达式的解旋酶基因编码的基因敲除菌株背景不同的假定的解旋酶不在(图5)。的表达dCas9和单一指导RNA (sgRNA)目标击倒解旋酶是诱导ATc。然后我们可以检测ATc-specific减少增长通过执行在液体培养生长曲线实验。
图5。研究推力2:使用CRISPRi访问RNA降解蛋白质的功能冗余。(一)CRISPRi质粒用来表达Cas9和sgRNAs催化地死了。学生使用音响组装(内)来取代非目标的一部分sgRNA gene-specific序列。没有显示包括质粒元素dcas9,一个大肠杆菌起源的复制、抵抗力和anibiotic标记和序列整合质粒进入m . smegmatis染色体位点专一的重组。表达sgRNA dCase9 ATc-inducible启动子控制的。图形创建BioRender.com。(B)学生对质粒构建工作流,应变建设、增长和测量。学生数据显示了一个示例测试功能的RNA解旋酶解旋酶HeIY RhIE1之间的冗余。
感兴趣的学生设计sgRNAs目标基因,构建包含这些sgRNAs CRISPRi质粒序列在网上,并设计PCR引物插入他们sgRNA CRISPRi质粒序列。然后他们克隆的质粒HiFi组装(内),验证通过测序,转换成m . smegmatis,并验证正确的质粒融入m . smegmatis基因组PCR。虽然学生们将他们的设计sgRNA插入到CRISPRi质粒,他们决定什么增长分析格式允许他们检测增长率的差异m . smegmatis文化。学生相比增长管(5毫升文化)和微型板块(200μl文化)充气通过摇晃在37°C,使用sub-MIC浓度的抗生素来生成变量的增长率。从这个初步测试结果通知他们的实验设计与击倒/基因敲除菌株组合。
最后,每个学生团体相比,增长率为一系列菌株和条件:与野生型菌株的新sgRNA有无ATc;野生型菌株与特定sgRNA击倒一个感兴趣的基因,没有空中交通管制;基因敲除菌株与新sgRNA有无ATc;和基因敲除菌株与特定sgRNA有无ATc。我们预计,如果基因淘汰和可拆卸的部分冗余的基本功能,将减少增长的基因敲除菌株具体sgRNA ATc的存在。
学生能够完成实验课程的目标。克隆和m . smegmatis应变建设完成了上半年的课程,和三个迭代的增长进行了化验分析阶段。学生们能够识别管和微型板块分析方法的优势和局限性,并监控增长率的压力相对于控制有无ATc (图5)。一些增长减速观察相比,基因敲除/可拆卸的组合控制。虽然sgRNA序列的克隆到CRISPRi质粒是简单,教学的复杂性CRISPRi系统需要额外的实验室时间比研究推力1。我们把这种现象归因于这样一个事实,学生不太熟悉的概念与CRISPR报告基因,可能因为CRISPR是一个更为复杂和最近的新兴技术。这个版本的课程于2022年首次提出;下一次迭代将利用类似的方法来调查潜在的冗余为一组不同的基本功能的基因。从逻辑上讲,我们量化撞倒了基因的表达水平通过qPCR为了证实ATc-dependent镇压;这不是2022年执行,但将在未来提供注册。课程的主要输出壳牌实验室为线索对RNA降解蛋白质可能冗余功能,和新一代的27岁m . smegmatis菌株的基因敲除/可拆卸的组合,用于本科生暑期研究经验。
3.2.4。研究推力3:评估信使rna 5′端帽的状态通过用夹板固定住结扎
信使rna 5′末端化学的性质和重要性是众所周知的在哺乳动物细胞系统;少即是了解5′末端之间的关系状态和记录在分枝杆菌稳定。取决于mRNA加工,5′末端可能有三磷酸,一磷酸,羟基或替代(例如,NAD)帽了Vasilyev et al ., 2019)。我们的研究问题是(1)负责修改信使rna 5′末端酶化学和(2)的信使rna 5′末端化学变化在细胞应激引起的碳饥饿?我们专注于比较的相对丰度5′一磷酸,它预计刺激成绩单退化,相比于其他5′末端化学预测保护记录不退化。我们假设的一个或多个一组候选蛋白质负责其他转换化学5′5′一磷酸,,更大比例的成绩单将在triphosphorylated状态存在于碳饥饿情况信使rna降解是放缓。我们的方法是基于这样的事实,只有5′monophosphorylated mRNA物种可以绑定到一个适配器,因此通过比较的相对比例ligatable 5′末端在不同压力和条件我们可以推断的相对比例5′monophosphorylated成绩单(图6)。
图6。研究推力3:评估信使rna 5′端帽状态用夹板固定住结扎。(一)的相对比例monophosphorylated信使rna 5′末端被测量的效率评估结扎适配器,这是依赖于5′一磷酸的存在。信使rna 5′三磷酸腺苷或其他5′末端不ligatable化学反应。引物退火内部记录被用来量化的总记录,和一个适配器底漆配合和内部引物被用来量化的结扎成绩单。(B)学生工作流程确认删除假定的信使rna 5′端作用的基因m . smegmatis从大量菌株获得的(贾德et al ., 2021),设计夹板和引物的5′端化学假定的目标记录,优化标准和碳饥饿培养条件,提取RNA,结扎和执行用夹板固定住结扎和pcr分析产品。学生的数据显示了一个示例测试基因缺失的影响和碳饥饿的ligatability目标记录。
学生们首先用PCR和测序验证一组m . smegmatis菌株与缺失的基因预测作用于RNA 5′末端(贾德et al ., 2021)。然后设计qPCR底漆和夹板结扎的效率增加适配器的具体记录。意识到成本,我们选择结扎50元单链DNA适配器5′monophosphorylated成绩单使用T4 DNA连接酶(高度集中;内M0202M)而不是一个RNA适配器用于出版协议(Celesnik et al ., 2008;凯特et al ., 2011)。总记录水平量化通过qPCR使用引物设计中进行绑定记录本身。相对5′monophosphorylation水平被qPCR量化使用正向引物结合适配器与反向内部引物。我们可以定性判断的相对比例5′monophosphorylated成绩单在压力和条件。
学生文化增长野生型和删除菌株在记录阶段和carbon-starvation提取RNA,进行了结扎过程,合成cDNA,最后半定量PCR用于评估相对5′末端状态。
这提供了关注分离的方法,修改和测量RNA。虽然主要是出于倡议在壳牌实验室,这个版本也pandemic-induced意识的启发,RNA的方法和技术。这个有形的连接到现实世界中很容易被学生,并代表一个独特的优势培养学生思考和处理RNA。RNA的技术操作要求高水平的技能,专注和精度;实验的成功更有限的由于新生的学生的水平相对较低,经验的科学家。虽然意外,但局限在获得核糖核酸试剂接触学生替代方法的互补脱氧核糖核酸合成(transcript-specific引物用于第一个因为六聚体随机引物暂时不可用)。除了提供一个有价值的技能的学生,课程的一个重要结果是协议的发展。我们用夹板固定住结扎协议是基于两个凸方法论文(Celesnik et al ., 2008;凯特et al ., 2011在我们的系统)和修改工作好。学生们能够验证协议,并有可能观察一些condition-specific 5′末端化学的差异(图6)。壳牌实验室的一位博士后研究员现在使用这种方法探讨5的RNA在结束结核分枝杆菌。
3.3。评估的过程和学生的学习
3.3.1。Course-based本科研究经验,lca,和大学课程评估评估数据
我们想使用国家,比较我们现有的标准评估,传统的以技术为基础的实验室与新真实研究高级课程。值得注意的是,MBGE实验室是第一个完全由我们部门提供实验室,基于我们的终身教授的研究项目,在我们的实验室和一个洞的课程。因此,我们进行了一次广泛的评估,以确定这课程满足了目标。我们利用Course-based本科生研究经验(治愈)评估工具(治愈调查,2022;Auchincloss et al ., 2014)管理的开始和结束,尤其关注期末学生认知的一般科学原理的学习和理解。我们之前报道的治愈期末评估数据(Buckholt et al ., 2022(媒体)]对于这门课,相比,我们提出一个以技术为基础的分子生物学实验室。治愈的调查数据显示,学生更大的广泛和特定的技能,和91%的学生走出MBGE作为科学家增加自我效能感和信心。
实验室课程评估调查(lca) (科文et al ., 2015)也用于这个新课程,特别是评估发现/研究结果在完成实验室;这些数据报告表3。lca技术和治疗调查结果反映这密集的研究型实验室课程成功地完成了学生们的学习成果,能够识别,他们创造了新的科学知识通过生成小说结果回答研究的问题。综上所述,这些评估结果显示学生在MBGE感觉更投入实验,获得了清晰的理解理论和知识是如何集成到他们的项目设计、和自信面对出现原始科学研究在未来的挑战。
表3。lca技术调查发现/研究成果。
WPI部署课程评价完成最后的班的学生一周评估结构,交付,和结果的课程,以及教师的教学有效性WPI课程评估中使用的所有类,它允许我们部门中比较课程,但没有专门为实验室设计的课程。介绍了有关WPI学生课程评价数据表4,使用技能“食谱”的前任课程作为一个比较器。课程质量、教育价值的分配工作和学习的得分更高MBGE实验室技能版本相比。2020年MBGE课程是完全远程由于流感大流行。有趣或者令人放心的是,大部分的表演真实的价值研究是迷失在远程环境数据集从过去的版本使用时代替实际的探索性研究。
表4。大学生课程报告数据。
3.3.2。技能和概念存货评估
MBGE课程是为了让上层本科生沉浸在真实的研究项目,同时保持更多的食谱实验室提供的技能发展。而治疗和lca调查做好在确定学生对他们的技能如何在课程开发,带来的问题是普遍而不是具体的技术。对我们是很重要的,学生们也理解概念,支撑这些技能,为了了解他们的适用性,优点,和局限性。lca技术只是管理课程的结论,因此不能可靠地或定量评估学习效果。因此,我们设计一种新颖的评估工具我们所说的技能和概念库存(SCI)来评估学习成果集中在特定的技能和概念我们在这门课中教学(S1和文档罗伯茨和壳,2022)。
科学管理在第一个和最后一个实验室;两个版本是相同的除了提示的措辞。学生们要求他们的熟悉/舒适/ 0 - 4规模的专业知识;0代表不熟悉,而4显示一个学生相信他们的专业知识,技能或概念。通过比较学生反应的开始和结束课程,学习增益可以定量评估(学习增益=最终-初始)。一个学习获得0表示没有收获的知识。收益是相对于感知传入的知识,因此消极的学习效果是可能的。SCI的一个限制是依赖学生自我评估(这也是真正治疗的调查中,具有不同的调查,和课程评价)。另外一个限制是,绝对的学习效果深受初始评级一个技能或概念的学生;如果很多学生进入高/舒适/专业知识的熟悉程度有更少的一系列学习获得。 Thus, normalized learning gains are utilized to account for variations in initial assessment scores (colletta Steinert, 2020)。
SCI允许我们探测课程提高学生理解如何在高分辨率级别的个人技能和概念,而不是更广泛的课程目标水平。MBGE我们确定了30我们希望学生学习技能和概念通过完成这门课程,从通用技术(如微量吸移管、电子实验室笔记本,等)通过职业专用方法(如分枝杆菌细胞培养,荧光定量,qPCR,等)。我们量化的原始和规范化的学习收益技能和概念分成三类——方法,其他的研究技能和概念。我们的研究结果从两个产品介绍图3和补充表S2。积极的学习收益报告的学生29 30技能和概念,即使远程课程提供。一般来说,面对面服务报告更多的技能发展到远程版本相比。概念强调远程实验室时如期刊文章和了解qPCR数据获取和分析报告更高的原始和规范化的学习效果比从面对面的指导。灵感来自于这个结果,我们最近创建了一个qPCR学习模块学生可以访问通过我们的学习管理系统(帆布)。
3.3.3。额外course-specific评估
首次运行实验室课程时,我们经常利用中期评估来确定类跟踪为目的,或者要求在修改。期中考试课程反馈问卷,改编自一个由学术委员会的问题学生政府协会在WPI,包括项目评为1 - 5范围内,随着开放式的问题特别是相关学生的利益和关切。这个调查是部署在第4周开始的最初的祭。进一步发行我们代替讨论board-formatted”三个问题解决”和“最有趣的/最清楚”讨论板的帖子。此外,一个“教师反思”文档准备在每个课程提供的结论。我们使用数据从所有调查评估,修改和发展实验室课程。
3.3.4。对评估学生接触学术研究是如何实现的
这门课的动机是要真正证明单位以外的学术研究进行了资助。具体地说,我们想让学生体验“有目的的流动性”的研究过程,研究方向是如何选择和随时间而变化。我们试图建立一个课程,向学生传达如何具体问题/问题/知识空白的确定,以及如何研究科学家设计实验提供数据来解决那些差距。在实践中,评估如果学生遇到这种学习的结果是一个挑战。首先,大多数课程评估管理范围内的术语,而不是纵向单个类。我们觉得标准,定量评估无法把学习放在未来的上下文,也就是需要这种学习结果。然而,我们觉得大学在课程评价学生意见征集和个人反思文章可以提供洞察学生是否觉得暴露在学术研究过程。我们也想确定学生看到价值的参与research-active教员(实验室)作为合作者。
大学课程评价促使学生对每个类表示他们喜欢什么、不喜欢什么,以及他们是否会推荐给其他同学。代表性的评论包括:
“我喜欢这个实验室涉及真正的研究经验。设计遵循一般的一系列步骤,但每组会有个体差异基于他们之前的结果。”——2019年。
”这类的教育应该是:一个真正的综合理论和实践,根据每个学生的利益而积极贡献和关键,拯救生命的研究。”——2021年。
“我真的很喜欢我们研究,是对每个人来说都是一个新的道路包括教授所以很有趣有改变我们。”——2021年。
“感觉我在做真实的研究动机是我每天早上起床真的很兴奋地看到我们在做什么在实验室。”——2022年。
在每一个提供的结论,学生写了一篇“个人反思”总结他们的研究发现,班上和他们的经验。虽然定量和详尽,许多学生表示感谢,和他们的角色和感知价值,研究的过程。代表意见包括:
“能够指导实验,课堂讨论的结果和下一步研究员对我的成长非常有价值。”——2022年。
“我自信的说这门课协助研究生院录取。这使我具备了真正的技能,我将继续利用在未来4年,但它也注入了更大的信心,我知道有些事情我不知道我可以学习。”——2021年。
我们被鼓励,研究过程的真实性和价值是显而易见的完成这门课的学生。我们发现它至关重要的和令人满意的,学生们开始认为自己贡献的科学家,这个实验室有一个积极的影响他们的职业轨迹。
4所示。结论和未来的发展方向
沉思着我们的目标是创建一个新的实验室课程,鼓励学生参与真正的真实,extramurally-funded研究。我们设计了一个框架来构建rpl-CURE,应用它来创建一个实验室的经验,学生可以利用现代分子生物学的方法来生成小说价值超出课程本身的结果。MBGE实验室还充当一个模型对基于探索科学进一步发展我们的实验室课程。我们评估我们的方法使用标准的有效性(广泛)和小说(特定的)工具,重点会议我们确定的学习成果,并培养一种手段让学生确定自己是self-efficacious科学家。
MBGE跑第一次在2017年,我们的评估数据显示学生成功地满足了所有六个课程的学习成果的结论。每年我们重新评估课程和选择研究的焦点问题,荣誉的探索性质的研究。这些研究问题是制定由壳牌实验室正在进行的研究,我们的交货是指导基于我们从以前的产品和评估课程的。到目前为止我们有利用三个独特的研究核心,所有的会议学习成果的完成我们的目标,进行真实的研究,支持学生进行科学探究的能力的信心。项目保留真实性,长寿,并提供初步的数据和/或方法用于赞助夏末研究、独立研究、高级顶石研究、旋转和论文项目,研究生和博士后项目。值得注意的是,一个学生课程明矾co-first作者在同行评议的研究出版物的壳牌实验室专注于5 'utrs分枝杆菌基因表达调控的作用(阮et al ., 2020)。在其2022年首次发行,CRISPRi-based推力产生了一系列sgRNA-expressing质粒m . smegmatis菌株,利用壳牌实验室和未来迭代内的推力。RNA-focused版本正在开发的主要输出用夹板固定住结扎手术融合DNA适配器到特定的记录。综上所述,结果,材料,和协议MBGE实验室课程内产生广泛的科学价值和实用性。
免费网络平台Benchling进口、创建、编辑、注释和分析DNA序列是适合一个上层分子生物学实验室课程。学生和教学人员还发现笔记本功能Benchling直观的和适当的。我们每一对学生创建一个Benchling项目和合资的笔记本。这种方法符合合作性质的研究,存在序列的可移植性与壳牌的类和存档分享实验室,和适应实验室笔记本评分。
独特的情况下实施的流行让我们分离湿实验室实践技能和概念,提供独特的洞察学生吸收和利用提供的信息完成课程。远程数据表明概念都集中在提升学生学习到相当水平,面对面的教学。不出所料,技能发展被证明是减少仅仅远程环境中操作。我们查看我们的数据之间的一致性和逻辑技能是最好的以自己喜欢的方式教科学评估工具的有效性的证据。最近我们SCI转换为Qualtrics调查格式更好地提取数据和扩大其效用,并部署了额外的本科生和研究生实验室课程。关于评估,我们建议学生反思促使更多的明确指导学生提供响应,可以定性数据分析框架内编码。这可能更好的揭示什么学位学生自我评价获得的理解研究过程,和查看的协作特性科学工作是有价值的。学生可以利用反射从而提供一个评估的课程,除了他们最初的目的是评估一个学生如何能表达他们的研究项目目标、工作流程,和结果。
MBGE已6次,三个不同的研究重点研究基于一个活跃的教员。我们可以想象其他教员的研究企业在我们部门作为灵感来源(例如,克隆和测试金属细菌生物传感器)。除了分子生物学方法和应用程序中,我们使用一个类似的框架来创建一个“组织再生的细胞培养模型”实验室课程。我们设计这个课程每提供20上层的学生。关于可伸缩性,主要考虑更资源有限(教学能力和成本),而不是受制于实验探索的空间。我们确实感觉活动的流体性质研究过程需要直接指令的博士水平的科学家/教员。我们相信我们在座的策略是广泛适用于创建上层的研究经验有效地开发和激励更多的学生比单独研究实验室的科学家可以容纳。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。
作者的贡献
党卫军构想的研究项目。LR和学生设计的实验和写的手稿。LR物流设计,选择和管理评估,教这门课。所有作者的文章和批准提交的版本。
资金
这项工作的部分支持由NSF事业奖1652756党卫军。
确认
我们感谢WPI生物学和生物技术部门支持这项努力。我们感谢壳牌实验室成员过去和现在的技术援助和有益的讨论。我们感谢亚历山大·普特南与克隆援助。我们真诚地感谢研究生和本科教学助理谁促进本课程的教学。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
补充材料
本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2022.1025250/full补充材料
引用
Auchincloss, l . C。劳尔森,s . L。,Branchaw, J. L., Eagan, K., Graham, M., Hanauer, D. I., et al. (2014). Assessment of course-based undergraduate research experiences: a meeting report.CBE生命科学。建造。13日,29-40。doi: 10.1187 / cbe.14 - 01 - 0004
Benchling生物学软件。(2022)。可以在:benchling.com(2022年8月21日通过)。
凯特,N。,Coller, J., and Goldstrohm, A. (2011). A quantitative assay for measuring mRNA decapping by splinted ligation reverse transcription polymerase chain reaction: qSL-RT-PCR.核糖核酸17日,535 - 543。doi: 10.1261 / rna.2436411
Buckholt, m·A。,罗伯茨,洛杉矶。,Whitefleet-Smith, J. A., and Rulfs, J. (2022). Redesigning undergraduate labs: from recipes to research.误判率。j .国米Multidiscip。钉。接受发表。(新闻)
Celesnik, H。Deana,。,Belasco, J. G. (2008). PABLO analysis of RNA: 5′-phosphorylation state and 5′-end mapping.Enzymol方法。447年,83 - 98。doi: 10.1016 / s0076 - 6879 (08) 02205 - 2
colletta, v P。,Steinert, J. J. (2020). Why normalized gain should continue to be used in analyzing preinstruction and postinstruction scores on concept inventories.理论物理。启。建造。Res。16:010108。doi: 10.1103 / PhysRevPhysEducRes.16.010108
科文,洛杉矶。鲁尼恩,C。,Robinson, A., and Dolan, E. L. (2015). The laboratory course assessment survey: a tool to measure three dimensions of research-course design. CBE life.科学。建造。14:ar37。doi: 10.1187 / cbe.15 - 03 - 0073
Davidovitch: (2013)。教学的教学和转移知识教学技能中落后的课程设计。j . Int,建造。Res。9日,329 - 338。doi: 10.19030 / jier.v9i4.8084
叮,Y。,Chan, C. Y., and Lawrence, C. E. (2004). Sfold web server for statistical folding and rational design of nucleic acids.核酸Res。32,W135-W141。doi: 10.1093 / nar / gkh449
Ehrt, S。,Guo, X. V., Hickey, C. M., Ryou, M., Monteleone, M., Riley, L. W., et al. (2005). Controlling gene expression in mycobacteria with anhydrotetracycline and Tet repressor.核酸Res。33:e21。doi: 10.1093 / nar / gni013
豪斯曼,S。,Gonzalez, D., Geiser, J., and Valentini, M. (2021). The DEAD-box RNA helicase RhlE2 is a global regulator of铜绿假单胞菌生活方式和发病机理。核酸Res。49岁,6925 - 6940。doi: 10.1093 / nar / gkab503
希克斯:D。杨,J。,Zhang, X., Zhao, B., Grad, Y. H., Liu, L., et al. (2018). Clinically prevalent mutations in mycobacterium tuberculosis alter propionate metabolism and mediate multidrug tolerance.Microbiol Nat。3,1032 - 1042。doi: 10.1038 / s41564 - 018 - 0218 - 3
贾德,j . A。,Canestrari, J., Clark, R., Joseph, A., Lapierre, P., Lasek-Nesselquist, E., et al. (2021). A mycobacterial systems resource for the research community.MBio12:e02401。doi: 10.1128 / mBio.02401-20
Kapopoulou,。卢,j . M。,Cole, S. T. (2011). The MycoBrowser portal: a comprehensive and manually annotated resource for mycobacterial genomes.肺结核(Edinb)。91年,8日至13日。doi: 10.1016 / j.tube.2010.09.006
Khemici, V。,Linder, P. (2016). RNA helicases in bacteria.咕咕叫。当今。Microbiol。30日,58 - 66。doi: 10.1016 / j.mib.2016.01.002
马提尼,m . C。希克斯:D。肖,J。,Alonso, M. N., Barbier, T., Sixsmith, J., et al. (2022). Loss of RNase J leads to multi-drug tolerance and accumulation of highly structured mRNA fragments in mycobacterium tuberculosis.公共科学图书馆Pathog。18:e1010705。doi: 10.1371 / journal.ppat.1010705
阮,t·G。,Vargas-Blanco, D. A., Roberts, L. A., and Shell, S. S. (2020). The impact of Leadered and leaderless gene structures on translation efficiency, transcript stability, and predicted transcription rates in分枝杆菌smegmatis。j . Bacteriol。202:e00746。doi: 10.1128 / JB.00746-19
罗伯茨,洛杉矶。,Shell, S. S. (2022). Teaching the skills and concepts of gene expression analysis during COVID-19.bioRxiv。doi: 10.1101 / 2022.06.28.497969
岩石,j . M。,Hopkins, F. F., Chavez, A., Diallo, M., Chase, M. R., Gerrick, E. R., et al. (2017). Programmable transcriptional repression in mycobacteria using an orthogonal CRISPR interference platform.Microbiol Nat。2:16274。doi: 10.1038 / nmicrobiol.2016.274
Rodenbusch s E。,Hernandez, P. R., Simmons, S. L., and Dolan, E. L. (2016). Early engagement in course-based research increases graduation rates and completion of science, engineering, and mathematics degrees.CBE生命科学。建造。15:ar20。doi: 10.1187 / cbe.16 - 03 - 0117
塞缪尔,m . L。,Ordonez, H., and Shuman, S. (2015).分枝杆菌smegmatis他是一个RNA-activated腺苷三磷酸酶/ dATPase和3′- 5的解旋酶展开3 '尾随RNA工器和RNA: DNA杂交。j . Bacteriol。197年,3057 - 3065。doi: 10.1128 / JB.00418-15
Vasilyev, N。高,。,Serganov, A. (2019). Noncanonical features and modifications on the 5′-end of bacterial sRNAs and mRNAs.威利Interdiscip。启RNA10:e1509。doi: 10.1002 / wrna.1509
Wattam, a。R。亚伯拉罕,D。延迟,O。,Disz, T. L., Driscoll, T., Gabbard, J. L., et al. (2014). PATRIC, the bacterial bioinformatics database and analysis resource.核酸Res。42岁的D581-D591。doi: 10.1093 / nar / gkt1099
关键词:真实的研究、本科实验教学评估,分子生物学,CRISPRi, RNA,基因表达,Mycolicibacterium smegmatis
引用:罗伯茨LA和壳牌SS(2023)研究program-linked course-based本科研究经验,允许本科生参与当前的分枝杆菌基因调控的研究。前面。Microbiol。13:1025250。doi: 10.3389 / fmicb.2022.1025250
编辑:
黛维达史密斯美国德州农工大学圣安东尼奥版权©2023罗伯茨和外壳。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:路易斯·安东尼·罗伯茨
laroberts@wpi.edu