DNA-lab dag Derde landelijke DNA-LAB DAG vrijdag 9 maart 2012, Hogeschool Domstad (Utrecht)
Programma
De 100.000e leerling! Hartelijk welkom op de derde landelijke DNA-lab dag, de conferentie voor docenten en TOA’s over de Reizende DNA-labs en de life sciences. Vandaag heeft u natuurlijk uitgebreid de gelegenheid om kennis te maken met de practica van onze zes DNA-labs. Daarnaast bieden we u een breed scala aan inhoudelijke en didactische workshops, waarvan sommige vergezeld gaan van kant-en-klaar lesmateriaal dat u zo in uw klassen kunt gebruiken. Tenslotte, maar niet in de laatste plaats, hebben wij twee toponderzoekers uitgenodigd die u bijpraten met ‘verse’ wetenschap. Professor Marileen Dogterom onthult de laatste bevindingen over nanofysische processen in levende cellen. Aan het eind van de middag zal kersverse hoogleraar Cecile Janssens voor u zin van onzin onderscheiden op het gebied van personal genome testing. 2
De Reizende DNA-labs zijn, sinds ze zes jaar geleden van start gingen, een doorslaand succes. We hebben becijferd dat we van alle leerlingen die biologie in bovenbouw havo/vwo volgen, circa 35% bereiken. Inmiddels zijn we ook het magische aantal van 100.000 deelnemers al gepasseerd. Uiteraard zijn we er niet alleen voor biologen, maar ook voor docenten en leerlingen scheikunde en NLT. En we bereiken ook nieuwe groepen leerlingen. De – veelal jongere – bezoekers van het Science Centre Delft kunnen nu ook aan het Delftse DNA-lab meedoen. Voor technisch rechercheurs in opleiding verzorgen we sinds twee jaar een forensisch DNA-lab. Tenslotte zijn we bezig met het ontwikkelen van lesmodules voor vmbo. Vandaar dat deze editie van de DNA-labdag ook initiatieven aan bod komen die voor vmbo- en onderbouwdocenten interessant zijn. Ik wens u een prettige en leerzame dag! Frans van Dam, coördinator Reizende DNA-labs
Inhoudsopgave Voorwoord
2
Dagprogramma
4
Workshopprogramma
5
Beschrijving per onderdeel
8
Dagprogramma
4
09.00 – 09.30
ontvangst
09.30 – 09.50
welkomstwoord Frans van Dam (dagvoorzitter)
09.50 – 10.35
openingslezing Marileen Dogterom
(FOM Instituut AMOLF)
10.45 – 12.15
workshopronde 1
12.15 – 13.20
lunch en markt
13.20 – 14.50
workshopronde 2
15.05 – 15.50
slotlezing Cecile Janssens (Erasmus UMC)
15.50 – 15.55
dankwoord Frans van Dam
16.00 – 17.00
borrel
Workshopronde 1 | 10.45 - 12.15
Workshopronde 2 | 13.20 - 14.50
W01. Bioinformatica: leven in de computer (practicum)
W01. Bioinformatica: leven in de computer (practicum)
W02. Forensisch DNA-onderzoek: puzzelen met pieken
W02. Forensisch DNA-onderzoek: puzzelen met pieken
(practicum)
(practicum)
W03. Gezond of ziek: een vouwtje verkeerd (practicum)
W03. Gezond of ziek: een vouwtje verkeerd (practicum)
W04. Lees de taal van de tumor (practicum)
W04. Lees de taal van de tumor (practicum)
W05. ‘Prenataal’ onderzoek bij planten (practicum)
W05. ‘Prenataal’ onderzoek bij planten (practicum)
W06. Racen met WC-papier (practicum)
W07. Yeast Energy (practicum)
W08. Stotterend DNA en schizofrenie (inhoudelijke
W09. Hallmarks of cancer
workshop) W12. Battle of the Genes: de strijd tegen aardappelziekte (inhoudelijke workshop) W13. DNA als bouwmateriaal: zelfvouwende origami en slimme lijm op nanoschaal (inhoudelijke workshop) W14. Zelf aan de slag met DNA-practica (praktische/ didactische workshop) W18. Moordmysterie in de onderbouw (didactische workshop) W19. Bioinformatica in de klas (didactische workshop)
5
(inhoudelijke/didactische workshop) W10. Genetische testen; omgaan met onzekerheid (inhoudelijke/didactische workshop) W11. Wat DNA ons leert over het voortplantingsgedrag van dieren (inhoudelijke workshop) W15. Ruimte voor genomics op het vmbo (didactische workshop) W16. Leren door te doen: DNA-processen simuleren in de klas (didactische workshop) W17. De eiwitscanner: een lespakket met augmented reality (didactische workshop) 5
L1. Nanofysica in de levende cel (lezing) Marileen Dogterom
In levende cellen zetten moleculaire machines chemische energie om in mechanische krachten die voor allerlei vormen van transport zorgen. Een belangrijk voorbeeld is het transport van chromosomen die tijdens de celdeling heel gericht naar de juiste plek in de cel verplaatst dienen te worden. De krachten die hiervoor nodig zijn worden opgewekt door zelfassemblage van lange stevige eiwitdraden (zogeheten cytoskeletpolymeren) en het wandelen van moleculaire motoren langs deze zelfde draden. Fysici slagen er sinds het eind van de vorige eeuw in om het fysisch gedrag van deze moleculaire machines op het niveau van een enkel molecuul, dus op nanoschaal, te bestuderen. Een populaire techniek die daarbij gebruikt wordt is het optisch pincet, waarbij met behulp van een laserbundel een glazen bolletje kan worden vastgepakt. Dit maakt het mogelijk om krachten in de orde van enkele piconewton te meten.
6
Marileen Dogterom is hoofd onderzoeksgroep Systems Biophysics, FOM Instituut AMOLF (Amsterdam)
L2. Zin en onzin van personal genome testen (lezing) Cecile Janssens
Diverse websites nodigen u uit om tegen vergoeding uw DNA te onderzoeken op risico’s voor meer of minder ernstige ziektes, verwantschap met anderen of herkomst van uw voorgeslacht. Kennis over je eigen genoom wordt aangeprezen als nuttig voor je leefstijlkeuze, maar ook als een soort kennis van je ‘wezenlijke zelf’. Hebben dergelijke personal genome testen eigenlijk zin? Of, andersom geredeneerd, kunnen dit soort testen kwaad? Cecile Janssens, hoogleraar translationele epidemiologie aan het Erasmus Universitair Medisch Centrum zal deze vragen uitgebreid toelichten, onder andere aan de hand van haar eigen testresultaten. Voor wie zelf alvast eens een kijkje wil nemen:
7
https://www.23andme.com http://www.dnadirect.com http://www.decodediagnostics.com http://www.mygenome.com http://www.knome.com http://www.verilabs.nl
Cecile Janssens is hoogleraar translationele epidemiologie, Erasmus UMC (Rotterdam)
Workshops 8
Workshops
W01. Bioinformatica: leven in de computer (practicum)
W02. Forensisch DNA-onderzoek: puzzelen met pieken (practicum)
Studenten | Radboud Universiteit Nijmegen, in samenwerking met het Netherlands Bioinformatics Centre (NBIC)
Gerrianne van der Velde | ontwikkelaar en coördinator van dit Reizend DNA-lab, werkzaam voor Forensic Genomics Consortium Netherlands/ Its Academy Kim van den Bogaert | masterstudent Forensic Science, Universiteit van Amsterdam Michelle Claushuis | masterstudent Forensic Science, Universiteit van Amsterdam
Biologisch onderzoek anno 2012. Reageerbuisjes en erlenmeyers worden nog steeds gebruikt, maar inmiddels behoren ook snelle computers en handige software tot het instrumentarium van de bioloog. Wetenschappers over de hele wereld zijn via internet met elkaar verbonden. Enorme databanken vol informatie over genen en eiwitten, 3D-structuren en genomen, zijn het resultaat van deze samenwerking. Zo worden met behulp van de computer allerhande biologische, medische en biochemische problemen opgelost. Wetenschappers ontdekken verbanden tussen genen en ziektebeelden die voorheen verborgen bleven. Kortom, computers zijn niet meer weg te denken, als het gaat om moleculair onderzoek. Bij het Reizende DNA-lab Bioinformatica: leven in de computer krijgen uw leerlingen de kans om de computer te gebruiken voor het oplossen van biologische problemen. In de basisvariant van het practicum leggen leerlingen het verband tussen mutaties in het DNA en de fysieke consequenties daarvan op een eiwit van het oog. Met (professionele) 3D-modelling software kunnen leerlingen zelf de mutaties uit het DNA invoeren in een eiwit en zien zij waarom het eiwit niet meer kan functioneren. In de expertvariant identificeren leerlingen een mysterieus eiwit met behulp van eiwit databanken. Daarna ‘ontwerpen’ ze zelf een medicijn met behulp van de 3D-modelling software. In deze workshop maakt u kennis met de mogelijkheden van dit DNAlab en de inleidende en afsluitende lessen die daar op aansluiten. U doorloopt zelf (delen van) het practicum, zowel van de basis- als de expertvariant.
Drie mannen hebben een supermarkt overvallen. De drie mannen dragen bivakmutsen om niet herkend te worden. Twee mannen, vermoedelijk twee van de overvallers, worden kort na de overval aangehouden. De politie vindt een bivakmuts in de buurt van de supermarkt. Met deze casus gaat u in deze workshop aan de slag als forensisch DNA- 9 onderzoeker. U zult ervaren dat forensisch onderzoek in de realiteit niet zo makkelijk gaat als in de populaire televisieserie Crime Scene Investigation (CSI). Het is de bedoeling dat u aan het eind van de workshop een objectieve rapportage schrijft aan de Officier van Justitie over het DNA-bewijs dat bij de hierboven beschreven overval gevonden is. Dit rapport kan vervolgens worden gebruikt als bewijsstuk in de rechtszaal. Om de rapportage te kunnen schrijven moet de gevonden bivakmuts worden onderzocht met forensische lichtbronnen en moet bepaald worden uit welk celmateriaal de sporen bestaan die gevonden zijn. Uit de sporen wordt vervolgens DNA geïsoleerd. Met het geïsoleerde DNA wordt een PCR uitgevoerd en uiteindelijk worden, met behulp van capillair gel-elektroforese, echte DNA-profielen gemaakt. Daarna begint het puzzelen met de pieken van de DNA-profielen. Als de resultaten zijn bekeken wordt een vergelijkend DNA-onderzoek uitgevoerd en zal de zeldzaamheidswaarde van de DNA-profielen worden berekend.
Dit Reizende DNA-lab reist drie dagen per week door Nederland. De overige dagen is dit lab te volgen op de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast wordt dit DNA-lab ook ingezet in een opleiding voor technisch rechercheurs. Deze workshop is extra interessant voor docenten en TOA’s die naast biologie of scheikunde ook NLT geven.
W03. Gezond of ziek: een vouwtje verkeerd (practicum) Patrick Voskamp | Universiteit Leiden Studenten | Universiteit Leiden Ons DNA, of genoom, bevat gecodeerde informatie voor het maken van eiwitten, in de vorm van genen. Veranderingen (mutaties) in een bepaald 10 gen kunnen leiden tot veranderingen in het betreffende eiwit en deze kunnen ziekte tot gevolg hebben. Voor het goed kunnen uitoefenen van zijn werk moet een eiwit zich namelijk op een specifieke wijze opvouwen. Als gevolg van mutaties worden dikwijls andere aminozuren ingebouwd in de (primaire) eiwitstructuur. Mutaties verstoren daarmee het vouwproces, waardoor verkeerd gevouwen eiwitten ontstaan. Ziekten als cystische fibrose (taaislijmziekte), de ziekte van Alzheimer, maar ook kanker, kunnen veroorzaakt worden door verkeerd gevouwen eiwitten. U maakt tijdens deze workshop kennis met technieken en demonstraties om ‘gezonde’ en ‘zieke’ eiwitten in cellen op te sporen en van elkaar te onderscheiden. Ook voert u zelf een aantal essentiële stappen uit die aan de orde komen bij de bepaling van eiwitstructuren. Kortom, u volgt het practicum van het Reizende DNA-lab Gezond of ziek: een vouwtje verkeerd, zoals dat momenteel op scholen in het voortgezet onderwijs in heel Nederland wordt gegeven. Tenslotte maakt u kort kennis met de inleidende en afsluitende lessen die bij dit DNA-lab horen.
W04. Lees de taal van de tumor (practicum) Ragna Senf | Biomedische Wetenschappen, Universiteit Utrecht Studenten | Universiteit Utrecht Kanker is een ziekte van het DNA. Als er fouten in het DNA ontstaan, kan een gezonde cel ontsporen en zich ontwikkelen tot een tumorcel. DNA-onderzoek speelt dan ook een steeds grotere rol bij het bepalen van de juiste behandeling van kankerpatiënten. In deze workshop gaat u zelf aan de slag als DNA-onderzoeker. Aan u de taak te bepalen welke fouten er in het DNA van de tumorcellen van de patiënt zitten en een advies over de behandeling uit te brengen aan de arts. Ter illustratie worden twee dierlijke tumoren getoond. Vervolgens isoleert u zelf DNA uit weefsel. Om de vraag van de arts te beantwoorden, vergelijkt u DNA van tumorcellen met DNA van gezonde cellen met behulp van de PCR-techniek en gelelektroforese. U onderzoekt drie verschillende genen om erachter te komen welke mutaties de tumor veroorzaakt hebben. Aan de hand van deze mutaties komen verschillende behandelmethoden aan bod. Chirurgie, chemotherapie en bestraling worden besproken, maar daarnaast wordt ook ingegaan op de behandeling van de toekomst. Doelgerichte therapie, ook wel therapie op maat genoemd, zal bij steeds meer patiënten worden toegepast. Aan de hand van de gevonden mutaties kan een specifieke therapie worden ingezet, die effectiever is en minder bijwerkingen heeft.
W05. ‘Prenataal’ onderzoek bij planten
W06. Racen met WC-papier
(practicum)
(practicum)
Sven van den Elsen | Laboratorium voor Nematologie, Wageningen University Paul Mooyman | Laboratorium voor Nematologie, Wageningen University
Richard Groen | Technische Universiteit Delft Studenten | Technische Universiteit Delft
In dit practicum staan we stil bij de ‘oude’ of klassieke en ‘nieuwe’ of moderne manier van plantenveredeling. Door kruising van planten met bepaalde gewenste eigenschappen kunnen nieuwe planten worden gekweekt die alle gewenste eigenschappen bezitten. Zo worden rassen met de beste kwaliteit, de hoogste opbrengst en de minste gevoeligheid voor ziekten veredeld. Met het gebruik van de klassieke veredelingstechnieken kan het jaren duren voordat een nieuwe soort geïntroduceerd kan worden. Dit proces kan tegenwoordig aanzienlijk versneld worden door gebruik te maken van moleculair genetisch onderzoek. Beide manieren van plantenveredeling komen in dit practicum aan bod. De ontwikkelaar van het Reizende DNA-lab ‘Prenataal’ onderzoek bij planten laat u kennis maken met de technieken uit dit practicum, waarin zaailingen worden getest op de aanwezigheid van resistentiegenen tegen ziekteverwekkers. Net als bij het practicum zoals dat op school wordt gegeven, wordt DNA geïsoleerd en klaargemaakt voor PCR. Het product wordt vervolgens geanalyseerd op een gel. Ook maakt u kort kennis met de inleidende en afsluitende lessen die bij dit DNA-lab horen.
Er bestaat één micro-organisme waarvan al duizenden jaren bekend is dat het in staat is uit glucose ethanol te maken. Dit organisme, Saccharomyces cerevisiae (bakkersgist), kan daarmee ook worden ingezet bij de productie van bio-ethanol uit suikers. Momenteel wordt bio-ethanol op grote schaal verkregen door het vergisten van bijvoorbeeld suikerriet, suikerbiet, maïs, tarwe of gerst. Glucose valt vrij gemakkelijk uit deze planten te winnen. We spreken hier van een biobrandstof van de eerste generatie. Biobrandstoffen die niet aan voedsel gerelateerd zijn worden meestal de tweede generatie genoemd. Deze brandstoffen kunnen gewonnen worden uit bijvoorbeeld wilgen, houtsnippers, stro, afval, et cetera. Kortom: de niet-eetbare delen van plantaardig materiaal. In deze delen van de plant bevinden zich veelal 11 suikersoorten als cellulose, lignine en xylose. Om de ethanolopbrengst uit dergelijk plantenmateriaal te verhogen zou bakkersgist dus ook de andere suikers, zoals bijvoorbeeld xylose, moeten kunnen omzetten. Onderzoekers van de TU Delft is het gelukt om door genetische modificatie een ‘supergist’ te maken dat ook in staat is om xylose in ethanol om te zetten. Tijdens het praktische gedeelte van deze workshop maken de deelnemers zelf bio-ethanol uit wc-papier met behulp van een mix van verschillende cellulases en bakkersgist. Bij de fermentatie van glucose ontstaat naast bioethanol ook CO2. Iedere deelnemer krijgt een andere verhouding wc-papier/ gist. De vraag is natuurlijk wie de beste verhouding heeft om snel een grote hoeveelheid bio-ethanol te produceren. Het wordt een spannende race! Het Reizende DNA-lab Racen met WC-papier is inmiddels integraal opgenomen in een module voor het nieuwe scheikundeonderwijs voor 4 vwo. Exemplaren van deze module liggen tijdens de workshop ter inzage.
W07. Yeast Energy Richard Groen | Technische Universiteit Delft
lende grondstoffen. In een spannende race wordt uiteindelijk duidelijk welke grondstoffen het hoogste rendement leveren. Naast een aantal maatschappelijke vraagstukken, komen ook biologische onderwerpen als de structuur van suikers, enzymatische reacties, stofwisseling en genetische modificatie aan bod.
In deze workshop maakt u kennis met een aangepaste versie van het Reizende DNA-lab Racen met WC-papier, zoals die in het Science Centre Delft momenteel wordt gegeven. Dit practicum is zeer geschikt voor onderbouw- en vmbo-leerlingen.
W08. Stotterend DNA en schizofrenie
(practicum)
Momenteel wordt er wereldwijd op grote schaal bio-ethanol uit plantaardige suikers geproduceerd. Er is alleen één nadeel: het gist dat hiervoor gebruikt wordt kan alleen losse glucosemoleculen in de cel opnemen. In verschillende delen van een plant zijn namelijk verschillende suikers te vinden. In de eetbare delen van de plant worden veel losse glucosemoleculen en glucosemoleculen in de vorm van zetmeel gevonden. 12 Het is vrij simpel om deze vormen van glucose in water op te lossen. Daartegenover wordt er in niet-eetbare (vaak houtachtige) delen van een plant veelal glucose gevonden in de vorm van cellulose. In deze vorm blijkt glucose vrij lastig op te lossen. Het is echter wel mogelijk om met behulp van het enzym cellulase de cellulose af te breken tot losse glucosemoleculen. De grote uitdaging bij de productie van bio-ethanol blijkt het behalen van een hoog rendement bij relatief lage productiekosten. Hierbij is bijvoorbeeld de keuze van de grondstof erg belangrijk. Is het wel verantwoord om eetbare delen van de plant te gebruiken, aangezien er dan concurrentie optreedt met de voedselmarkt? Of is het toch beter om niet-eetbare delen van de plant te gebruiken, ondanks dat hiervoor dure enzymen nodig zijn? Zijn er andere mogelijkheden om het rendement te verhogen? Tijdens dit practicum maken deelnemers zelf bio-ethanol uit verschil-
(inhoudelijke workshop) Jacobine Buizer-Voskamp | onderzoeker bij het UMC Utrecht, afdeling Psychiatrie Neuropsychiatrische aandoeningen zoals schizofrenie, autisme en bipolaire stoornis hebben een grote impact op de samenleving. Het functioneren van patiënten wordt sterk beïnvloed op terreinen zoals werk, relaties en zelfverzorging. Het risico om gedurende het leven een psychiatrische stoornis te ontwikkelen is in Nederland ongeveer 43%. De meest voorkomende psychiatrische diagnoses zijn stemmings- en angststoornissen. Ongeveer 1 op de 100 mensen ontwikkelt gedurende zijn leven schizofrenie. Dit risico neemt sterk toe wanneer men schizofrene ouders heeft, of een broer of zus met de ziekte. Schizofrenie is een complexe aandoening: het is duidelijk dat meerdere genetische factoren in combinatie met omgevingsfactoren een rol spelen bij het ontstaan van de ziekte. Bovendien verschillen patiënten ook wat betreft de symptomen die optreden. Bij schizofrene patiënten komt vaker ‘stotterend’ DNA voor. Het patroon van erfelijk materiaal is niet regelmatig. Delen van het genoom kunnen in meer of minder kopieën aanwezig zijn dan de gebruikelijke twee. Deze verschillen in het aantal kopieën worden CNVs (Copy Number Varianten) genoemd. CNVs vormen een belangrijk onderwerp voor genetisch onderzoek naar neuropsychiatrische ziekten.
In deze workshop vergelijken we het genoom van schizofrenie patiënten met dat van gezonde controlepersonen. We zullen bespreken op welke wijze we DNA kunnen onderzoeken, en wat de betekenis is van eventuele verschillen in DNA tussen patiënten en controlepersonen. Daarnaast zullen we kijken naar één specifieke omgevingsfactor – de leeftijd van de ouders ten tijde van de geboorte van hun kind – en de invloed daarvan op het ontstaan van psychiatrische ziekten in het kind. Ten slotte onderzoeken we of er een direct verband kan zijn tussen de leeftijd van ouders en het totaal aan CNVs in het kind.
W09. Hallmarks of cancer (inhoudelijke/didactische workshop) Robert Tatsis | docent biologie, voormalig coördinator van het DNA-lab Lees de taal van de tumor In deze workshop wordt u op de hoogte gebracht van recente inzichten in het ontstaan van tumoren en hoe deze inzichten kanker als context in het biologieonderwijs kunnen versterken. De ‘hallmarks’ zijn tien eigenschappen die tumorcellen gemeen hebben en die door opeenvolgende mutaties verworven zijn. In het Reizende DNAlab Lees de taal van de tumor komen drie van deze mutaties aan de orde. De hallmarks of cancer bieden een uitstekende context om meerdere concepten uit het biologiecurriculum aan te leren. In deze workshop laten we zien hoe ze gebruikt kunnen worden voor zowel onderwerpen binnen de hoofdstukken over DNA, als bij andere onderwerpen, zoals evolutie.
W10. Genetische testen; omgaan met onzekerheid (inhoudelijke/didactische workshop) Dirk Jan Boerwinkel | Freudenthal Instituut voor didactiek van wiskunde en natuurwetenschappen (Utrecht) Lidewij Henneman | docent en onderzoeker bij de sectie Community Genetics (VU Medisch Centrum, Amsterdam) Een belangrijke context waarin genetisch onderzoek tot nieuwe vragen leidt is genetisch testen. Voorheen was dit een puur medische praktijk waarin gezocht werd naar enkele zeldzame monogenetische aandoeningen, met het doel de juiste diagnose te stellen en een passende therapie te vinden. Tegenwoordig zijn voor vele ziekten genetische componenten gevonden waarbij genetische testen een risico op een ziekte kunnen aangeven, en de ziekte soms te voorkomen is door veranderingen in de leefstijl. Mogelijk hoort in een niet zo verre toekomst een complete genoomsequentie tot standaard medische praktijk. Dat leidt 13 tot allerlei vragen over de waarde van genetische testen, de toepassing ervan in toelating tot bepaalde sporten, beroepen of verzekeringen, en het gebruik van testen die buiten het medische circuit via internet te verkrijgen zijn. In deze workshop gaan we eerst na wat allemaal onder een genetische test verstaan kan worden, welke praktijken momenteel in Nederland bestaan en welke in de toekomst te verwachten zijn. Vervolgens gaan we aan de hand van concept leerlingenmateriaal na hoe we in het voortgezet onderwijs leerlingen kunnen voorbereiden op deze ontwikkelingen.
W11. Wat DNA ons leert over het voortplantingsgedrag van dieren (inhoudelijke workshop) Ken Kraaijeveld | onderzoeker bij het Leiden Genome Technology Center DNA-onderzoek leert ons veel over onszelf als individu en over onze eigen soort in het algemeen. Denk bijvoorbeeld aan forensisch en medisch onderzoek. Maar met dezelfde technieken kunnen we ook veel te weten komen over andere levende wezens en wat die allemaal doen. In deze lezing zal ik een aantal voorbeelden geven uit mijn eigen onderzoek. DNA-onderzoek laat bijvoorbeeld zien dat zwanen helemaal niet zo monogaam zijn als altijd wordt beweerd. Ook fruitvliegen blijken vreemd te gaan, wat weer verrassende problemen met zich mee brengt voor ons als onderzoekers. Tenslotte zal ik laten zien hoe we door het 14 complete DNA van een sluipwesp af te lezen beter begrijpen waarom de meeste organismen zich seksueel voortplanten. De techniek Next Generation Sequencing komt hierbij uitgebreid aan de orde.
W12. Battle of the Genes: de strijd tegen aardappelziekte (inhoudelijke workshop) Bert Lotz | teamleider toegepaste ecologie bij Plant Research International (Wageningen Universiteit), één van de auteurs van de NLT-module ‘Battle of the Genes’ Francine Govers | hoogleraar bij het Laboratorium voor Fytopathologie van Wageningen University, en Programme Director bij het Centre for BioSystems Genomics Niet eens zo heel lang geleden kende Noordwest Europa hongersnood. Rond 1845 verwoestte Phytophthora infestans in een rap tempo aardappelvelden, met jaren van slechte oogsten als gevolg. Vooral Ierland werd zwaar getroffen door deze aardappelziekte. Ruim 1,5 miljoen Ieren emigreerden naar de Verenigde Staten om de honger te ontvluchten. Maar ook nu nog is het elke zomer ‘strijd’ tussen de boeren en deze ziekte. Wereldwijd loopt de schade, in termen van oogstverliezen en kosten voor bestrijding, in de miljarden euro’s. Daarom zijn ‘gene hunters’ aan het werk om met behulp van genomics de aardappelziekte beter onder controle te krijgen. In het DNA van de aardappel proberen ze de stukken DNA aan te wijzen die de plant kunnen helpen bij de strijd tegen de aardappelziekte. Met resistentiegenen uit wilde aardappelen uit de Andes, en monitoring van de Phytophthora populatie in aardappelvelden, wordt de aardappelziekte waarschijnlijk binnen afzienbare tijd beheersbaar. De laatste jaren is het steeds meer doenlijk – en beter betaalbaar – geworden om het DNA van organismen als aardappel, Phytophthora of tomaat te sequencen met technologie die nano(bio)technologie combineert met grootschalige parallelle bepalingen. Voor de bioloog betekent dat wennen aan immens grote getallen. In de workshop komt de werking van de modernste DNA-sequencing technologieën ter sprake. De combinatie van DNA-sequencing met klassieke genetica en andere ‘omics’
bepalingen (transcriptomics, proteomics, metabolomics) heeft geresulteerd in een benadering die ‘genetische genomica’ wordt genoemd. De workshop geeft een kijkje in de keuken van deze hypermoderne, en tegelijk meer geïntegreerde manier van analyseren van een biologisch systeem. Deze aanpak komt op een verrassende manier tegemoet aan de roep van veel onderzoekers om een minder reductionistische, meer ‘systeembiologische’ benadering van biologisch onderzoek. Na inleidingen over de hierboven beschreven ontwikkelingen in (en toepassingen van) DNA-technologie in met name de plantenveredeling, zullen Bert Lotz en Francine Govers een interactieve discussie leiden over de ethische aspecten die daaraan verbonden zijn. Deze discussie is tevens een demonstratie van de meningsvormende component van de NLT-module Battle of the Genes.
W13. DNA als bouwmateriaal: zelfvouwende origami en slimme lijm op nanoschaal (inhoudelijke workshop) Mirjam Leunissen | leider onderzoeksgroep Supramolecular interactions, FOM Instituut AMOLF (Amsterdam) Het onderzoek van Mirjam Leunissen richt zich op nieuwe materialen die zich spontaan vormen uit kleine bouwstenen. Deze zelforganiserende deeltjes zijn een nanometer tot een micrometer groot. In water en andere vloeistoffen bewegen ze kriskras door elkaar heen doordat er van alle kanten vloeistofmoleculen tegenaan botsen. Soms komen ze dan vanzelf samen in grotere, geordende structuren met interessante materiaaleigenschappen. Door bijvoorbeeld kleine metaaldeeltjes met speciale optische of magnetische eigenschappen aan elkaar te plakken
zou je zo op een hele efficiënte manier nieuwe materialen kunnen maken die nuttig zijn voor toepassingen zoals zonnecellen en computers. In deze workshop wordt ingegaan op de opwindende nieuwe mogelijkheden die (synthetisch) DNA biedt om de zelforganisatie van micro- en nanodeeltjes te sturen, zodat ze daadwerkelijk de gewenste structuren vormen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de bekende wenteltrapstructuur van DNA en het principe van baseparing (de twee strengen ‘herkennen’ elkaar doordat de A’s van de ene streng aan de T’s van de andere streng binden, et cetera). DNA kan zo als een ‘slimme’ lijm gebruikt worden om heel doelgericht de juiste deeltjes aan elkaar te plakken. Als je enkelstrengs DNA-eindjes op het oppervlak van bepaalde deeltjes zet en verschillende lettercombinaties kiest, dan zal elk deeltje vanzelf zijn partner met het bijpassende DNA vinden. Een andere benadering maakt gebruik van het vouwvermogen van DNA. Korte, enkelstrengs ‘DNA-nietjes’ verbinden specifieke stukken van een hele lange streng DNA met elkaar, zodat deze zich spontaan 15 opvouwt tot een door de onderzoeker gekozen driedimensionale geometrische structuur - een soort zelfvouwende origami dus. Deze DNA-bouwwerken zorgen daarna voor de juiste organisatie van de nanodeeltjes, die voor de interessante materiaaleigenschappen zorgen. Met dit soort DNA-nanotechnologie is het ons onlangs zelfs gelukt om materialen te maken die zichzelf kunnen vermenigvuldigen, net zoals levende cellen dat doen.
W14. Zelf aan de slag met DNA-practica
W15. Ruimte voor genomics op het vmbo
(praktische/didactische workshop)
(didactische workshop)
Mariëlle van Workum | docent biologie en ANW (Christelijk Gymnasium Utrecht); daarnaast zeer ruime labervaring in moleculair biologische technieken
Horst Wolter | ontwikkelaar ‘genomics op het vmbo’, Cancer Genomics Centre en Freudenthal Instituut (Universiteit Utrecht) Tanja Klop | postdoctoraal onderzoeker aan de sectie Biotechnology & Society van TUDelft Gerrianne van der Velde | ontwikkelaar en coördinator van het Reizend DNA-lab Puzzelen met pieken, werkzaam voor Forensic Genomics Consortium Netherlands/Its Academy
Leerlingen kijken veel naar televisieseries als CSI (forensisch DNAonderzoek). Daarnaast zijn leerlingen ook geïnteresseerd in recombinant DNA-technologie, in tumorbiologie en in andere aspecten van DNA-onderzoek. Helaas blijft het in veel gevallen bij het bestuderen van de theorie uit het lesboek, terwijl leerlingen toch ook graag zelf met de handjes aan het werk willen. Een simpele DNA-isolatie uit de ui spreekt al erg tot de verbeelding. In deze workshop laat Mariëlle zien dat er op school wellicht meer mogelijkheden zijn om praktisch werk met DNA uit te voeren. Het doel is om de leerlingen zoveel mogelijk zelf te laten 16 doen. Dus liever geen commerciële kant-en-klare DNA-isolatiekits, als we met zelfgemaakte oplossingen ook uit de voeten kunnen. De insteek van deze workshop zal zijn om zelf een ‘simpele’ klonering uit te voeren, compleet tot en met de analyse. Vragen die aan bod komen zijn: waar zijn bruikbare (en relatief betaalbare) materialen te bestellen, welke apparatuur heb je nodig, welke andere benodigdheden zijn handig om in huis te hebben, met welke voorschriften moet je rekening houden? Technieken en begrippen die aan de orde komen zijn onder andere: exogeen DNA, restrictie-enzym analyse, vector, ligeren, transformatie van E. coli, bacteriegroei op agarplaten, amp resistentie, plasmide DNA-isolatie (Birnboim), DNA-precipitatie en analyse door middel van gelelektroforese.
In deze workshop presenteren we lesmateriaal over genomics dat speciaal is ontwikkeld voor het vmbo. De lesmodule De genen als glazen bol? gaat over genetische tests en sluit aan bij de eindterm ‘het inwinnen van genetisch advies’ die voor de examenprogramma’s voor vmbotl (CE) en vmbo-kb (SE) zijn vastgesteld. De afgelopen jaren zijn genetische technieken steeds sneller, goedkoper en nauwkeuriger geworden. Het aanbod van genetische tests is dan ook sterk toegenomen, zowel in de medische als in de commerciële sector. Dergelijke tests claimen dat ze op basis van DNA kunnen voorspellen wat de kansen zijn op het ontstaan van bepaalde ziektes, maar er worden soms ook uitspraken gedaan over talenten en andere eigenschappen. In het lesmateriaal wordt besproken hoe we om moeten gaan met de resultaten van zo’n test. Wat zeggen genen nu echt over onszelf en onze toekomst? En wíllen we dat wel weten? De leerlingen starten met een aantal persoonlijke verhalen van mensen die een genetische test hebben ondergaan. Daarna volgt een simulatie van een genetische test (hier isoleren leerlingen hun eigen DNA en bekijken ‘papieren genen’). Ter afsluiting maken de leerlingen zelf een keuze: zou ik een genetische test willen? De tweede helft van de workshop is gereserveerd voor een discussie over genomics en wetenschap in het vmbo. Wat moeten we bijvoorbeeld met onderwerpen als nanotechnologie en functionele voedingsmiddelen: fenomenen die toch voor alle (toekomstige) burgers relevant zijn. Steeds vaker wordt ook van wetenschappers verwacht dat zij zelf deze ontwikkelingen uitleggen aan een niet-wetenschappelijk publiek. Universiteiten richten zich daarbij vooral op havo en vwo. Voor het vmbo is minder aandacht. Komt dit door onbekendheid aan beide zijden? Samenwerking tussen wetenschap en vmbo: wat zijn de wensen en ideeën, de mogelijkheden en belemmeringen? Na afloop van de workshop krijgen de deelnemers het gepresenteerde lesmateriaal mee naar huis.
W16. Leren door te doen: DNA-processen simuleren in de klas (didactische workshop) Yuri Matteman | De Praktijk, natuurwetenschappelijk onderwijs Feike van der Leij | Lector Voeding en Gezondheid, Hogeschool Van Hall Larenstein Processen in de cel spelen zich af op minuscule schaal. De hoge mate van abstractie die kenmerkend is voor lessen over DNA ervaren veel leerlingen als lastig. Practica helpen daarbij enorm, omdat ze laten zien dat DNA manipuleerbaar is en te gebruiken in experimenten. Een grote meerwaarde heeft het gebruik van tastbare modellen, die leerlingen zelf kunnen vastpakken en waar ze mee kunnen ‘spelen’. Dit soort modellen geeft leerlingen echt inzicht in de uitgebeelde biologische processen. In deze workshop staan verschillende (tastbare) DNA-modellen centraal, van brugklas tot bovenbouw, van zeer eenvoudig tot meer gede- 17 tailleerd. Uiteraard gaat u zelf met deze modellen aan de slag. Aan bod komen in ieder geval: • Kraak de code: in deze les maken leerlingen voor het eerst kennis met DNA. Kern van de les is een puzzelactiviteit waarin leerlingen een uniek kralenkettinkje maken op basis van hun eigen persoonskenmerken. • Fok je ideale kip: deze opdracht maakt deel uit van lesmateriaal bij het cahier ‘Variatie in Vee’ van stichting Bio-wetenschappen en Maatschappij. Leerlingen fokken met behulp van ‘genenkaartjes’ hun ideale kip. • DNAbAND: met dit klittenbandmodel worden de eigenschappen van DNA op eenvoudige wijze tastbaar gemaakt: Welke eigenschappen van DNA zijn essentieel? En wat gebeurt er nu precies bij de replicatie van DNA?
W17. De eiwitscanner: een lespakket met augmented reality (didactische workshop) Hienke Sminia | educatief medewerker bij Netherlands Bioinformatics Centre (NBIC), coördinator van het project bioinformatics@school Met moderne technieken kan de werkelijkheid verrijkt worden met virtuele objecten. Klinkt dit futuristisch? Nee hoor, dit kan gewoon in uw klas! U hoeft alleen te beschikken over een computerlokaal of laptopkar, en een aantal webcams. Met behulp van een begeleidende lesbrief gaan uw leerlingen aan de slag in een ‘virtueel laboratorium’ en onderzoeken de 3D-structuur van bijvoorbeeld bètacaroteen in de wortel, of omega-3 in de zalm. Daarna kiezen de leerlingen hun producten van de toekomst. Wat dacht je van carrot-ice-cream? Tijdens deze workshop gaat u zelf aan de slag met onze laptops en een
18 webcam. Het lesmateriaal is nog in ontwikkeling en in dit stadium alleen
in het Engels voorhanden. Deze workshop is bij uitstek geschikt voor docenten die lesgeven aan bovenbouw havo/vwo.
W18. Moordmysterie in de onderbouw (didactische workshop) Mieke Cuppens | docent biologie Canisius College (Nijmegen) en medeauteur module Moordmysterie is een digitale les waarbij leerlingen een moord oplossen met behulp van aanwijzingen in het DNA. Deze module is ontwikkeld in samenwerking met het Netherlands Bioinformatics Centre (NBIC). Het doel van de les is om spelenderwijs informatie te geven over DNA en bloedgroepen, en om te laten zien hoe deze kennis gebruikt kan worden
bij het oplossen van een moordzaak. Tijdens deze les krijgen leerlingen te maken met een misdrijf: er is een professor vermoord. Voor het oplossen van het misdrijf gaan de leerlingen per drietal aan de slag. Ze kruipen in de rol van forensisch wetenschapper, technisch rechercheur of tactisch rechercheur. Door deze taakverdeling en specialisatie krijgen de drie leerlingen elk andere informatie en aanwijzingen. Ook krijgen ze via het web vragen en aanwijzingen over de moordzaak. Ondertussen leren ze over begrippen als chromosomen, DNA-profielen, bloedgroepen en antistoffen. Aan het einde van de les kunnen leerlingen het misdrijf samen reconstrueren en de dader aanwijzen. In deze workshop gaan de deelnemers zelf aan de slag met het lesmateriaal en lossen ze de moord op.
W19. Bioinformatica in de klas (didactische workshop)
Hienke Sminia | educatief medewerker bij Netherlands Bioinformatics Centre (NBIC), coördinator van het project bioinformatics@school Weet jij hoe je om moet gaan met digitale databanken vol genen en eiwitten? Of hoe je jouw favoriete eiwit in 3D kunt bekijken? Dan zit je bij deze workshop helemaal goed. Verschillende deelnemers aan de bioinformaticanascholingen komen hier bijeen om het gemaakte lesmateriaal van elkaar te bekijken. Hierbij gaan we onder andere in op de ervaringen, problemen en de reacties van leerlingen. Heb je zelf niet meegedaan aan de nascholing van bioinformaticaindeklas. nl, maar wel ervaring met het doen van bioinformatica in de klas? Of wil je juist ervaring opdoen met lesgeven in genomics met behulp van de computer? Dan ben je natuurlijk ook van harte welkom!
Colofon Organisatie DNA-lab dag
Verder werkten mee
Caspar Geraedts en Alex Verkade (De Praktijk, natuurwetenschappelijk onderwijs)
Marileen Dogterom (FOM Instituut AMOLF) Cecile Janssens (Erasmus UMC) Jacobine Buizer-Voskamp (UMC Utrecht) Robert Tatsis (UMC Utrecht) Dirk Jan Boerwinkel (Freudenthal Instituut) Lidewij Henneman (VU Medisch Centrum) Ken Kraaijeveld (Leiden Genome Technology Center) Bert Lotz (Wageningen University) Francine Govers (Wageningen University) Mirjam Leunissen (FOM Instituut AMOLF) Mariëlle van Workum (Christelijk Gymnasium Utrecht) Horst Wolter (Freudenthal Instituut) Tanja Klop (TU Delft) Yuri Matteman (De Praktijk) Feike van der Leij (Hogeschool Van Hall Larenstein) Mieke Cuppens (Canisius College)
De Reizende DNA-labs Bioinformatica: leven in de computer Hienke Sminia (Radboud Universiteit Nijmegen) Gezond of ziek: een vouwtje verkeerd Patrick Voskamp (Universiteit Leiden) Forensisch DNA-onderzoek: puzzelen met pieken Gerrianne van der Velde (Universiteit van Amsterdam) Lees de taal van de tumor Ragna Senf (Universiteit Utrecht) ‘Prenataal’ onderzoek bij planten Sven van den Elsen en Paul Mooyman (Wageningen University) Racen met WC-papier Richard Groen (Technische Universiteit Delft)
Coördinatie Reizende DNA-labs Frans van Dam (Centre for Society and Genomics) Webmaster dnalabs.nl Roquin, Nijmegen De Reizende DNA-labs zijn geïnitieerd en worden gesubsidieerd door het Netherlands Genomics Initiative
19
Ontdek de wereld van het DNA
