Tweede klas Techniek met een biologisch tintje

Genetisch licht

Tweede klas Techniek met een biologisch tintje Door genetische eigenschappen te vertalen naar een kleur, krijg je niet alleen een esthetisch mooie lamp, maar deze vertelt je ook iets over je identiteit. Wie ben ik?

Deze module is ontwikkeld door het Netherlands Bioinformatics Centre (NBIC) binnen het project www.bioinformaticaindeklas.nl. Naar aanleiding van een workshop tijdens de VeDoTech conferentie van 21 november 2009 is deze module bedacht en verder ontwikkeld. Aan deze module hebben meegewerkt: Annelies van Gorkum (docent Het Nieuwe Lyceum, Bilthoven) Ben Holties (docent Noorderpoort) Dirk Breen (docent CSG Prins Maurits, Middelhamis) Hienke Sminia (NBIC) Karen Hoven (docent Het Nieuwe Lyceum, Bilthoven) Robbie Joosten (NBIC) Contact: [email protected] Verscheidene teksten zijn gebruikt van de website http://www.allesoverdna.nl Verscheidene afbeeldingen zijn gebruikt van de website http://www.ncrtec.org/tl/camp/lessons.htm 8 april 2010 - Versie 1.0

Inhoud Docentenhandleiding .................................................................................................................................................4 Aansluiting bij biologie ...........................................................................................................................................4 Niveau en lesindeling .............................................................................................................................................4 Voorbereiding .........................................................................................................................................................5 Experimenteren ......................................................................................................................................................6 Iedereen is uniek! ...............................................................................................................................................6 Leerlingenhandleiding ................................................................................................................................................8 Theorie....................................................................................................................................................................8 Praktijk ................................................................................................................................................................. 10 Techniek .............................................................................................................................................................. 12 Achtergrond informatie........................................................................................................................................... 13

Docentenhandleiding Onderzoek aan DNA en eiwitten gaat razendsnel! Dat hebben we te danken aan de ontwikkelingen op het gebied van computercapaciteit en onderzoekstechnieken. In deze lesmodule gaan leerlingen aan de slag met de gedachte achter zogenoemde microarrays. Dit is een kleine chip waarmee onderzoek aan DNA wordt gedaan. Met zo’n chip kunnen wetenschappers meten in hoeverre twee dieren of mensen op elkaar lijken. Uw leerlingen gaan een soortgelijke chip maken. Hiertoe maken zij een lamp met vele verschillende gekleurde vlakken. Afhankelijk van de genetische eigenschappen van de leerling zullen de groene en rode vlakken op een bepaalde manier in de lamp verwerken. Het resultaat is niet alleen een mooie lamp, maar zegt iets over de genetische identiteit van de leerling. Op bladzijde ##?? kunt u verschillende experimenten en tips vinden die u kunt doen als de lampen gereed zijn.

Aansluiting bij biologie Omdat deze lesmodule gaat over genetische eigenschappen leent de les zich uitsteken om te combineren met biologie. Uw biologiecollega kan bijvoorbeeld enkele lessen besteden aan het onderwerp DNA, terwijl u de leerlingen tijdens de techniekles zelf laat werken met genetische eigenschappen. U kunt ook zelf de biologie behandelen. In de bijlage treft u achtergrondinformatie over DNA en microarrays aan. Voor meer informatie kunt u kijken op de website www.allesoverdna.nl. Deze website is speciaal voor het voorgezet onderwijs opgezet om DNA-onderzoek voor leerlingen begrijpbaar te maken. Wij bieden geen lesstructuur aan om deze lessen in te vullen, maar mocht u iets niet begrijpen of hulp nodig hebben bij het maken van een dergelijke (theorie)les, dan kunt u ons altijd e-mailen via [email protected].

Niveau en lesindeling Deze module is geschikt voor gebruik in de techniekles. Omdat DNA op de meeste scholen pas wordt behandeld in de tweede klas havo en vwo, is deze module ook voor de techniekles het meest geschikt voor de tweede of derde klas. De lesstof over DNA in de tweede klas echter is zeer beknopt, vandaar dat de leerlingen extra tekstuele achtergrondinformatie krijgen in deze module. Ook voor mavo-klassen is deze module geschikt, maar wellicht dient dan meer aandacht te worden gegeven aan de theorie. Voorgestelde lesindeling: Theoretische voorbereiding (tijdens techniek of biologie lessen)

Praktische uitvoering

Experimenteren met het eindresultaat

Voorbereiding Benodigdheden: -Hout - Schroeven/spijkers/houtlijm -Zwarte verf -Plexiglas 2 x 25 vierkantjes per lamp (rood, groen en zwart) -Doorzichtig folie 3x (voor, tussen en achter) -Spaarlamp met fitting en snoer Overzicht van erfelijke eigenschappen per spot op de lamp:

1 Oogkleur

2 Haarkleur

3 Haartype

4 Oorlel

5 Duimlengte

6 Geslacht

7 Dioptrie

8 Bloedgroep

9 Stotteren

10 Huidskleur

11 Kleurenblind

12 Teenlengte

13 Liftduim

14 Lachkuiltjes

15 Links/rechtsduimig

16 V met je vingers

17 Haartjes vingers

18 Kindeukje

19 Voetdominantie

20 Dyslexie

21 Oogdominantie

22 Kaalheid

23 Links/rechtshandig

24 Stand

25 Hooikoorts

Experimenteren De gemaakte lamp kan gebruikt worden voor verschillende ‘experimentjes’ met de klas. Iedereen is uniek! Zet alle lampen bij elkaar. Maak met behulp van een paar leerlingen vier groepen van de lampen: 1. In slot 1 zitten twee groene glaasjes 2. In slot 1 zitten twee rode glaasjes 3. In slot 1 zit in ieder geval 1 zwart glaasje 4. In slot 1 zit een groen en een rood glaasje Pak de grootste groep en verdeel die weer in subgroepen: 1. In slot 2 zitten twee groene glaasjes 2. In slot 2 zitten twee rode glaasjes 3. In slot 2 zit in ieder geval 1 zwart glaasje 4. In slot 2 zit een groen en een rood glaasje Pak nu weer de grootste groep en verdeel deze weer op basis van het derde slot. Ga zo verder.  Hoeveel slots moeten worden bekeken om maar 1 lamp over te houden?  Zijn er twee lampen exact hetzelfde als je kijkt naar de invulling van de slots? Iedereen is uniek! Sommige mensen lijken wel veel op elkaar, maar er zijn nooit twee mensen hetzelfde. Ééneiige tweelingen zijn genetisch identiek, maar door de omgeving ontwikkelen zij zich ook op hun unieke manier.

Genetische identiteit versus werkelijke identiteit Zoek twee lampen die veel overeenkomsten vertonen.  Van wie zijn deze lampen?  Lijken zij in ‘real-life’ ook zoveel op elkaar?  Welke verschillen kun je noemen die niet in de lampen zijn vertegenwoordigd?  Welke overeenkomsten kun je noemen die niet in de lampen zijn vertegenwoordigd?  Zijn deze verschillen genetisch bepaald? In het DNA ligt de code voor een groot deel van jouw uiterlijk. Toch ligt lang niet alles vast in het DNA! Kun jij bijvoorbeeld een tongrol maken? Veel mensen denken dat dit genetisch is bepaald, maar je kunt dit oefenen. Maar jouw omgeving kan ook veel invloed hebben op je uiterlijk. Als jouw moeder bijvoorbeeld veel rookte toen ze zwanger was van jou, is de kans groot dat je vrij gele tanden hebt. Of als jij veel in de zon zit zonder zonnebrand op te doen, verhoog jij je kans op huidkanker. Niet alles is dus afhankelijk van het DNA, je kan zelf ook jouw uiterlijk beïnvloeden.

Zichtbaar en onzichtbare eigenschappen Zoek twee lampen die totaal niet op elkaar lijken.  Van wie zijn deze lampen?  Lijken zij in ‘real-life’ ook helemaal niet op elkaar?  Welke overeenkomsten kun je vinden?  Zijn er ook overeenkomsten die je niet zo kunt zien? Het DNA van de mens codeert voor heel veel dingen in het lichaam: uiterlijke kenmerken, maar ook kenmerken die je van buiten niet kunt zien. DNA codeert bijvoorbeeld voor het eiwit hemoglobine. Dit eiwit speelt een rol bij het zuurstoftransport in je bloed. Iedereen heeft dit eiwit: anders zou je niet kunnen leven! Inwendig bekeken lijken we dus heel erg veel op elkaar. Maar dat kun je van buitenaf helemaal niet zien. Wie is wie? Pak een willekeurige lamp. De eigenaar van de lamp mag niet zeggen of het zijn of haar lamp is. Probeer aan de hand van de slots te bepalen wie de eigenaar is. Dit kun je doen aan de hand van een afvalrace. Natuurlijk hoef je niet altijd bij slot 1 te beginnen. Bijvoorbeeld: ‘Wil iedereen gaan staan?’ ‘Volgens slot 23, is de eigenaar van deze lamp rechtshandig. Willen alle leerlingen die niet rechtshandig zijn gaan zitten?’ ‘Volgens slot 17, heeft de eigenaar van de lamp geen haartjes op de middelste kootjes van je vingers. Etc.’ Uiteindelijk blijft er maar één iemand over: de eigenaar van de lamp.

Groepen maken De lampen kunnen ook gebruikt worden om groepen te maken. Deel hiervoor de lampen in groepen. De eigenaar van de lamp dient in dezelfde groep als de lamp zelf te gaan zitten.

Leerlingenhandleiding Tijdens deze lesmodule ga je een lamp maken. Maar die lamp laat meer zien dan alleen maar licht! Voor de lamp gebruik je het principe achter microarrays om je eigen genetische identiteit zichtbaar te maken. Hiertoe moet je eerst een overzicht maken van je genetische eigenschappen. Daarna kun je jouw antwoorden verwerken in het eindproduct. Tot slot kun je jouw identiteit vergelijken met die van andere leerlingen en er zelfs experimenten mee doen! Om te begrijpen hoe een lamp jouw identiteit kan weergeven moet je eerst iets leren over DNA en microarrays. Lees hiervoor onderstaande tekst.

Theorie DNA is een molecuul dat door zijn chemische structuur de complete erfelijke informatie van een individu bevat. DNA is een afkorting van Deoxyribo Nucleic Acid (Desoxyribonucleïnezuur). Het bevindt zich in de kern van de cel. Bijna iedere lichaamscel heeft één kern. Alle cellen met celkern van één gezond organisme bevatten identiek DNA. Een gen is een bepaalde volgorde (van de bouwstenen G, A, T en C) die codeert voor één of meerdere specifieke eiwitten. Deze eiwitten kunnen een zichtbare erfelijke eigenschap tot uiting brengen, zoals bloedgroep of oogkleur. Elk gen heeft een vaste plaats in het DNA. In iedere cel zit DNA. DNA ziet eruit als een helix Om DNA te kunnen onderzoeken moet het (wenteltrap). De treden van de wenteltrap zijn de eerst worden gezuiverd van allerlei celmateriaal, zoals eiwitten, membranen en bouwstenen van het DNA: G, A, T en C. celorganellen. Dit wordt DNA-extractie (ook wel 'DNA-isolatie') genoemd. Dit is nodig om het DNA voor onderzoek te Een DNAkunnen gebruiken. microarray is ongeveer een PCR (Polymerase Ketting Reactie/Polymerase Chain Reaction wordt lucifer breed. gebruikt om kleine hoeveelheden van een specifiek stuk DNA een groot Maar er aantal keren te kopiëren. Vaak kun je maar een klein beetje DNA uit een passen wel weefsel isoleren. Maar voor verder onderzoek heb je maar van het DNA duizenden materiaal nodig. Met PCR laat je het kleine beetje DNA zichzelf genen op! vermenigvuldigen tot een bruikbare hoeveelheid.

Een microarray is een klein (micro) rechthoekig plaatje met daarop kleine druppeltjes met DNA in een raster (array). Ieder druppeltje op de microarray bevat het DNA van één specifiek gen van bijvoorbeeld een mens. Alle druppeltjes samen bevatten het complete genoom van de mens. Een microarray wordt ook wel eens DNA-chip genoemd.

Met een microarray kun je meten welke genen actief zijn en welke niet. Omdat alle genen uit een genoom op een microarray staan, kun je met één experiment alle genen tegelijkertijd testen. Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt in het onderzoek naar kanker. Kanker wordt vaak veroorzaakt door overactieve genen. Als onderzoeker wil je graag weten welke specifieke genen de kanker veroorzaken. Dit kun je bepalen door de activiteit van de genen in gezonde cellen met een microarray te vergelijken met de activiteit van genen in tumorcellen. Stukjes gekopieerd DNA (cDNAs) worden voorzien van een gekleurd fluorescerend label om ze straks te kunnen herkennen. De cDNA's uit de tumorcellen

Een microarray bestaat uit duizenden ‘spots’. Als een stukje tumor-DNA bindt kleurt een spot rood. Als een stukje gezond DNA bindt, kleurt een spot groen. Als beide kleuren binden, kleurt de spot geel (illustratie: Sebastiaan Donders)

worden voorzien van een rood label, die uit gewone cellen van een groen label. Vervolgens worden alle gelabelde cDNA's in een oplossing in contact gebracht met één microarray waarop de DNA-volgorden van alle genen uit de mens zijn gehecht. De gelabelde cDNA's zullen binden aan de stipjes op de microarray die DNA bevatten, waarvan de code (volgorde) overeenkomt met de code van het cDNA. Stipjes met genen die alleen in normale cellen actief zijn, kleuren groen. Stipjes met genen die alleen actief zijn in tumorcellen kleuren rood. Stipjes met genen die door beide cellen tot expressie worden gebracht kleuren geel. De resterende stipjes blijven donker. Bron: http://www.allesoverdna.nl

Praktijk Jouw genetisch licht bestaat straks, net zoals de microarray, uit verschillende spots. Iedere spot correspondeert met een erfelijke eigenschap. We vergelijken bij deze microarray niet twee verschillende weefsels, maar proberen jouw identiteit zichtbaar te maken. Beantwoord hiervoor eerst onderstaande vragen. Omcirkel het juiste antwoord. Als jouw antwoord niet tussen de opties staat, dan valt hij onder ‘anders’. Soms heeft de vraag geen ‘anders’, kies dan het antwoord wat het meeste klopt bij jouw situatie.

1 2 3 4

Vraag Welke kleur ogen heb je? Welke kleur haar heb je (natuurlijke kleur!)? Heb je krullen in je haar (natuurlijke krullen!)? Zit jouw oorlel los of vast?

rood Bruin Bruin

groen Blauw Blond

rood/groen Groen Rood

zwart Anders Zwart

Ja

Nee

Een beetje

Anders

Er tussen in

-

Precies 7 cm Nee, mijn dioptrie is lager dan /+ 3 AB Nee, maar vroeger wel

-

Geel -

Anders -

Los 5

Hoe lang is jouw duim?

6 7

Wat is jouw geslacht? Draag jij een bril of lenzen, met minimaal dioptrie -/+ 3?

8 9

Wat is jouw bloedgroep? Stotter jij?

10 Wat is jouw huidskleur? 11 Ben je kleurenblind?

Kleiner dan 7 cm Man Ja

A Ja, en één van mijn ouders ook Blank Ja

Vast Groter dan 7 cm Vrouw Nee, ik draag geen bril of lenzen B Nee

Bruin/zwart Nee

Anders (bijvoorbeeld alleen cilinder) O Ja, maar mijn ouders niet

12 Is jouw ‘wijs’teen langer dan jouw grote teen? 13 Heb jij een ‘lift’duim?

Ja

Nee

Precies even lang Een beetje

-

Ja

Nee

14 Heb jij kuiltjes in je wangen als je lacht? 15 Ben jij links- of rechtduimig? Vouw je handen samen zonder erbij na te denken. Welke duim ligt bovenop?

Ja Links

Nee Rechts

Een beetje Anders De ene keer Anders links, de andere keer rechts

16 Kun jij een ‘V’ maken met je vingers?

Ja

Nee

Een beetje

Anders

17 Heb jij haartjes op de middelste kootjes van je vingers?

Ja

Nee

Ja, maar dat is maar heel weinig

18 Heb jij een deukje in je kin? 19 Met welke voet trap jij het beste een bal weg?

Ja Links

Nee Rechts

20 Heb jij dyslexie?

Ja

Nee

Bij sommige wel, bij andere niet Een beetje De ene keer met links, de andere keer met rechts Weet ik niet

21 Welk oog is dominant? Strek je arm voor je en kijk met beide ogen naar je hand. De achtergrond van je hand moet een flink eind weg zijn. Doe je linker oog dicht. Verspringt het beeld van je hand ten opzichte van de achtergrond?

Ja, je rechteroog is dan dominant

Nee, je linkeroog is dominant. Als ik mijn rechteroog dicht doe, verspringt het beeld niet

Nee, en als ik mijn rechteroog dicht doe, verspringt het beeld ook niet. Geen dominantie

Anders

22 Is jouw vader ouder dan 30 en al flink kaal?

Ja

Wel ouder dan 30, maar niet nog lang niet kaal

Wel ouder dan 30, maar is kalend

Mijn vader is jonger dan 30

Anders

Anders -

Anders

23 Ben jij links- of rechtshandig?

Links

Rechts

24 Wat is jouw natuurlijk stand? Sta met beide benen recht, met je voeten tegen elkaar. Laat iemand je van achter een zachte duw geven. Welk been gaat als eerste naar voren? 25 Heb jij hooikoorts?

Links (regular)

Rechts (goofy)

Ja

Nee

Ik kan met beide handen goed handelen De ene keer Anders links, de andere keer rechts Een beetje

-

Techniek Model van de lamp met benodigdheden etc. Hoe maak je een lamp? / ontwerp

Het opstellen van jouw genetische identiteit: Bovenaan de tabel waar je jouw antwoorden hebt gegeven zie je staan: rood, groen, rood/groen en zwart. Nu kun je de spots vullen met gekleurde glazen. Een voorbeeld: Bij de eerste vraag heb je geantwoord welke kleur ogen je hebt. Als je 1 2 3 4 5 blauwe ogen hebt, stop je twee groene glaasjes achter elkaar op spot 1. Heb je groene 6 7 8 9 10 ogen, dan stop je een rood en een groen glaasje in spot 1. Heb je een andere kleur ogen dan bruin, blauw of groen (bijvoorbeeld grijs), dan stop je twee zwarte glaasjes 11 12 13 14 15 in spot 1. Bij sommige vragen, zoals vraag 1, kun je met die laatste kolom variëren. Als 16 17 18 19 20 nu bijvoorbeeld blauw/grijze ogen hebt, dan stop je een groen en een zwart glaasje in spot 1. 21 22 23 24 25 Zo vul je alle spots van jouw lamp.

Achtergrond informatie Voor een online flash-animatie (Engels) kunt u kijken op: http://learn.genetics.utah.edu/content/labs/microarray/ En andere artikelen….