Hur fungerar DNA-baserade metoder?

Här hittar du praktiska övningar om "DNA-extraktion" och "Att identifiera arter med streckkoder". Plus information och tips om PCR och sekvensering.

1. DNA-extraktion

För att göra begreppet ”DNA” mindre abstrakt kan eleverna själva utvinna DNA i synlig form. Här utgår ni från en blandning av insekter och andra substrat med högt DNA-innehåll, och så utvinner ni DNA med några enkla köksredskap. Resultatet blir en klar stäng av DNA som man kan fingra på.

Celler är byggstenarna i allt liv. Våra kroppar består av ca en biljon celler. Varje cell har ett antal viktiga organeller, det vill säga cytoplasma, mitokondrier, plasmamembran och cellkärna. Kärnan är cellens ledande centrum och dess huvudsakliga uppgift är att lagra och skydda DNA (deoxiribonukleinsyra) med hjälp av olika proteiner och lipidmembran.

DNA är det ärftliga materialet i nästan alla levande organismer och innehåller de instruktioner som krävs för att en organism ska utvecklas, överleva och reproducera. Det första som forskare utför i laboratorier med molekylärbiologi är att extrahera DNA från cellerna de studerar – alla tester, analyser och vid behov sekvensering (läsning av DNA-kod) kommer efter det. Nedan visar vi en gör-det-själv teknik för att extrahera DNA från levande plantor (vilken frukt eller grönsak du vill) med hushållsmaterial från köket. DNA-produkten är inte lika ren som när man gör det i ett labb, men alla steg är i stort sett lika.

Material

• Färsk frukt blandad med insekter (frukten, t.ex. jordgubbar, behövs för att det ska finnas så mycket DNA att man faktiskt kan se det)
• Plastpåse
• Liten sil
• Shot-glas
• Diskmedel
• Bordssalt
• Ananasjuice (valfritt)
• Kall, stark etanol (helst 95 % men 40 % fungerar också)
• Tandpetare
• Liten plasttub

Gör så här

1. Lägg frukten och insekterna in en plastpåse. Försegla påsen, låt den ligga i frysen i 30 minuter, sedan krossar du frukten i påsen. Detta förstör cellväggarna i frukt- och insektscellerna - den första barriären som skyddar DNA.
2. Filtrera den krossade frukten genom en sil. Samla juicen i ett shotglas.
3. Tillsätt ~10ml diskmedel, 5ml ananasjuice och en nypa salt. Mixa försiktigt (försök undvika skumbildning). Här kommer diskmedlet ta hand om det skyddande lipidmembranet. Ananasjuicen har enzymer som förstör proteiner och tar hand om proteinerna som omger DNA. Salt fäster sig till DNA och hjälper till att separera det från lösningen.
4. Nu när DNA friats från kärnan flyter det omkring i lösningen. Lägg till ca 2-3ml kall 95 % etanol, gärna med en kanyl längs kanten på shotglaset.
5. Ta en titt på shotglaset. Vad är det du ser i toppen av vätskan? DNA löser sig inte i alkohol och blir därför synligt i lagret mellan etanolen och frukt-såpa mixen.
6. Du kan nu försiktigt fiska upp DNA med tandpetaren och placera i den lilla tuben. Substansen är helt ofarlig så det går bra att fingra och känna på den. Häll på lite mer etanol i tuben om det behövs.
7. Grattis! Nu har ni utfört en DNA-extraktion!

Andra förslag på upplägg av laborationen:

Extraktion av DNA ur egna kindceller

Extraktion av DNA ur vetegroddar

2. PCR - information och resurser

De prover som vi samlat in innehåller ganska små mängder DNA. För att få upp mängden till en nivå som vi kan avläsa (sekvensera) måste vi först mångfaldiga mängden DNA.

Information om DNA-analys från Naturhistoriska riksmuseet

Principerna för PCR-tekniken 

Enkel animation av PCR teknik
Videon fungerar bäst om du tar bort ljudet och själv förklarar vad som händer.

Illustrationer

3. Sekvensering - information och resurser

Att sekvensera DNA är lättare än man tror. Idag kan man köpa en egen apparat att koppla till en vanlig bärbar dator – för bara 20 000 kr. Vill man slå på stort och producera miljarder sekvenser får man räkna med tilläggsutgifter på ca 15 000 kronor. För att få väldiga mängder DNA-sekvenser av tusentals insekter kör de flesta forskare ännu med dyrare utrustning.

För att förklara hur man gör med olika tekniker rekommenderar vi följande länkar:

• Illustration av en tidig sekvenseringsmetod (så kallad Sanger-sekvensering) 
• Förklaring av moderna sekvenseringsmetoder  
• För en förklaring av den teknik som används för att sekvensera DNA med s.k. nanopore-teknik (som tillåter sekvensering på ett vanligt skrivbord) 

4. Att identifiera arter med streckkoder 

När man väl fått fram sina DNA-sekvenser identifierar man dem genom att jämföra dem med så kallade referensbibliotek. Det största heter BOLD (där finns också några fler nyttiga undervisningsresurser). I den här rutan kan du klistra in en okänd sekvens och se vilken art den kommer från.

Om du vill testa att det fungerar kan du söka efter en sekvens från någon art som intresserar dig. 

Kopiera sekvensen från den individ som du valt och klistra in den i rutan ovan. Tryck ”submit” och se vilken art din sekvens passar bäst. Matchar sekvensen den art som den identifierats som eller har någon satt fel namn på den?

Praktisk övning

För att förstå vad datorn gjorde för dig kan du nu göra samma sak med ögonmått. Här får du material att skriva ut - så stort som skolan har möjlighet till.

Häng upp ditt referensbibliotek på väggen, och ge eleverna i uppgift att jämföra sina okända sekvenser med dem på väggen. När de hittar en matchande sekvens ska de skriva ner numret på sekvensen och bokstaven på arten. Rätt svar finns att tillgå i ett facit. Det här är exakt detsamma som forskarna gör för miljontals sekvenser, men då använder vi förstås datorer. Poängtera för eleverna at de gjort precis detsamma som datorn bakom BOLD!

Sekvenser som eleverna ska ha

DNA-sekvenser del 1

DNA-sekvenser del 2

Referensbibliotek över DNA-sekvenser som ska sitta på väggen

Referensbibliotek att sätta upp på väggen

Allra roligast blir det om du som lärare hinner bekanta dig lite med insekterna bakom streckkoderna. Då kan du berätta lite om vilka arter just den-och-den eleven har hittat. 

Som butikens streckkoder

DNA-baserad identifiering av arter är en metod som slagit igenom under de senaste 20 åren. DNA-sekvensen kan skrivas som en text med bokstäverna A, C, T, och G i olika kombinationer. Den text som man avläser kan man sedan jämföra med alla kända sekvenser i referensbiblioteket.

Principen är precis densamma som när man avläser en streckkod på en vara i butiken för att fastställa vad den är (och vad den kostar). Därför kallas tekniken DNA-streckkodning.

Hos insekter och andra djur använder man främst den mitokondriella genen cytokrom c oxidas subenhet I (COI). Den genen uppvisar mera variation mellan än inom arter, vilket behövs för att sekvensen skall kunna föras till en bestämd art.

Vill du gå vidare till:

1. Insekternas mångfald

2. Hur samlar man insekter? och 3. Titta på och sortera insekter

4. Hur fungerar DNA-metoder?

5. Att döda insekter - etik