Анализ ДНК и CODIS: <br></br>кто ограбил банк?

Содержание: [Показать]

Единицы служат путеводителями по определенному содержанию или предметной области. Под разделами вложены уроки (фиолетовым цветом) и практические занятия (синим цветом).

Обратите внимание, что не все уроки и задания будут существовать в рамках одного модуля, а вместо этого могут существовать как «отдельная» учебная программа.

  • Биомедицинская инженерия и человеческое тело
    • Инженерные кости
      • Prosthetic Party: сборка и тестирование сменных ног
      • Палки и камни сломают эту кость!
      • Мышцы, о боже!
        • Искусственный бицепс
        • Измерение наших мышц
        • Циркуляция тела
          • Расчищая путь к сердцу
          • Вдох-выдох
            • Загрязненный воздух = Загрязненные легкие
            • Моделирование пищеварения
              • Защити эту таблетку
              • Мое механическое ухо может слышать!
                • Звуки повсюду
                • Биомедицинские устройства для глаз
                  • Защити эти глаза
                  • Мы прошли долгий путь, детка!
                    • Ты эксперт
                    • ДНК: рецепт человеческого тела
                      • Анализ ДНК и CODIS: кто ограбил банк?
                      • Сборка ДНК
                      • Переломы костей и инженерия
                        • Восстановление сломанных костей
                        • Жизнь с печенью

                        Информационный бюллетень TE

                        Студенты исследуют ДНК, чтобы определить, кто ограбил банк

                        Резюме

                        Инженерное соединение

                        Биомедицинские инженеры, разбирающиеся в науке генетики, создают инструменты, оборудование и процессы для точного сбора и изучения ДНК-доказательств преступлений и случаев установления отцовства. Эти инженеры также работают с адвокатами и в судебных системах, чтобы объяснить, как работает профилирование ДНК.

                        Цели обучения

                        После этого занятия студенты должны уметь:

                        • Опишите организацию ДНК в повторяющиеся последовательности пар нуклеотидных оснований.
                        • Объясните, как профилирование ДНК используется для связи людей с преступлениями и делами об установлении отцовства.
                        • Опишите роль биомедицинской инженерии в профилировании ДНК.

                        Образовательные стандарты

                        Каждый урок или мероприятие TeachEngineering соотносится с одним или несколькими образовательными стандартами K-12 в области естественных наук, технологий, инженерии или математики (STEM).

                        Все 100 000+ K-12 STEM-стандартов, охватываемых TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются Сетью стандартов достижений (ASN) , проектом D2L (www.achievementstandards.org).

                        В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , государством; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу и т . д.

                        NGSS: научные стандарты нового поколения - наука
                        • Проведите расследование для получения данных, которые послужат основой для доказательств, соответствующих целям расследования. (6–8 классы) Подробнее

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        • Используйте математические представления для описания и / или поддержки научных выводов и проектных решений. (6–8 классы) Подробнее

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        • Достижения в области технологий влияют на прогресс науки, а наука повлияла на достижения в области технологий. (6–8 классы) Подробнее

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Общие основные государственные стандарты - математика
                        • Поймите, что статистику можно использовать для получения информации о совокупности, исследуя ее выборку; Обобщения о генеральной совокупности из выборки действительны только в том случае, если выборка является репрезентативной для этой генеральной совокупности. Поймите, что случайная выборка обычно дает репрезентативные выборки и поддерживает достоверные выводы. (7 класс) Подробнее

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии - Технология
                        • Студенты разовьют понимание взаимоотношений между технологиями и связей между технологиями и другими областями обучения. (Классы K - 12) Подробнее

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Государственные стандарты
                        Колорадо - Математика
                        • Математические модели используются для определения вероятности. (7 класс) Подробнее

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Колорадо - Наука
                        • Используйте прямые и косвенные наблюдения, доказательства и данные для подтверждения утверждений о генетическом воспроизводстве и особенностях людей (8 класс) Подробнее

                        Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

                        Список материалов

                        Каждой группе необходимо:

                          , по одному на команду
                        • ручка или карандаш
                        • (по желанию) ножницы

                        Рабочие листы и приложения

                        Больше подобной программы

                        В классе учащиеся работают над примером, показывающим, как ДНК обеспечивает «рецепт» создания белков человеческого тела. Они видят, как структура нуклеотидных оснований (аденин, тимин, гуанин, цитозин) образует двойную спиральную лестницу ДНК и служит кодом для шагов, необходимых для создания гена.

                        Студенты укрепляют свои знания о том, что ДНК является генетическим материалом для всех живых существ, моделируя его с помощью зубочисток и жевательных конфет, которые представляют четыре биохимических вещества (аденин, тиамин, гуанин и цитозин), которые соединяются друг с другом по определенному образцу, образуя двойную спираль. . Студенческие отряды.

                        Учащиеся узнают о мутациях ДНК и хромосом, а также о неконтролируемых изменениях генетического кода. Они вводятся в мелкомасштабные мутации (замены, делеции и вставки) и крупномасштабные мутации (делеционные дупликации, инверсии, вставки, транслокации и нерасхождение.

                        В формате обсуждения в классе учащимся предоставляется справочная информация об основах генетики человека. Рассматривается количество хромосом как в клетках тела, так и в яйцеклетках и сперматозоидах, а также рассматривается концепция доминантных и рецессивных аллелей.

                        Предварительные знания

                        Знакомство с ДНК и составляющими ее парами нуклеотидных оснований.

                        Введение / Мотивация

                        В банке произошло ограбление. Когда вор сбегает из здания, охранник хватает одну из перчаток грабителя банка. Грабитель банка уезжает с места происшествия в фургоне телефонного обслуживания. Телефонная компания определяет трех сотрудников, которые могли находиться поблизости от банка во время ограбления. Все сотрудники отрицают ограбление банка. Можете ли вы придумать какой-либо способ, помимо показаний свидетелей, чтобы грабитель банка мог быть идентифицирован среди трех человек?

                        Доказательства ДНК более надежны, чем отпечатки пальцев при идентификации людей.

                        ДНК может идентифицировать людей - даже лучше, чем отпечатки пальцев. ДНК содержится во всех наших клетках: волосах, зубах, костях, крови и коже. Хотя все люди имеют 99,9% общих генов, наша ДНК отличается от ДНК других на три миллиона пар нуклеотидных оснований.

                        Наша ДНК организована в виде 23 хромосом в ядре каждой из наших клеток. Области в каждой хромосоме содержат так называемую «мусорную ДНК», которая не содержит генов. Но часто эта мусорная ДНК содержит повторяющиеся последовательности пар нуклеотидных оснований, которые можно использовать для целей сопоставления. (Покажите учащимся рис. 1 или то же изображение в прилагаемом наглядном пособии CODIS.) В этом примере вы можете увидеть места хромосом, в которых ФБР ищет повторяющиеся последовательности ДНК. Они называются сайтами CODIS, что означает комбинированную систему индекса ДНК ФБР.

                        Рисунок 1. 23 хромосомы человека и 13 хромосомных участков, в которых ФБР ищет повторяющиеся последовательности ДНК. Для этого действия обратите внимание на область TPOX на хромосоме 2. (X и Y считаются одной парой хромосом. AMEL не являются сайтами CODIS).

                        В нашем случае полиция нашла волосок в перчатке грабителя банка. Помните, что у нас 23 пары хромосом, каждая пара содержит одну хромосому от отца, а другую от матери. Анализ ДНК показывает, что волосы в перчатке грабителя содержат следующие последовательности пар нуклеотидных оснований в области TPOX (покажите учащимся рис. 2 или то же изображение в прилагаемом наглядном пособии CODIS).

                        Рисунок 2. Область TPOX хромосомы 2 волос, обнаруженная в перчатке грабителя банков.

                        Обратите внимание, что последовательность GAAT повторяется дважды со стороны отца и три раза со стороны матери (стороны каждой хромосомы часто имеют разную длину). Точно так же можно сказать, что последовательность CTTA повторяется. Это почему? (G всегда соединяется с C, а A всегда соединяется с T).

                        Итак, теперь давайте сравним участки TPOX ДНК, обнаруженные в перчатке грабителя банков, с участками TPOX ДНК двух подозреваемых. Обратите внимание, что мы просто смотрим на одну сторону ДНК с повторяющейся последовательностью GAAT. Это упрощает сравнение. (Покажите учащимся рис. 3 или то же изображение в прилагаемом наглядном пособии CODIS.)

                        Рисунок 3. Сравнение области TPOX хромосомы 2 неизвестного грабителя банка и двух подозреваемых.

                        Подозреваемый 1 совпадает с последовательностью GAATGAAT волос, обнаруженных в перчатке на одной хромосоме, но другая хромосома не совпадает. Обе хромосомы должнысовпадать, чтобы показать, что волосы в перчатке принадлежат конкретному подозреваемому. Таким образом, только по одному сайту CODIS мы уже знаем, что волосы на перчатке грабителя банка не могут принадлежать подозреваемому 1.

                        Подозреваемый 2 совпадает с последовательностью GAATGAAT на одной хромосоме и последовательностью GAATGAATGAAT на другой хромосоме, поэтому можно сказать, что подозреваемый 2 совпадает в местоположении TPOX. Чтобы подтвердить, что волосы принадлежат подозреваемому 2, другие 12 местоположений хромосом (см. Рисунок 1) также должны совпадать. Если все 13 местоположений CODIS совпадают, то волосы в перчатке грабителя банка принадлежат подозреваемому 2.

                        Случайная вероятность того, что один из ваших сайтов CODIS совпадает с другим, составляет примерно одну из 10 (1/10). Следовательно, вероятность совпадения двух сайтов CODIS составляет 1/10 * 1/10 = 1/100 (один из 100). Вероятность случайного совпадения трех сайтов CODIS составляет 1/10 * 1/10 * 1/10 = (1/10) 3 = 1/1000 (один из 1000). Случайная вероятность совпадения всех 13 сайтов CODIS составляет (1/10) 13 = один из 10 000 000 000 000. Вероятность того, что в вашу жизнь ударит молния, составляет примерно один из 1000000. Таким образом, вероятность удара молнии в 10 миллионов раз выше, чем вероятность того, что у вас будут те же 13 последовательностей CODIS, что и у другого человека. Это то, что делает профилирование ДНК столь надежным.

                        Инженеры могут участвовать во многих аспектах расследования места преступления. Они могут использовать свои знания CAD (компьютерное рисование), чтобы воссоздать место преступления. Сначала они могут разработать модель комнаты, а затем определить путь пули и проанализировать образцы брызг крови, чтобы определить положение жертв и их убийц во время преступления. Биомедицинские инженеры создают инструменты, оборудование и процессы для точного сбора и изучения ДНК-доказательств преступлений и случаев установления отцовства. Биомедицинские инженеры также помогают исследователям анализировать последовательность генов для профилирования ДНК.

                        Процедура

                        В этом упражнении вероятность используется, чтобы определить, какой из подозреваемых является наиболее вероятным совпадением. Нам говорят, что вероятность случайного совпадения между сайтом CODIS для одного человека и другим составляет 1/10. Это почему? Каждый из рассматриваемых здесь регионов содержит аллель или версию гена. Какой аллель у вас есть на определенном участке, определяется генетическими данными и мейозом ваших родителей, а также любыми ошибками в репликации. Однако эти аллели не уникальны в популяции; у вас может быть тот же аллель, что и у кого-то другого. Статистики изучают популяции, чтобы получить представление о распределении аллелей (сколько людей имеют каждый вид аллелей). Таким образом, статистики могут оценить вероятность того, что у любых двух людей один и тот же аллель.Если бы вероятность совпадения сайта CODIS между двумя случайными людьми была намного больше или намного меньше, чем 1/10, используемая в этом упражнении, количество совпадений, которые нам понадобятся, чтобы быть разумно уверенными в виновности подозреваемого, также изменится.

                        Перед мероприятием

                        • Сделайте копии таблицы анализа подозреваемых CODIS, по одной на группу.
                        • Подготовьте почву для занятия, проведя раздел Введение / Мотивация.

                        Со студентами

                        1. Разделите класс на пары учеников и раздайте листы каждой команде.
                        2. Помогите студентам заполнить рабочие листы.
                        3. Пусть команды завершат работу, написав на своих рабочих листах, что подозревают, что их ДНК-профиль причастен к ограблению.
                        4. Попросите команды, ответившие правильно, описать, как они пришли к своему выводу. (Ответ: подозреваемый 2, вероятно, основан на совпадении с четырьмя сайтами CODIS).
                        5. Попросите учащихся рассчитать вероятность того, что подозреваемый 2, даже если он соответствует четырем сайтам CODIS, не является владельцем волос в перчатке грабителя банка. (Ответ: (1/10) 4 = 1 из 10 000, недостаточно - требуется больше данных сайта CODIS)
                        6. Предложите студентам выступить в качестве биомедицинских инженеров и проанализировать результаты анализа ДНК для следователей полиции, как описано в упражнении по окончании оценки.

                        Словарь / Определения

                        пара оснований: два нуклеотидных основания, которые образуют «ступеньку лестницы ДНК». Нуклеотид ДНК состоит из молекулы сахара, молекулы фосфорной кислоты и молекулы, называемой основанием. Основания - это «буквы», обозначающие генетический код. В ДНК кодовые буквы A, T, G и C обозначают химические вещества аденин, тимин, гуанин и цитозин соответственно. В спаривании оснований аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин всегда соединяется с цитозином.

                        биомедицинский инженер: человек, который сочетает традиционные инженерные методы с биологическими науками и медициной для улучшения качества здоровья и жизни человека. Биомедицинские инженеры разрабатывают искусственные части тела, медицинские устройства, диагностические инструменты и методы лечения.

                        хромосома: один из нитевидных «пакетов» генов и другой ДНК в ядре клетки. У разных видов организмов разное количество хромосом. У человека 23 пары хромосом, всего 46: 44 аутосомы плюс две половые хромосомы. Каждый родитель вносит по одной хромосоме в каждую пару, поэтому дети получают половину своих хромосом от матери, а половину - от отца.

                        CODIS: Акроним системы идентификации ДНК ФБР: комбинированная система индекса ДНК. См. Http://www.fbi.gov/hq/lab/html/codis1.htm.

                        Сайты CODIS: 13 областей хромосом, в которых FBI CODIS ищет повторяющиеся последовательности ДНК для целей сопоставления.

                        ДНК: дезоксирибонуклеиновая кислота содержит генетические инструкции, которые контролируют биологическое развитие наших клеток и белков, которые они производят. ДНК кодирует последовательность аминокислот в белках, используя генетический код, триплетный код нуклеотидных оснований.

                        Снятие отпечатков пальцев ДНК: метод идентификации людей по особой структуре их ДНК. Поскольку структура ДНК каждого человека различна, как и наши отпечатки пальцев, мы можем быть идентифицированы по нашей ДНК. Этот метод стал известен широкой публике как «ДНК-дактилоскопия» из-за его мощной способности различать неродственных людей.

                        Профиль ДНК: результат определения относительного положения последовательностей ДНК в нескольких местах молекулы. Каждый человек (кроме однояйцевых близнецов) имеет уникальный профиль ДНК при использовании в контексте базы данных CODIS, которая оценивает 13 конкретных участков ДНК.

                        инженер: человек, который применяет свое понимание науки и математики для создания вещей на благо человечества и нашего мира.

                        ген: сегменты ДНК, которые переводятся в белки.

                        мусорная ДНК: участки ДНК, которые не кодируют гены; «большая часть генома состоит из мусорной ДНК». Нежелательная ДНК содержит повторяющиеся последовательности пар оснований, которые можно использовать для целей сопоставления.

                        нуклеотидные основания: части РНК и ДНК, участвующие в спаривании; они включают цитозин, гуанин, аденин, тимин (ДНК) и урацил (РНК), сокращенно C, G, A, T и U. В генетике их обычно называют просто основаниями. Также называется парами оснований.

                        Оценка

                        Обсуждение / мозговой штурм : в классе спросите учащихся, могут ли они придумать способ, которым можно было бы идентифицировать грабителя банка, если бы никто не видел, кем он был. Напомните студентам, что в ходе мозгового штурма ни одна идея или предложение не являются «глупыми». Все идеи следует уважительно выслушивать. Занять некритическую позицию, поощрять дикие идеи и препятствовать критике идей. Мозговой штурм - это то, как инженеры придумывают креативные идеи. Попросите их поднять руки, чтобы ответить. Запишите их идеи на доске.

                        Встроенная оценка деятельности

                        Рабочий лист : попросите учащихся заполнить рабочий лист; просмотрите их ответы, чтобы оценить их уровень владения предметом.

                        Инженерный анализ : попросите студентов выступить в качестве биомедицинских инженеров и проанализировать результаты анализа ДНК для следователей полиции. Попросите каждую команду заявить, кто подозревает, что их ДНК-профиль причастен к преступлению. Насколько уверены их результаты? Затем попросите учащихся написать краткий одностраничный отчет о своих результатах, который они могут передать следователям полиции. В этом отчете они должны объяснить результаты анализа ДНК, как они пришли к своим результатам и как они определили достоверность своих результатов.

                        Вопросы безопасности

                        • Убедитесь, что учащиеся осторожно обращаются с ножницами.

                        Советы по поиску и устранению неисправностей

                        Если у учащихся возникают трудности, проработайте вместе с ними первый сайт CODIS на рабочем листе.

                        Иногда помогает вырезать столбцы данных CODIS доказательств кражи из рабочего листа и держать их рядом со столбцами подозрительных данных, что упрощает сравнение совпадений с повторяющимися последовательностями пар оснований.

                        Расширения деятельности

                        Попросите учащихся провести интерактивное анимационное задание «Поймать преступника», которое включает в себя анализ реального сайта 13 CODIS с использованием трех подозреваемых. См. Веб-сайт Кошландского музея науки «Внедрение ДНК в работу»: https://koshland-science-museum.org/

                        С ростом популярности телешоу CSI студенты могут иметь некоторое представление о судебных доказательствах. В соответствии с этим предложите учащимся изучить творческие инструменты, оборудование и процессы, используемые для точного сбора и изучения доказательств ДНК для расследований преступлений, отцовства и происхождения.