Мармеладки в виде белков помогут слепым детям изучать химию

Американские химики создали съедобные и несъедобные трехмерные модели девяти различных белков, которые можно безопасно ощупывать ртом. В перспективе такие материалы помогут слабовидящим детям изучать химию. В работе, опубликованной в журнале Science Advances, ученые протестировали модели на зрячих студентах и школьниках, а также на мальчике с ретинобластомой — сыне одного из авторов исследования. Как сообщают авторы, участники хорошо отличили модели разных белков друг от друга.

Около 36 миллионов людей во всем мире лишены зрения и еще 216 миллионов имеют серьезные проблемы со зрением. Из них 1 миллион слепых детей. Слабовидящие школьники и студенты сталкиваются с трудностями в изучении наук. К примеру, вводный учебник по биохимии «Основы биохимии Ленинджера» содержит более тысячи изображений белков. Чтобы незрячие учащиеся смогли их представить, необходимы трехмерные модели белков, которые можно трогать. Обычно такие модели громоздкие и дорогие и, следовательно, в образовательных учреждениях их немного.

Обучение слепых и слабовидящих детей требует задействования других органов чувств, и осязание пальцами — не единственный вариант. Исследования показывают, что тактильная чувствительность языка больше, чем у кончиков пальцев. Однако учебных материалов, которые можно было бы положить в рот, пока не существует.

Теперь химики под руководством Кейтлин Баумер (Katelyn M. Baumer) из Бэйлорского университета в Техасе создали съедобные желатиновые модели различных белков, подобные мармеладным мишкам, а также модели из несъедобного материала, но безопасного для держания во рту.

Ученые выбрали следующие белки: супероксиддисмутаза-1, миоглобин, карбоангидраза II, гексокназа, кальмодулин и мальтозо-связывающий белок. Причем три последних белка были представлены в двух разных конформациях, всего получилось девять 3D-моделей. Изображения были взяты из Банка Данных Белковых Структур (PDB, Protein Data Bank).

Несъедобные модели напечатали на 3D-принтере из хирургического воска. Их изготовили в двух размерах: небольших (размером с арахис — от 5 до 20 миллиметров в диаметре) и маленьких (размером с рисовое зерно — от 2 до 10 миллиметров в диаметре). Химики покрыли их фиолетовым и оранжевым пищевыми красителями и  поместили в коробку под названием «Ботаники» («Nerds»).

Для изготовления мармеладок горячий желатин заливали в силиконовые формы (сделанные при помощи напечатанных 3D-моделей), используя обычную кондитерскую пипетку. В работе использовали желатиновый порошок «Jell-O» с апельсиновым вкусом. Заполненные формы помещали в холодильник на пять дней, чтобы дать смеси затвердеть, а затем конфетки сохли еще неделю. Приготовление мармеладок поручили студентам Бэйлорского университета, не имеющим подобных навыков. Этим ученые хотели продемонстрировать, что с этой задачей может справиться любой человек без специальной подготовки. Съедобные модели изготовили только одного размера (примерно с арахис), так как при попытке сделать их поменьше, некоторые особо хрупкие желатиновые структуры разламывались.

Несъедобные модели отличались от съедобных только одной небольшой деталью: у них было ушко для крепления нити, чтобы дети случайно не проглотили учебные материалы.

В следующей части исследования химики хотели выяснить, насколько хорошо модели белков отличаются друг от друга по ощущениям в руках и во рту. Для этого ученые набрали студентов и учеников начальных классов. Все участники имели нормальное зрение. На чувствительность ротовой полости слепота обычно не влияет. По словам авторов, слепые дети — желанные участники многих научных исследований, поэтому ученые решили не привлекать их для своей работы.

Однако данное исследование все же включало одного ребенка с существенными проблемами со зрением. Это 10-летний мальчик, сын одного из авторов работы. Он частично видит одним глазом, а второго глаза он лишился из-за ретинобластомы еще в младенчестве.

Исследователи завязали глаза студентам и дали каждому модель белка, которую нужно было изучить, положив в рот. Затем участникам предложили проделать то же самое с девятью моделями, чтобы найти среди них исходную модель. Студентов просили ответить «да» или «нет» на вопрос: «идентична ли эта модель первой модели, которую мы вам дали?». Тестовый балл рассчитывался как отношение количества правильных ответов к общему количеству вопросов. Затем ученые провели такие же тесты, в которых студенты ощупывали модели пальцами рук. Из 281 студента 249 знакомились с несъедобными моделями, а 32 — со съедобными. Все потому, что изготовление желатиновых моделей было более трудоемким.

В среднем студенты угадывали исходную модель с помощью рта с точностью 85,6 процентов. А когда участников просили угадать исходную модель используя пальцы рук, они отвечали верно в 84,8 процентах случаев. Также исследователи попросили другую группу из 84 зрячих студентов посмотреть на компьютерную модель белка и найти эту модель из выборки моделей других белков. Студенты смогли правильно назвать белок в 87,5 процентах случаев. Это говорит о том, что точность визуальной и тактильно идентификации практически одинакова. Еще тесты показали, что студенты, которым давали меньшие по размеру модели, показывали более высокую точность распознавания ртом (а не пальцами). Тест с участием 31 ученика начальной школы, показал аналогичные результаты. 

Мальчик с ретинобластомой верно ответил на 31 из 40 вопросов (77,5 процентов) при ощупывании моделей ртом. А в тестах с более маленькими по размеру моделями точность распознавания достигла 80 процентов. 

Созданием съедобных объектов занимаются не только химики. Несколько месяцев назад физики сделали съедобные голограммы из кукурузного сиропа и ванильного экстракта.