3D打印的基因表达过程生物课堂演示教具 中等

一、项目来源 

        我一直对生物就很感兴趣，特别是对微观世界充满了好奇。在学习到基因表达的部分的时候，感觉难以理解其过程，在网上搜索相关教程时，发现讲解的方式无非是动画、图片等，非常的抽象，在评论区发现拥有这个问题的同学不在少数。

二、项目介绍

        基因表达的过程分为转录、翻译两个部分，我们通过步进电机、传感器等完成转录过程的全自动运行。翻译的过程，我们制作了多个密码子，需要同学根据碱基互补配对原理选择正确的反密码子进行翻译，加强同学们对这部分的理解，也使基因表达的整个过程更加的直观、形象生动。

        整个设备均采用3D建模、打印自主完成。整个过程分为：转录、翻译，转录的时候，双链DNA会在我们的RNA聚合酶的作用下解旋成单链，并通过和游离的碱基根据规则进行配对，我们使用圆盘和颜色传感器来对游离的碱基进行选择，并通过磁铁吸附正确的核糖核苷酸，产生信使RNA，将产生的信使RNA放置

三、装置运行流程

        1. 首先接上设备的电源，复位所需要的游离碱基、DNA链等装置。

        2. 设备开始运行，会通过碱基互补配对原理，通过颜色方式进行模拟，转动碱基圆盘，通过颜色传感器选择正确的碱基。

        3. 步进电机带动圆盘和解旋的DNA单链同步运转，完成转录的过程，产生信使RNA。

        4. 将产生的信使RNA放置在我们的翻译平台，通过选取正确的密码子进行吸附，并将密码子携带的肽键进行连接形成肽链，卷曲成蛋白质，完成基因表达的过程。

四、制作过程

        1. 我们首先查看了基因表达的整个过程，通过分析各部分的运动，绘制草图。

        2. 然后通过纸板和白纸制作我们的项目模型。

        3. 根据我们绘制的草图和制作的纸质模型来制作转录部分。首先是使用3D结构和磁铁完成DNA双链的模拟，然后通过RNA聚合酶解开双链。

        4. 接下来我们通过设计多色的碱基来模拟不同的碱基序列，例如红色的碱基对应：A，绿色随对应T等，这样就可以实现有目标的配对了。并且设计了旋转平台，并使用颜色传感器对碱基进行选择

        5. 绘制一个底座，可以盛放我们的圆盘和DNA双链，并在运动中对此部分进行解旋，吸附等一系列动作，非常复杂。我们在这部分的设计花费的时间最多，设计的难度也是最大的。

         6. 编写程序，开发环境和硬件使用豌豆拼Wonderbits，豌豆拼是一种可以自由拼接的电子模块。通过不同的模块组合加上编程即可实现精彩的创意。

        程序读取颜色传感器的数值和步进电机的旋转，选择正确的游离碱基位于吸附位置。我们给双链DNA安装了步进电机进行拉动解旋，并通过游离碱基的旋转圆盘，同步转动。

        7. 根据我们绘制的草图和制作的纸质模型来制作翻译部分，首先设计反密码子，反密码子是与给定密码子互补配对的一组三个核苷酸（碱基）序列。在DNA转录为mRNA的过程中，DNA上的密码子会被转录成mRNA上的反密码子。这个反密码子将在翻译过程中与tRNA上的对应反密码子进行互补配对，从而决定特定的氨基酸被添加到蛋白质链中。反密码子形状我们还是需要参考我们产生的携带密码子的信使RNA。

        依旧是磁吸的设计，来制作反密码子的底座，反密码子上还会携带有肽键，并可连接成肽链，这部分的设计采用形象的金属链连接，并可将两部分取开，完成肽键连接成肽链的动作，并实现卷曲成蛋白质。

        然后和转录产生的信使RNA结合，完成翻译过程。

五、未来展望

        1. 制作的设备的对于基因表达的一些更为复杂的细节，还没有办法模拟，后续会尝试继续优化设备。

        2. 使用的都是3D打印制作的，可以考虑使用注塑工艺，提高模型的光滑程度和耐用性。

        3. 在实际的课堂上进行推广使用，接受更多的批评指正和意见。