Proteins: Making Bio-Inspired Connections Teresa Leza - - PowerPoint PPT Presentation

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Proteins: ¡ ¡Making ¡Bio-­‑Inspired ¡Connections ¡

Teresa ¡Leza ¡– ¡Villanova ¡Preparatory ¡School ¡– ¡Ojai, ¡CA ¡– ¡UCSB ¡RET ¡(2014-­‑2016) ¡

Images ¡courtesy ¡of ¡: ¡Nadine ¡MarQnez-­‑Rodriguez, ¡Frank ¡Kinnaman ¡and ¡hUp://www.rcsb.org/pdb/explore/images.do?structureId=1HRP ¡

Current ¡Teaching ¡Assignment ¡

Villanova ¡Preparatory ¡School ¡– ¡Ojai, ¡CA ¡ Private ¡Catholic ¡high ¡school ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

grades ¡9-­‑12 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 36% ¡of ¡students ¡reside ¡on ¡campus ¡ ¡ InternaQonal/ELD ¡students ¡

Biology ¡CP ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Honors ¡Biology ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ IB ¡Biology ¡HL ¡(2 ¡year) ¡ ¡ ¡ ¡ AP ¡Biology ¡

hUp://www.123rf.com/photo_20490807_springQme-­‑ aerial-­‑view-­‑of-­‑villanova-­‑prep-­‑school-­‑with-­‑track-­‑pool-­‑ baseball-­‑diamond-­‑tennis-­‑courts-­‑and-­‑c.html ¡

RET ¡I ¡Experience ¡– ¡Understanding ¡the ¡Role ¡

• f ¡Dopa ¡in ¡Mussel ¡Adhesion ¡ ¡

Research ¡QuesQons: ¡

• Does ¡the ¡redox ¡potenQal ¡of ¡

Dopa ¡change ¡over ¡a ¡period ¡

• f ¡Qme? ¡
• How ¡do ¡mussels ¡adhere ¡

despite ¡condiQons ¡that ¡are ¡ not ¡ideal? ¡ ¡Does ¡cleaning ¡ play ¡a ¡role? ¡ PotenQal ¡ApplicaQons ¡of ¡

Research ¡include ¡dental ¡ glue, ¡surgical ¡glue ¡and ¡ underwater ¡adhesives ¡

Photo ¡Credit: ¡Frank ¡Kinnaman ¡

RET ¡I ¡Experience ¡-­‑ ¡Results ¡

0 ¡ 500 ¡ 1000 ¡ 1500 ¡ 2000 ¡ 2500 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ Oxida&on ¡Peak ¡Current ¡ ¡ (nA) ¡ Plaque ¡Age ¡(Days) ¡

• Dopa ¡is ¡oxidized ¡in ¡seawater ¡ ¡
• Mfp6 ¡acts ¡as ¡an ¡anQoxidant ¡to ¡return ¡Dopaquinone ¡to ¡Dopa ¡
• Mfp6 ¡is ¡depleted ¡and ¡oxidaQon ¡levels ¡off ¡

*100 ¡mV/s ¡scan ¡rate ¡

Why ¡Proteins? ¡

RET ¡I ¡InspiraQon ¡

Using ¡inspiraQon ¡from ¡living ¡

• rganisms ¡to ¡develop ¡commercial ¡

products ¡

Central ¡Dogma ¡of ¡Biology ¡

Current ¡research ¡emphasis ¡on ¡the ¡ Human ¡Proteome ¡Project ¡

Photo ¡Courtesy: ¡Nadine ¡MarQnez ¡Rodriguez ¡ hUp://polyview.cchmc.org/cgi-­‑bin/get_image_3d.cgi? IMG=14375871447209&JOB=bb9e926195ebb02&Preview=1 ¡

RET ¡II ¡– ¡Curriculum ¡Overview ¡

What ¡is ¡a ¡Protein? ¡

• ­‑ ¡Compressible ¡Tensegrity ¡

Proteins ¡AcQvity ¡

• ­‑ ¡Cellular ¡Landscape ¡

Panorama: ¡LocaQng ¡Types ¡

• f ¡Proteins ¡

Protein ¡synthesis ¡

• ­‑ ¡Gene ¡Expression ¡and ¡

GeneQc ¡Engineering ¡ Protein ¡Bracelet ¡AcQvity ¡

• ­‑Cellular ¡Landscape: ¡

transcripQon/translaQon ¡

• ­‑Genes ¡and ¡

ConSEQUENCES: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ BLAST ¡lab ¡ Bio-­‑Inspired ¡Diagnos&cs ¡

• ­‑ ¡Microfluidics ¡using ¡

ampli ¡science ¡“liUle ¡ devices” ¡Lab ¡

The ¡Beginning ¡and ¡End: ¡ ¡ Tour ¡of ¡a ¡Human ¡Cell ¡

Two ¡black ¡and ¡white ¡copies ¡

are ¡given ¡to ¡the ¡students ¡at ¡ the ¡beginning ¡of ¡the ¡unit ¡

As ¡we ¡discuss ¡certain ¡

structures ¡in ¡class, ¡the ¡ students ¡will ¡color ¡them ¡on ¡ their ¡copy ¡

These ¡will ¡be ¡used ¡at ¡the ¡

compleQon ¡of ¡this ¡unit ¡as ¡an ¡ alternaQve ¡assessment ¡

Part ¡I: ¡What ¡is ¡a ¡Protein? ¡

Compressible ¡Tensegrity ¡Proteins ¡

Tensegrity ¡= ¡tensional ¡integrity ¡ Seen ¡in ¡a ¡variety ¡of ¡applicaQons ¡

from ¡Disney’s ¡Epcot ¡Center ¡ball ¡ to ¡muscles/bones, ¡proteins ¡and ¡ molecules ¡

Important ¡to ¡proteins ¡that ¡alter ¡

shapes ¡to ¡conform ¡to ¡their ¡ substrate ¡and/or ¡absorb ¡shock ¡ ¡

hUp://enfist.si/En/news/news/124/ discovery_of_new_designed_smart_nanostructures_based_on_modular_polypepQde_ building_blocks/ ¡ hUps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e7/Epcot-­‑ SpaceshipEarth-­‑0148.jpg ¡

Part ¡I: ¡What ¡is ¡a ¡Protein? ¡

Compressible ¡Tensegrity ¡Proteins ¡

Students ¡construct ¡a ¡model ¡

protein ¡using ¡rubber ¡bands ¡and ¡ straws ¡

THE ¡PERFECT ¡FIRST ¡DAY ¡

ACTIVITY! ¡

Web ¡search ¡to ¡find ¡an ¡analogy ¡ ¡

Proteins ¡: ¡Model ¡

• Example: ¡Microtubules ¡are ¡

more ¡rigid ¡support ¡structures ¡ like ¡the ¡straws. ¡ ¡Intermediate ¡ filaments ¡stretch ¡and ¡return ¡to ¡ their ¡original ¡length ¡like ¡the ¡ rubber ¡bands ¡

Part ¡I: ¡What ¡is ¡a ¡Protein? ¡

Cellular ¡Landscape: ¡Identifying ¡Types ¡of ¡Proteins ¡

• How ¡many ¡types ¡of ¡

proteins ¡can ¡be ¡ labeled ¡on ¡the ¡cell ¡ panorama? ¡

• Enzymes ¡
• Structural ¡Proteins ¡
• Signaling ¡Proteins ¡
• Regulatory ¡Proteins ¡
• Transport ¡Proteins ¡
• Sensory ¡Proteins ¡
• Motor ¡Proteins ¡
• Defense ¡Proteins ¡
• Storage ¡Proteins ¡

Part ¡II: ¡Protein ¡Synthesis ¡

Cellular ¡Landscape ¡– ¡Tracing ¡Transcription/Translation ¡

Using ¡the ¡cell ¡

panorama: ¡Trace ¡the ¡ flow ¡transcripQon ¡ and ¡translaQon. ¡ ¡ Color, ¡label, ¡and ¡ describe ¡the ¡ following ¡structures: ¡

DNA ¡ RNA ¡polymerase ¡ mRNA ¡ Ribosome ¡ Growing ¡

polypepQde ¡chain ¡

Completed ¡

protein(anQbody) ¡

Part ¡II: ¡Protein ¡Synthesis ¡

Protein ¡Bracelet ¡Lab ¡

Students ¡select ¡a ¡bracelet ¡to ¡

make ¡based ¡on ¡what ¡is ¡ lacking ¡in ¡the ¡organism ¡ (negaQve ¡feedback ¡loop) ¡

Bracelets ¡are ¡

representaQons ¡of ¡the ¡first ¡7 ¡

• r ¡8 ¡amino ¡acids ¡of ¡actual ¡

proteins ¡

Part ¡II: ¡Protein ¡Synthesis ¡

Protein ¡Bracelet ¡Lab ¡

Part ¡II: ¡Protein ¡Synthesis ¡

Protein ¡Bracelet ¡Lab ¡

• Concepts ¡Covered: ¡
• NegaQve ¡feedback ¡driven ¡

gene ¡expression ¡

• TranscripQon ¡

Base-­‑pairing ¡rules ¡ TATA ¡box ¡(promoter) ¡ RNA ¡polymerase ¡ Poly-­‑A ¡tail ¡

• TranslaQon ¡

Codons ¡(mRNA) ¡ AnQcodons ¡(tRNA) ¡ Ribosomes ¡ PepQde ¡Bonds ¡ PolypepQde ¡Chains ¡

• GeneQc ¡ModificaQon ¡

hUp://www.3dmoleculardesigns.com/EducaQon-­‑Products/GeneQc-­‑ Codon-­‑Poster.htm ¡

Part ¡II: ¡Protein ¡Synthesis ¡

Protein ¡Bracelet ¡Lab ¡

Day ¡2 ¡– ¡GeneQc ¡Engineering ¡

Extension ¡

Students ¡will ¡be ¡given ¡a ¡

sequence ¡from ¡a ¡red ¡ fluorescent ¡protein ¡gene ¡ that ¡will ¡be ¡inserted ¡into ¡ their ¡DNA ¡strand ¡from ¡the ¡ previous ¡day ¡

They ¡will ¡make ¡a ¡new ¡

bracelet ¡including ¡the ¡ geneQc ¡modificaQon ¡

hUp://www.scienceclarified.com/Ga-­‑He/GeneQc-­‑Engineering.html ¡

Part ¡II: ¡Protein ¡Synthesis ¡ Genes ¡and ¡ConSEQUENCES ¡

Genes ¡and ¡ConSEQUENCES ¡– ¡

kit ¡available ¡from ¡Carolina ¡ Biological ¡Supply ¡Company ¡

Students ¡are ¡given ¡a ¡paQent ¡

card ¡

Symptoms ¡ Gene ¡sequence ¡

Run ¡BLAST ¡on ¡gene ¡sequence ¡

to ¡diagnose ¡the ¡paQent ¡

Part ¡III: ¡Bio-­‑inspired ¡Diagnostics ¡

• Lab-­‑on-­‑a-­‑chip ¡technology ¡
• DiagnosQc/Wellness ¡paper-­‑

based ¡indicators ¡

• Classroom ¡advantage: ¡

mulQdisciplinary ¡

• Benefits ¡include: ¡
• Low ¡cost ¡
• Environmentally ¡friendly ¡
• Rapid ¡results ¡
• User ¡friendly ¡
• Small ¡sample ¡
• MulQple ¡applicaQons ¡

Part ¡III: ¡Bio-­‑inspired ¡Diagnostics ¡

Sample ¡Block ¡ Conjugate ¡Block ¡ Test ¡Block ¡ Absorbent ¡Block ¡ Gold ¡nanoparQcles ¡ with ¡aUached ¡ anQbodies ¡ AnQbodies ¡ bound ¡to ¡ nitrocellulose ¡ AccumulaQon ¡of ¡gold ¡ nanoparQcles ¡gives ¡a ¡ visible ¡band ¡

Summing ¡it ¡Up: ¡

Kahoot.it ¡quiz ¡to ¡cover ¡

protein ¡curriculum ¡

Individual ¡Cell ¡Panorama ¡

Poster: ¡

• Students ¡will ¡paste ¡their ¡

two ¡cell ¡Panoramas ¡to ¡ construcQon ¡paper ¡and ¡ explain ¡every ¡colored ¡item ¡

Acknowledgements ¡ ¡

Frank ¡Kinnaman ¡(RET ¡coordinator) ¡ Nadine ¡MarQnez-­‑Rodriguez ¡(RET ¡I ¡mentor) ¡ Jonathan ¡McCabe ¡(RET ¡cohort) ¡ Marilyn ¡Garza ¡(RET ¡II ¡mentor) ¡