Molekülmodelle sind ein bewährtes Instrument für den Chemieunterricht für Schüler aller Altersgruppen. Sie ermöglichen es den Nutzern, die dreidimensionale Struktur eines Moleküls und die Anordnung seiner Atome zu veranschaulichen, und können so den Lernprozess für wichtige Themen wie kovalente Bindungen beschleunigen. Im Biochemieunterricht sind molekulare Modelle der DNA ein beliebtes Mittel, um Schülern die Nukleobasenpaarung und das Aussehen der ikonischen doppelsträngigen Helixstruktur zu vermitteln.
Trotz ihrer Nützlichkeit haben die meisten auf dem Markt befindlichen Molekülmodelle eine bemerkenswerte Einschränkung: Sie können keine intermolekularen Wechselwirkungen darstellen. Insbesondere Wasserstoffbrückenbindungen sind eine sehr wichtige Art von Anziehungskraft, die sich zwischen einem Wasserstoffatom (Donor) in einem Molekül und einer Akzeptorstelle auf der anderen Seite, in der Regel einem Stickstoff- oder Sauerstoffatom, bildet. Die Stärke dieser Bindungen variiert mit dem Abstand und dem Winkel zwischen dem Akzeptor und dem Donor, so dass sie mit herkömmlichen Molekülmodellen nur schwer darstellbar sind.
Wasserstoffbrückenbindungen gehören zu den Hauptantriebskräften bei der Basenpaarung in DNA und RNA, und es wäre für die Studierenden besser, wenn es ein Molekülmodell gäbe, das sie genauer darstellen könnte. Als Antwort auf diese Herausforderung entwarfen Associate Professor Jiro Kondo von der Sophia University und Shota Nakamura von StudioMIDAS, beide in Japan, BasePairPuzzle, eine neue Art von DNA-Molekülmodell, das das Phänomen der Basenpaarung genau darstellt.
Auf den ersten Blick scheinen die Teile des BasePairPuzzle einfache Darstellungen der Nukleobasen A, C, G, T und U zu sein. Diese 3D-gedruckten Teile haben jedoch strategisch platzierte Vertiefungen, in die handelsübliche, zylindrische Neodym-Magnete passen. Die Idee ist, dass die abstoßenden und anziehenden Kräfte zwischen diesen Magneten die Wasserstoffbrückenbindungen und elektrostatischen Kräfte, die natürlich zwischen Nukleobasenpaaren bestehen, genau nachahmen
Dank seines ausgeklügelten Designs können Schüler mit BasePairPuzzle nicht nur sehen, sondern auch fühlen, wie sich Nukleobasen miteinander verbinden. "Durch die Gestaltung der Form und Größe der Teile, die in die Handfläche des Benutzers passen, die richtige Stärke der Magnetkraft und das Klickgeräusch bei der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen kann der Benutzer auf bequeme Weise das Gefühl erleben, wie Moleküle miteinander interagieren", sagt Associate Professor Kondo.
Das Puzzle eignet sich zwar hervorragend, um zu verstehen, warum die komplementären A-T- und C-G-Paare bei weitem am häufigsten vorkommen, es hat aber auch den zusätzlichen Vorteil, dass sich auch nicht-komplementäre Paare bilden können. Dies wiederum macht den Studierenden klar, dass es eine große Vielfalt an Nukleobasenpaaren jenseits der komplementären gibt und dass diese Vielfalt zu den verschiedenen DNA- und RNA-Strukturen führt, von denen wir heute wissen, dass sie existieren.
Dazu erklärt Associate Professor Kondo: "Sobald die Schüler erkennen, dass die Teile durch magnetische Kräfte zueinander hingezogen werden, werden sie verstehen, dass jede Kombination der vier Basen auf irgendeine Weise zusammenhält. Wichtig ist, dass alle Basenkombinationen, die die Schülerinnen und Schüler bilden, sogar Tripletts und Quartette, in einigen RNA-Strukturen in lebenden Organismen vorkommen können, was bedeutet, dass sie alle richtig sind.
Darüber hinaus können die BasePairPuzzle-Teile auf eine spezielle zylindrische Halterung montiert werden, um komplementäre Basenpaare zu halten und die doppelsträngige Helixstruktur der DNA zu replizieren. Auf diese Weise können die Schüler den Unterschied zwischen den Haupt- und Nebensträngen leicht erkennen. Ein weiterer Verwendungszweck von BasePairPuzzle ist die Veranschaulichung der Entstehung von DNA-Mutationen in Form eines intuitiven Schritt-für-Schritt-Prozesses.
Associate Professor Kondo hat bereits viele Vorlesungen und Klassen mit BasePairPuzzle gehalten, sowohl in der High School als auch an der Universität, und hat viele positive Rückmeldungen von den Studenten erhalten. Darüber hinaus haben die Forscher die notwendigen Dateien für den 3D-Druck der BasePairPuzzle-Teile kostenlos zur Verfügung gestellt, in der Hoffnung, so vielen Schülern wie möglich eine praktische Erfahrung der Nukleobasenpaarung zu ermöglichen.