一种向学生教授核碱基配对的新方法

分子模型是一种久经考验的工具，可用于向所有年龄段的学生教授化学。通过使用户能够可视化分子的三维结构及其原子的排列方式，他们可以加速共价键等基本主题的学习过程。在生物化学课程中，DNA 的分子模型是一种流行的方式，可以向学生教授核碱基配对以及标志性的双链螺旋结构的外观。

尽管它们很有用，但市场上的大多数分子模型都有一个显着的局限性：它们不能代表分子间的相互作用。特别是氢键，是一种非常重要的吸引力类型，它在一个分子中的氢原子(供体)和另一个分子中的受体位点(通常是氮或氧原子)之间形成。这些键的强度随着受体和供体之间的距离和角度而变化，这使得使用传统分子模型来描述它们具有挑战性。

氢键是 DNA 和 RNA 碱基配对背后的主要驱动力之一，如果有一个分子模型可以更准确地代表它们，对学生来说会更好。为了应对这一挑战，来自日本上智大学的Jiro Kondo 副教授和来自StudioMIDAS 的Shota Nakamura 先生设计了BasePairPuzzle，这是一种新型的DNA 分子模型，可以准确地表示碱基配对现象。2023 年 1 月 26 日在线发表在《化学教育杂志》上的一篇文章详细介绍了该模型的详细信息和用途。

乍一看，BasePairPuzzle 的各个部分似乎是核碱基 A、C、G、T 和 U 的简单表示。然而，这些 3D 打印部件具有战略性放置的缝隙，可以适合商用圆柱形钕磁铁。这个想法是，这些磁铁之间的排斥力和吸引力准确地模拟了核碱基对之间自然存在的氢键和静电力。

由于其巧妙的设计，BasePairPuzzle 让学生不仅可以看到，还可以感受核碱基如何相互配对。“通过设计适合用户手掌的形状和尺寸、适量的磁力以及氢键形成时的咔嗒声，用户可以舒适地体验分子相互作用的感觉， ”近藤副教授强调说。

虽然这个谜题非常有助于理解为什么互补的 A-T 和 C-G 对是迄今为止最常见的，但它还有一个额外的好处，即允许形成非互补对。反过来，这让学生清楚地知道，除了互补碱基对之外，核碱基对还存在很大的多样性，而正是这种多样性导致了我们现在已知存在的各种 DNA 和 RNA 结构。对此，近藤副教授解释说：“一旦学生意识到这些碎片是通过磁力相互吸引的，他们就会明白四个碱基的任何组合都会以某种方式粘在一起。重要的是要记住，学生所做的所有碱基组合，甚至是三联体和四联体，都可以存在于生物体的某些 RNA 结构中，这意味着它们都是正确的。”

最重要的是，BasePairPuzzle 部件可以安装到一个特殊的圆柱形支架上，以固定互补的碱基对并复制 DNA 的双链螺旋结构。这让学生很容易想象大沟和小沟之间的区别。BasePairPuzzle 的另一个用途是说明 DNA 突变是如何作为一个直观的逐步过程发生的。

Kondo 副教授已经在高中和大学使用 BasePairPuzzle 进行了许多讲座和课程，并收到了许多学生的积极反馈。此外，研究人员将3D打印BasePairPuzzle拼图所需的文件免费提供给大家，希望能够让尽可能多的学生亲身体验核碱基配对。