Education

"Education is the most powerful weapon which you can use to change the world." – Nelson Mandela

Education has been one of the cornerstones of our iGEM project. With half of the members having experience as educators to middle school, high school and university students, we have been quite motivated to share our project and our ideas further to both the younger and older generations, in a fun and easy way. We wished to spark an interest in biology in the younger generation, as well as make people of all ages curious about innovations, biological advancements and iGEM.

Our project is quite ‘heavy’ to convey with only words, as such we decided that the most efficient way to communicate our ideas is to involve a more hands-on educational approach, in addition to adding fun twists, to convey the science behind our idea correctly. We have worked with finding an appropriate way to approach people of all ages and make a big synthetic biology project into an interactive story time, which we shared through our events.

From the beginning we were quite focused on working with Education as an excellence criteria, as 3 of the 7 members are educators, and our team member Marlene Metz devised a brilliant method to share the idea of a cortisol monitoring device with a younger audience as well as people unfamiliar with synthetic biology or biology in general. The Educational Storytime, as we have called it in the team, was shared through different events we participated in and was conceived early in our project phase.

Our Educational goals encompass two main aspects of our project. The first main Educational Goal is explaining synthetic and protein biology using LEGO. We wished to explain the complicated and main parts of the process of transcription, such as amino acids, ribosomes and plasmids, with a hands-on exercise. This concept was created and targeted mostly for middle school students, aged 11-15. In order to explain the three aspects of transcription - plasmids/genetic information, amino acids as building blocks, and ribosomes - a LEGO analogy was prepared. The genetic information to build their own protein was given to visitors as LEGO instructions. These were equivalent to what a ribosome reads and transcribes. In the world of synthetic biology they would be corresponding to a plasmid given to a bacterium. The building blocks here represent what a ribosome uses to make proteins, the amino acids. By following this concept, the visitors could use the LEGO bricks and to feel how it is to be an essential part of the protein synthesis - the ribosome themselves.

A little easier to understand and therefore targeted at an even younger audience like primary school students(aged 5-11), was the second aspect of the LEGO protein building. With this exercise, once the protein was completely assembled, it could hold an eraser - a non-LEGO brick. This eraser symbolized our molecule of interest - cortisol. The LEGO build could then be closed keeping the cortisol in place and showing how ligand binding and conformational change work.

Our second main Educational Goal was explaining our project idea through the medium of a short story. The short story was written for all ages and included parts that were more complex and parts that were easier, using many real-life analogies. We aimed to explain the basics of the endocrine system in the human body on the basis of cortisol to everybody starting at primary school level. Following this and a little more advanced, was the description of the glucocorticoid receptor(GR), for middle or high school students. Here we utilized the building of the LEGO proteins and a hand-crafted mailbox as analogy to help even the youngest understand. The last part of the story was about cortisol in stress and Addison's disease, and our project specifically. This part was mostly for high schoolers and adults, but also for some clever children who were able to understand as well.

We provide the whole story here on the wiki in several languages for everybody to read it again. We linked the wiki on the public events and hope parents and teachers can use this to read the story or use it as the basis for educational material for their children again.

All Educational goals were prepared ahead of time for all our events and presented to the correct audience we received at our stands discussions.

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Educational Storytime

The beginning of our Educational Storytime, DetectiMOL - the unexpected delivery of cortisol (NO: Den uforventet leveranse av kortisol),happened when our teammate Marlene Metz, began discussing with our team how to approach the theme of cortisol and cortisol binding and detection to a younger audience. Although different methods were recommended such as using PLUS-PLUS bricks, we decided to work with LEGOs, due to their universal abundance.

Everything began with a simple LEGO building exercise and Marlene and the team's fantasy did the rest.

Original LEGO build, made in the common room of the science library at the University of Oslo, on a sunny day in June.

Following the LEGO build we began envisioning a storyboard that can be taught to a young audience and divided it into three parts, The Problem, The Idea and The Solution. It goes as such.

Wie wird dein Körper reguliert?

Die Funktion eines Körpers wird durch viele winzige Teile reguliert, die zu klein sind, um sie zu sehen, und die in einem sehr komplexen Zusammenspiel stehen. Dieses Zusammenspiel lässt sich mit einem Vergleich zu unserer sehr gut sichtbaren Welt verstehen: Dem Postdienst.

Dein Körper besteht aus winzigen Zellen, die verschiedene Organe bilden, und die Organe bilden deinen Körper. Stell dir den Körper als ein Land vor, jedes Organ als eine Stadt, jede Zelle als eine Person mit einer Aufgabe. In diesen Zellstädten geht ein ständiges Treiben, genau wie in der Außenwelt, in der wir Menschen uns befinden. Und weil es so viele Städte gibt, die Teil des Landes sind, müssen sie miteinander kommunizieren, um alles was vor sich geht zu regeln.

Die Kommunikation wird vom Hauptpostamt übernommen - das Gehirn in deinem Kopf. Das Gehirn hat auch viele Verwaltungsaufgaben, aber hier konzentrieren wir uns auf die Post. Sie muss in ständigem Kontakt mit den Organstädten stehen, um zu wissen, was sie brauchen und wie sie unterstützt werden können. Gleichzeitig sorgen die Städte dafür, dass das Land mit den richtigen Ressourcen versorgt wird.

Wie funktioniert also der Postdienst?

Dieser Postdienst ist unter Forschern als das endokrine System bekannt. Die Kommunikation in diesem System beruht auf Hormonen. Das ist ähnlich wie das Verschicken eines Briefes. Eines dieser Hormone ist Cortisol. Cortisol als Brief übermittelt die Nachricht an das Gehirn, dass bestimmte Ressourcen im Körper benötigt werden. Die Cortisol-Briefe werden nur an Adressen mit den richtigen Briefkästen, den so genannten Rezeptoren, verschickt. Es gibt mehrere mögliche Rezeptoren, die Cortisol mit der Nachricht für die Zellen empfangen können. Diese Rezeptoren sind zum Beispiel der Glucocorticoid-Rezeptor oder der Mineralcorticoid-Rezeptor.

Das Gehirn als Hauptpostamt weiß, wo es zu bestellen hat, und nimmt Kontakt zu anderen Städten (Organen) auf, deren Bewohner (Zellen) mit der Bearbeitung der Bestellung beginnen. Cortisol wird im Vorort der Nieren, den Nebennieren, bestellt.

In dem Land, dem Körper, gibt es auch den Wechsel von Tag und Nacht. Manche Städte haben ein wildes Nachtleben, während es in anderen ruhiger zugeht. Das Postamt in den Nebennieren hat eine ruhigere Nachtschicht zu arbeiten. Während dieser Zeit werden weniger Briefe vom Gehirn verschickt als am Tag. Am Morgen, wenn alle aufwachen und den Tag starten, werden viel mehr Briefe vom Gehirn an die Nebennieren geschickt, und es wird mehr Arbeit erledigt. Jeder ist so produktiv. Am Ende des Tages sind alle müde von der Arbeit, wollen eine Pause machen und sich in der Nacht ausruhen. Die Kommunikation wird heruntergefahren, so dass die Cortisol-Briefe bis zum nächsten Morgen wieder weniger werden. Dieser Zyklus mit vielen Briefen am Tag und weniger in der Nacht wird als „zirkadianer Rhythmus“ bezeichnet, was in der Wissenschaftssprache für „etwa ein Tagesmuster“ steht und bedeutet, dass sich das Muster nach einem Tag und einer Nacht wiederholt.

Auch andere Hormone folgen diesem Rhythmus, allerdings in einem anderen Muster, weil sie andere wichtige Informationen transportieren. Melatonin zum Beispiel ist ein Hormon, das jedem mitteilt, dass es Zeit ist zu schlafen und sich vom langen Tag zu erholen. Am Abend wird viel Melatonin ausgeschüttet, am Morgen und tagsüber weniger.

Was ist Stress und was hat er mit der Post zu tun?

Manchmal gibt es stressige Zeiten. Jeder hat sie und um sie zu überstehen, muss viel mehr Arbeit geleistet werden. Dann werden vom Gehirn viel mehr Cortisol-Briefe angefordert, weil das Land mehr Arbeit verlangt. Diese spezifischen Briefe werden an den Vorort der Nieren, die Nebennieren, geschickt. Nebennieren sind Drüsen und produzieren Cortisol. Die lokalen und spezifischen Postämter, die Briefe mit dem Hauptpostamt im Gehirn austauschen, kennt man auch als Hormondrüsen. Und die Nebennieren sind die richtige Adresse für Cortisol-Nachrichten. Stress führt dazu, dass die Nebennieren mehr Cortisol produzieren, was die Produktivität der Empfängerzellen für Cortisol-Post erhöht.

Morbus Addison und der Poststreik

In seltenen Fällen streikt das Postamt in den Nebennieren. Das bedeutet, dass sie die Cortisol-Briefe nicht mehr schreiben und verschicken, auch dann nicht, wenn das Hauptpostamt des Gehirns sie sehr freundlich darum bittet. Der Streik kann viele Gründe haben, und in einigen Fällen führt er dazu, dass das Postamt geschlossen wird. Es wird keine Post mehr verschickt. Das ist aber sehr gefährlich für das Land, denn es braucht ein funktionierendes Kommunikationssystem. Die Mitarbeiter-Zellen wissen dann nicht, was sie zu welchem Zeitpunkt tun sollen, und das beeinträchtigt die Arbeit vieler Zellen.

Wenn das passiert, muss die Aufgabe, Cortisol-Briefe zu verschicken, von Außenstehenden übernommen werden. Das sind dann Medikamente, die Cortisol transportieren. Sie sind schon recht gut in ihrem Job, Cortisol-Post zuzustellen, aber niemals so gut wie das Nebennieren-Postbüro. Sie sind nicht bei der Hauptpost angestellt und folgen nicht so genau dem zirkadianen Rhythmus, so dass sie jemanden brauchen, der überwacht, ob alles reibungslos läuft. Im Moment hat noch niemand diese Aufgabe übernommen.

Das Problem, die Idee, die Lösung

Nun wissen wir, dass im Körper eine Menge Postkommunikation stattfindet. Viele Hormonbriefe werden von der Hauptpost des Gehirns und den lokalen Postämtern der Organstädte verschickt und ausgetauscht. Wir haben aber auch gelernt, dass es Situationen gibt, in denen nicht alles reibungslos läuft und dass es wichtig ist, den Tag-Nacht-Rhythmus einzuhalten.

Das Problem: In manchen Situationen sind die Produktion und Ausschüttung von Cortisol nicht perfekt. Bei Stress ist es in Ordnung, wenn mehr Cortisol produziert wird, um die Arbeit der Zellen zu erhöhen. Aber ständiger Stress und damit ständige Cortisol-Post, die die Zellen zu immer mehr Arbeit auffordert, ist für sie sehr anstrengend. Das kann dazu führen, dass die Zellen ihre Arbeit einstellen, und der Körper wird krank. Ein anderer Fall ist die Addison-Krankheit, auch bekannt als Nebenniereninsuffizienz, bei der die Poststelle in den Nebennieren geschlossen ist, so dass die Kommunikation, die auf Cortisol angewiesen ist, unterbrochen ist. Auch das ist sehr gefährlich für den Körper, so dass wir Menschen hier mit Medikamenten eingreifen müssen, die die Arbeit übernehmen. Das ist aber nie so gut wie die Nebennieren. In beiden Fällen wäre es gut, jemanden zu haben, der die Menge an Cortisol überwacht, die gerade durch den Körper geschickt wird - nicht zu viel wie bei Stress, nicht zu wenig wie bei der Addison-Krankheit.

Die Idee: Wir als Menschen in der Außenwelt versuchen, das Problem zu lösen und wollen einen Supervisor bauen. Der Supervisor ist ein kleines Gerät, das uns hier draußen mit dem Inneren des Körpers verbindet. Auf diese Weise wissen wir, wie viel Cortisol im Körper herumgeschickt wird und ob etwas nicht in Ordnung ist. Wenn das der Fall ist, können wir versuchen, den Stress zu reduzieren oder Medikamente mit Cortisol einzunehmen, je nachdem, in welchem Zustand sich die Person befindet, die das Messgerät trägt.

Die Lösung: Wir wollen ein winziges tragbares Messgerät bauen, das man wie ein Pflaster aufklebt. Es hat eine winzige Nadel, die durch die Haut piekst, auf der kleine Briefkästen sind, Glucocorticoid-Rezeptoren, die Cortisol empfangen können. Je nachdem, wie viele unserer kleinen Briefkästen mit Cortisol-Briefen gefüllt sind, können wir berechnen, wie viele Briefe durch den Körper geschickt werden.

With this text and story in mind we began our Education journey. The DetectiMOL team participated in different events both at the Science and Technology Museum as well as the University of Oslo to promote the topic of synthetic biology and contributing to teaching people of all ages in our idea of a cortisol detecting patch.

3-Day Science Fair at the Science and Technology Museum in Oslo

Between 19th and 21st of September 2024, DetectiMOL together with the faculty of Medicine, faculty of Odontology and the Pharmaceutical Faculty, participated in a 3-Day Science Fair at the Science and Technology Museum in Oslo. This is an event organized by the Research Council of Norway in collaboration with the faculties of the University of Oslo and the Science and Technology Museum of Oslo.

Day 1 - 19th September 2024

Thursday the 19th of September 2024, the Science and Technology Museum of Oslo had a late night event from 19.00 to 23.00, marketed towards university students and the general adult public. We were invited by the museum, as event guests, to have a preview of our stand and involve the university students or interested adults in our research. .

We involved the museum guests to ask questions and to take part in a LEGO making workshop to explain the different biological mechanisms involved in the process of creating a cortisol detection device and especially how cortisol should bind to the GR.

Day 2 - 20th September 2024

The second day of the Science Fair, Friday the 20th of September 2024, there were 10 public schools from the Oslo Municipality that were invited to the museum. We had a total of 450 elementary, junior high and high school students visit our stand from 10.00 to 15.00.

We began using our Educational Storytime on the stand more to explain our project to the students. Additionally, we invited them to make LEGO builds of the Glucocorticoid receptor(GR) involved in binding cortisol. Not only could students build their own models of a supposed GR, but we also fine tuned our original LEGO build idea and made step by step instructions for the students to follow and work on by our stand. Here we revisited our Educational Goals and presented synthetic biology and our project idea differently depending on the age group, as we had prepared beforehand. The students that finished building our LEGO design, were given a DetectiMOL sticker as a merit for their hard work.

The LEGO build that was shared with the students was divided in two parts that they could work on, Chain A and Chain B, as well as instructions on how to assemble them. In the end the students could see how adding a cortisol, which in this case we showcased by using an eraser to represent a different type of molecule than the amino acids(LEGOs), would cause a conformational change to the overall structure of the GR after binding cortisol and what this means.

Another additional structure that we used for educational purposes on our stand, was the use of a post box and envelopes. The post box illustrated the Glucocorticoid receptor in the body, while the letters constituted the cortisol. The binding of cortisol to GR was illustrated by adding the envelopes in the post box and we explained the need of a cortisol monitoring patch as the supervisor keeping track of the envelopes inside the post box.

Lego model teaching — The LEGO model teaching session at the Science Fair, where students learned about biological mechanisms by building models.

Science square stand — The team interacting with visitors at the Science Square stand during Day 2 of the event.

Lego construction — The LEGO construction showcasing the assembly process for the students, illustrating how cortisol affects the GR structure.

Day 3 - 21st September 2024

The last day of the Science Fair was also the busiest for the team. We received approximately 2000 visitors of all ages, ranging from 1st grade to university students and working adults. We used our Educational Storytime for our younger visitors as well as adults with no biology background and invited them to also try their hand in LEGO making. We engaged in deeper discussions of ethics and safety with our older audience and received good feedback on our idea of a wearable cortisol monitoring patch.