一种新的3D打印分子模型 向学生传授核碱基配对知识

分子模型是一种久经考验的工具，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。在生物化学课上，DNA的分子模型是向学生传授核碱基配对以及标志性的双链螺旋结构外观的流行方式。

尽管它们很有用，但市场上的大多数分子模型都有一个明显的局限性：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，它在一个分子中的氢原子(供体)和另一个分子的受体位点(通常是氮原子或氧原子)之间形成。这些键的强度随受体和供体之间的距离和角度而变化，这使得使用常规分子模型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表示它们，对学生来说会更好。为了应对这一挑战，上智大学的近藤次郎副教授和StudioMIDAS的Shota Nakamura先生设计了BasePairPuzzle，这是一种新型的DNA分子模型，可以准确表示碱基配对现象。

该模型的详细信息和用途详见 26 年 2023 月 <> 日在线发表在《化学教育杂志》上的一篇文章。

乍一看，BasePairPuzzle的碎片似乎是核碱基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地放置缝隙，可以适合商业圆柱形钕磁铁。这个想法是，这些磁体之间的排斥力和吸引力准确地模仿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，还可以感受到核碱基如何相互配对。“通过设计适合用户手掌的零件的形状和大小，适量的磁力以及形成氢键时的咔哒声，用户可以舒适地体验分子相互作用的感觉，”近藤副教授说。

虽然这个谜题非常适合理解为什么互补的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，这向学生清楚地表明，除了互补的核碱基对之外，核碱基对还有很大的多样性，并且这种多样性导致了我们现在知道存在的不同的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被磁力相互吸引，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。要记住的重要一点是，学生制作的所有碱基组合，甚至是三胞胎和四重奏，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碎片可以安装在一个特殊的圆柱形支架上，以保持互补的碱基对并复制DNA的双链螺旋结构。这使学生可以轻松地可视化主要和次要凹槽之间的差异。BasePairPuzzle的另一个用途是说明DNA突变是如何作为一个直观的分步过程发生的。

近藤副教授在高中和大学都已经使用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，研究人员还免费向所有人提供了3D打印BasePairPuzzle碎片的必要文件，希望为尽可能多的学生提供核碱基配对的实践体验。