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Você está neste nível - Um display para se explicar a complexidade do material genético desde a célula às bases do DNA

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O material, que foi originalmente desenvolvido para exposição em feiras e eventos de popularização da ciência, auxilia na compreensão de uma das questões mais difíceis da Genética: a organização do material genético e os diferentes níveis de observação de uma célula.
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Marcelo Guilherme de Oliveira Dias1, Adlane Vilas-Boas Ferreira2
1 Professor Municipal de Belo Horizonte, SMED/BH, Mestrando em Ecologia, Conservação e Manejo da Vida Silvestre, UFMG
2 Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Biologia Geral, Belo Horizonte, MG
Autor para correspondência - adlane@ufmg.br
MATERIAIS DIDÁTICOS
O
material, que foi originalmente de-
senvolvido para exposição em feiras e
eventos de popularização da ciência, auxilia
na compreensão de uma das questões mais
difíceis da Genética: a organização do mate-
rial genético e os diferentes níveis de obser-
vação de uma célula.
Você está
neste nível -
Um
display
para
se explicar a
complexidade do
material genético desde
a célula às bases do DNA
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Cromossomos, genes, DNA. Para quem
estuda genética a relação entre essas
palavras é bem estabelecida. É a partir des-
ta relação que muitos outros conceitos como
alelos, cromatina, divisão celular e tantos ou-
tros, precisam ser explicados. Para um pro-
fessor de genética muitas vezes, ao preparar
suas aulas, percebe que necessita de modelos
para auxiliar na abstração que as explicações
sobre tais conceitos exigem.
A desconexão entre níveis de organização
biológica é apontada como uma das causas
para a Genética ser considerada como uma
disciplina difícil, ou seja, o estudante ganha-
ria em compreensão se conseguisse relacio-
nar o nível macro (nível do organismo), com
o micro (celular) e submicro (molecular). As
ideias que fazemos como biólogos ou gene-
ticistas são construídas ao longo de anos de
estudos e referências a materiais didáticos,
como ilustrações, e estudos científicos. No
entanto, não é trivial pensar-se em micrôme-
tros ou nanômetros. Muito menos é simples
relacionar as dimensões das estruturas celu-
lares e nucleares com as dimensões macros-
cópicas. Um curioso livro escrito por Ron
Milo e Rob Phillips chamado Cell Biology
by the numbers (Biologia Celular em núme-
ros) traz uma compilação de números rela-
cionados a vários aspectos das células. Eles
nos trazem a informação de que em Biolo-
gia temos estruturas tão diminutas como as
macromoléculas, na escala dos nanômetros,
até estruturas gigantescas como colônias de
cianobactérias nos oceanos que podem ser
vistas de satélites nas escalas de milhares
de quilômetros. Isso significa que os biólo-
gos lidam com questões e modelos que estão
em uma escala de medida de até 15 ordens
de magnitude. Se é difícil para o estudante
pensar em termos microscópicos, tampouco
é fácil pensar em distâncias astronômicas ou
grandes números. Assim, vale a pena lançar
mão de modelos físicos para se construir ma-
pas mentais que auxiliem na compreensão
dos processos celulares.
Pensando nisso é que desenvolvemos um
material para exposição em feiras e eventos
de popularização da ciência (com apoio da
Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas
Gerais, FAPEMIG) que auxiliasse na com-
preensão de uma das questões mais difíceis
da Genética: a organização do material ge-
nético e os diferentes níveis de observação de
uma célula. Em sala de aula, observa-se que
estudantes de disciplinas básicas e avançadas
de Genética muitas vezes falham ao relacio-
nar em um diagrama de cromossomo a po-
sição e a dimensão relativa de genes, alelos,
cromatina, bases nitrogenadas etc. Não é um
desenho simples de se fazer e tampouco é fá-
cil o delineamento do mapa mental. A Figu-
ra 1 mostra um desenho que representa bem
esse mapeamento dos níveis de complexida-
de, embora uma escala de magnitude não te-
nha sido utilizada.
Figura 1.
Níveis de complexidade, do
organismo ao molecular.
Outra ilustração clássica em livros de Ge-
nética é a apresentada na Figura 2, onde a
compactação da cromatina é representada
e as medidas de cada nível de organização
são indicadas, variando de 1400 nm no cro-
mossomo a 2 nm no DNA. As duas figuras
trazem uma representação importante, mas
quem consegue realmente imaginar o que se-
jam 1400 ou 2 nm? É uma mudança de até
nove ordens de magnitude em relação ao me-
tro, algo muito complicado de ser abstraído.
No material desenvolvido achamos que seria
importante não apenas mostrar esses níveis
de complexidade, mas também relacionar
essas medidas com medidas do próprio visi-
tante ou estudante. Além disso, entendemos
que seria importante apontar como essas
estruturas podem ser visualizadas e suas di-
mensões mensuradas. Assim, criamos uma
interface gráfica com muitas informações e
ilustrações e um modelo tridimensional para
cada um dos cinco níveis de complexidade
que escolhemos: a célula, o núcleo, o cromos-
somo, a cromatina, o DNA.
Figura 2.
Níveis de organização da
cromatina. Desenhos similares
são encontrados em livros do
ensino superior.
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Construímos um display de 1,7 m de altura
com cinco abas que permitem ao visitante
percorrer os níveis de complexidade sub-
sequentemente da esquerda para a direita
(Figura 3). O desenho da Figura 2 apare-
ce no topo de todas as abas com uma seta
apontando um dos níveis e com a indicação
“Você está neste nível”. Cada aba abriga um
modelo que se relaciona com as informações
ali contidas que são: 1) indicação do nível de
complexidade da aba; 2) microfotografias
de microscopia óptica ou eletrônica - e para
o DNA, difração de raio-X; 3) fotografias
dos aparelhos utilizados para visualização
e respectivas capacidades ou limitações de
aumento; 4) relação entre a medida real do
componente em questão com o modelo e
com a altura do ser humano. Por causa das
cinco abas, visto de cima, o display faz lem-
brar a molécula da pentose do DNA.
Além das abas, incluímos a reprodução de
foto de um rapaz (um skatista cerca de 10%
menor que o tamanho real) que tem uma
lupa na região do seu punho para relacionar o
nível de complexidade do organismo e o nível
tecidual com o restante do display. Optamos
por fazer modelos tridimensionais que estão
ilustrados nas Figuras 4 a 9. Seguimos um
padrão de coloração atribuindo a cor azul ao
DNA em todos os modelos pois, em grande
parte das figuras, esse era o corante ou a cor
escolhida para representá-lo.
A célula foi feita em uma estrutura retangu-
lar (mesmo que sejam poucos os tecidos hu-
manos que apresentam células nesse forma-
to) pela facilidade de construção em acrílico.
Fizemos duas construções desde a primeira
exposição em 2011. Na primeira versão, uma
caixa de acrílico de 20 x 20 cm e 40 cm de
altura foi confeccionada e o preenchimento
do espaço interno foi feito com gel de cabelo
incolor (Figura 5). As organelas foram repre-
sentadas por peças para fabricação de colares
e esferas, e o núcleo foi confeccionado em
acrílico com pedaços de fio de bordar metali-
zado azul para representar o material genéti-
co. Com o passar do tempo, houve contami-
nação do gel por microrganismos e refizemos
toda a estrutura. Desta vez foi utilizado um
gel para velas e as organelas foram confeccio-
nadas com massa biscuit. A artista que fez as
peças optou por representar as organelas em
corte, com representações mais próximas às
bidimensionais. Esse foi um ponto de dis-
cussão importante pois ao mesmo tempo
que um modelo tridimensional pede estru-
turas tridimensionais, o reconhecimento das
organelas pelos visitantes se faz, grande parte
das vezes, pela representação bidimensional
vista nos livros didáticos. Uma solução é
apresentar algumas das organelas em corte e
as demais intactas, sendo a cor a indicação
para diferenciar umas das outras.
Figura 3.
Display impresso no material
Re-Board®. Recortes foram
feitos formando bancadas para
que os modelos pudessem ser
expostos. Aqui duas das cinco
abas estão sendo mostradas.
Figura 4.
Skatista – Do organismo à
célula. A lupa sobre o braço
do skatista exemplifica o nível
tecidual.
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Figura 7.
Modelos de cromossomo feito
em crochê com fio soutache. O
da esquerda tem 50 cm e o da
direita tem 33 cm. Representam
o cromossomo X e Y.
Figura 6.
Modelo do núcleo. Meio
círculo em acrílico com gel
de cabelo e fio de bordar
representando o DNA. Nucléolo
representado por uma bola (ao
fundo à direita).
Na aba “O Núcleo” (Figura 6) apresentamos
um modelo de núcleo partido ao meio onde
uma meia esfera de acrílico foi preenchida com
gel de cabelo e pedaços de fio de bordar azul
metalizado. Uma bola de 3 cm de diâmetro foi
introduzida no gel para representar o nucléolo.
A aba “O cromossomo” apresenta ao fundo
um cromossomo em microscopia eletrônica
colorizado em azul. Tivemos a intenção de
fazer um modelo que aproximasse desta fo-
tografia e buscamos um material que pudesse
indicar o enovelamento da cromatina. Para a
confecção do cromossomo, usamos 250 me-
tros (5 rolos) do fio de bordar soutache para
fazer correntinhas” de crochê, que foram
enroladas em duas hastes de metal presas
posteriormente ao meio e montadas em um
suporte de madeira e metal. O resultado foi
um modelo de cromossomo com um aspecto
brilhante e volumoso (mostrado na Figura
7). Foi importante unir as duas hastes lado
a lado (e não as cruzar, como é mais fácil)
pois, desta maneira, pode-se denotar melhor
a ideia de cromátides irmãs; ao movimentar
uma haste, somente um lado do cromossomo
se move. Um segundo cromossomo, de maior
tamanho, foi posteriormente confeccionado
para representar o par XY. A intenção foi
abrir a possibilidade para discutir o porquê
do formato em “x” destas estruturas pois ob-
servamos que muitos visitantes, ao se depa-
rarem com o modelo, referiam-se a ele como
cromossomo X. Acreditamos que o ajuste foi
importante para apontar que o cromossomo
Y também tem a estrutura semelhante à letra
x nas preparações de cromossomos mitóticos
e que é diferente em tamanho e constituição
do seu par X.
A cromatina foi montada costurando-se
algumas bolas de plástico (das que são usa-
das em piscina de bolinhas) com fio de bor-
dar metalizado (Figura 8). Foi tomado o
cuidado de manter um espaçamento entre
uma bola e outra para representar os dife-
rentes nucleossomos. Consideramos que a
construção de um maior número de nu-
cleossomos traria uma compreensão maior
para os visitantes e poderia ajudar na repre-
sentação do próximo nível de compactação,
o solenoide.
Figura 5.
Modelos de célula
tridimensional. A) Citoplasma
em gel de cabelo sustenta as
organelas. B) Citoplasma em
gel de parafina para velas usado
neste modelo se mostrou mais
duradouro.
A B
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Cada modelo foi relacionado com a altura de
um visitante de 1,70 cm e em cada aba foi
colocada a informação: Você teria “X” km de
altura se seu/sua (nome da estrutura/orga-
nela) fosse do tamanho do modelo, em que
“X” era calculado de acordo com as dimen-
sões em questão. Esses cálculos, é claro, tive-
ram que ser aproximados e se basearam em
números descritos na literatura científica. Na
tabela 1, apresentamos as dimensões usadas
para o cálculo da altura relativa do humano
para cada aba/modelo.
Tamanhos
descritos
na literatura
(nm)
Tamanho
considerado
(nm)
Tamanho no
modelo
(cm)
Altura
calculada do
humano para
cada modelo
(km)
Altura
do humano
indicada
no
display
(km)
Célula 10.000-50.000 12.000 45 56,25 60
Núcleo 6.000-22.000 6.000 35 99,16 100
Cromossomo 500-36.000 5.000 50 170 170
Nucleossomo 10 10 6 10.200 10.000
DNA 2 2 15 127.500 120000
Tabela 1.
Dimensões de componentes
celulares utilizados para
construção dos modelos e
do display. As duas primeiras
colunas representam valores
descritos na literatura e os
escolhidos como referência.
Outras colunas relacionam
o tamanho do modelo e sua
relação com a altura fictícia
(projetada) calculada a partir
da relação dimensão real
e do modelo. Para o DNA
consideramos a largura da fita e
do modelo.
Nossa ideia ao apresentar a tabela é a de que
qualquer pessoa pudesse calcular o tamanho
projetado do visitante se considerasse o ta-
manho do modelo à sua frente. Ou ainda,
que pudesse desenvolver os seus modelos
de acordo com uma regra de três, como no
exemplo abaixo, de acordo com o que fosse
mais conveniente. O cálculo em questão po-
deria ser, inclusive, um exercício investigativo
interdisciplinar através do qual os estudantes
tivessem que descobrir qual seria a própria
altura em quilômetros, caso uma das orga-
nelas fosse do tamanho do modelo feito por
eles próprios ou apresentado pelo docente.
Altura do estudante................ tamanho da estrutura
X (altura projetada) ................ tamanho do modelo
Por exemplo, considerando um adolescente
de 1,60 m de altura e um modelo de célula de
40 cm de diâmetro, o cálculo da altura proje-
tada em km seria:
1,60 m ..................... 12.000 x 10-9 m (ou 12.000 nm)
x (m) ....................... 0,40 m (ou 40 cm)
x = 0,64/12.000 x 10-9 = 53.333 m ou 53 km.
Nesta publicação, compartilhamos o projeto
gráfico do display que pode ser utilizado para
impressões em papel, vinil, adesivo, papelão,
ou um material especial chamado Re-Board®
(disponível para download em https://1drv.
ms/u/s!Aieke8FrKDLogbZVmY30blKq3j-
7J3Q?e=V89lTn). Tivemos duas experiências
de impressão. A primeira em adesivo sobre
um painel de mdf. O resultado não foi muito
apropriado pelo grande volume e peso resul-
tante da estrutura, além de que o mdf não per-
mitiu a aderência perfeita do material impres-
so. Dessa forma, em uma outra oportunidade,
imprimimos o display num material extre-
mamente versátil, o Re-Board®. Infelizmente,
por ser um material sueco e com um único
representante no Brasil, o preço é bem mais
alto que as alternativas que sugerimos. Porém,
o resultado é um display leve, completamen-
te desmontável, fácil de ser transportado para
eventos. O display foi apresentado em diversos
eventos desde 2011, incluindo o Genética na
Praça do 62º Congresso de Genética em Ca-
xambu, sendo visitado por muitos professores
e estudantes do ensino básico. Acreditamos
que sua replicação pode ser facilmente exe-
cutada para este mesmo fim ou para escolas
que possam investir em um material que fique
disponível para seus professores e estudantes.
Uma alternativa de menor custo é a impressão
do material em papel A4 para manuseio como
se fosse um manual ou panfleto. De qualquer
maneira, o professor pode usar as informa-
ções que disponibilizamos para desenvolver
atividades na própria sala de aula com cons-
trução de modelos pelos próprios estudantes
e usar os cálculos sugeridos para aprofundar e
ampliar a sua percepção sobre as dimensões e
complexidade do material genético.
O DNA é uma das moléculas sobre a qual
se tem um grande número de ideias de mo-
delos, com material diverso, desde macar-
rão e canudos a balas de goma. Desejáva-
mos, no entanto, que nossa representação
tivesse um impacto visual e, ao mesmo
tempo, permitisse a visualização das liga-
ções químicas, por exemplo, entre as bases
nitrogenadas. A confecção das bases em
acrílico permitiu criar um modelo atraen-
te, ainda que não tão grande em tamanho
(Figura 9).
Figura 9.
Modelo de DNA (30 cm
de altura) com peças em
acrílico representando os
nucleotídeos (em média de 4
cm). As ligações covalentes
foram feitas com um fio de
cobre flexível - para facilitar o
detalhamento das ligações com
o grupo fosfato (miçanga) - e
as ligações de hidrogênio, com
fio de nylon.
Figura 8.
Modelo da cromatina. Bolas (7
cm de diâmetro) representando
os nucleossomos ligados por um
fio de bordar duplo.
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