Des molécules en volume et en relief en classe ... impression 3D pour l'enseignement des sciences

S'imprimer des molécules en volume (3D), et les utiliser en classe :  une formation continue !

Les modèles tangibles (anatomiques comme l'oeil, le coeur, les crânes, etc.) ont toujours fait partie de l'éventail des ressources en classe.
Se créer presque facilement ses propres modèles pour la classe - protéines ou acides nucléiques par exemple - devient progressivement une réalité.
Récemment les imprimantes 3D sont devenues presque abordables et moins difficiles à utiliser efficacement. Plusieurs enseignants ont fait le pas et certaines écoles se sont équipées.

-->Une formation continue sur les protéines en relief et en volume est proposée le mercredi 21 mars 2018 après-midi, avec M.-C. Blatter, expert en banques de  données (SIB), Daniel Schneider et Stéphane Morand, experts en impression 3D (TECFA) et François Lombard, (Collège Calvin, IUFE, TECFA),.
Au cours de cette après-midi vous apprendrez à sélectionner une protéine ou un ARN, à trouver sa structure 3D dans une banque de données, à la visualiser à l'écran, à la convertir en format pour impression 3D. Vous verrez le processus d'impression d'une ou deux vous recevrez une structure  3D à emporter. Vous emporterez votre sélection de molécule 3D sur une clé USB pour aller l'imprimer.
Inscrivez-vous ici : PO-422 - La protéine en volume et en relief mercredi 21 mars 2018 après-midi

La foison de modèles et la difficulté des élèves à utiliser ces différentes représentations...

Alors que le modèle stérique "clé-serrure" fonde une grande part des enseignements dans plusieurs chapitres de la biologie (biosynthèse des protéines : structure tertiaire et quaternaire; action enzymatique, récepteurs hormonaux et neurotransmetteurs, anticorps-antigènes,  etc.) les élèves sont le plus souvent confrontés à des représentations 2D "à plat" : images dans des livres, des écrans ou des projections.
Si l'enseignant est certainement à l'aise pour relier cette représentation 2D  d'un volume aux modèles physiologiques pour prédire et expliquer les phénomènes biologiques, on constate souvent que les élèves peuvent reproduire l'illustration ou le schéma vu en classe, mais ne sont pas tous capables de prédire ou expliquer une situation à peine différente en utilisant ce modèle.



Fig 1: Trois modèles (représentations) de l'ARNt  mettant en évidence la structure 3D en perspective  2D et en 2D ainsi que la séquence  [img]. Source : Alberts, et al. (2002)



Fig 2: Cet ouvrage aide à mettre en rapport deux modèles de l'ARNt  [img]. Source : Campbell, 2007




Fig 3 : Un autre modèle de l'ARNt - encore en 2D [img]. Source : Source : Alberts, et al. (2002)

Plusieurs recherches (p. ex. Schwarz, et al (2009)) suggèrent que les élèves n'arrivent pas tous à utiliser un modèle mental équivalent à celui de l'enseignant... parce qu'on ne les a pas aidés à le développer (on parle de modélisation pour ce processus d'élaboration du modèle). La question de ce qui se passe vraiment dans la tête des élèves fait encore débat. On peut cependant mesurer leur compréhension indirectement par leur capacité à prédire et expliquer, à classifier, etc. cette définition opérationnelle de comprendre est en conformité aux objectifs du PER et des plans d'études du secondaire II. 
Quillin, K., & Thomas, S. (2015) suggèrent comment on peut  faire dessiner les élèves pour développer leurs modèles. Mais on reste dans les représentations 2D parfois en perspective.

La 3D accessible en classe ? (mais vue en 2D) 

Depuis plusieurs années la possibilité d'accéder facilement aux structures 3-D et de les visualiser à l'écran dans des modèles  qu'on peut virtuellement "tourner" pour les voir sous tous les angles - mais en 2-D chaque fois - peut permettre de se construire un modèle de la forme en relief.

• Une banque de données recense les expériences et la structure 3-D d'innombrables protéines, et autres macromolécules comme l'ADN, l'ARN ou des sucres :   PDB ( Protein Data Bank) accès : QuickPDB
• PDB  offre des outils bioinformatiques pour visualiser ces données à l'écran : par exemple pour l'insuline :  View in 3D: NGL (cf figure 4)  ou JSmol (dans le Browser)
• Un scénario d'usage en classe résultant d'une formation continue précédente est disponible ici

Visualiser en 3D virtuelle à l'écran…

Grace à PDB de très nombreuses structures biologiques (protéines et ARN) sont disponibles et peuvent être visualisées à l'écran (3D virtuelle interactive). 

 

Fig 4 : Exemples de structures de protéines (et autres) disponibles sur PDB [img]. Source : https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_Data_Bank

Ce poster montre à l'échelle plusieurs structures biologiques - affiché en fond de classe, il peut aider les élèves à mettre en perspective les tailles respectives.  Autre poster PDB disponible au SIB

Le site PDB propose également de visualiser les  protéines en 3D virtuel : il est possible de choisir une protéine en fonction de sa localisation dans la cellule ou de sa fonction  biologique : http://mm.rcsb.org/

On peut visualiser -par exemple ici l'ARNt - dans une page web et zoomer, tourner, pour faire découvrir les particularités de la structure de la molécules qui déterminent en partie ses propriétés et sa spécificité  (cf plus bas pour une discussion des limites du modèle clé-serrure).


Fig 5: ARNt sur PDB (4TNA) visualisé avec NGL (Style spacefill)  [img]. Source :  PDB

Le prof' voit  la 3D tourner magnifiquement à l'écran, mais que voient les élèves ?

Il n'est pas du tout certain que ce qui se passe dans la tête d'un enseignant expérimenté - avec son master en biologie ou chimie - reflète ce qui se passe chez les jeunes élèves lorsqu'ils voient  enseignant tourner avec enthousiasme cette molécule projetée sur un écran à la classe.
La recherche suggère même que chez la plupart ce n'est pas le cas. Et les résultats aux examens rapportés par de nombreux collègues confirment ce que Ainsworth, et al. (2011) disent : on ne peut pas prendre pour acquis la compréhension d'un schéma, d'un graphique, d'une représentation de molécules à l'écran, même quand elles semblent évidentes à l'enseignant ou au chercheur, il y a un travail à faire avec les élèves pour les aider à se construire un modèle opérationnel.

Although interpretation of visualizations and other information is clearly critical to learning, becoming proficient in science also requires learners to develop many representational skills. Ainsworth, et a. (2011)

Comment développer ces compétences de visualisation et d'utilisation des modèles sort du cadre de cette publication, mais par exemple Ainsworth, S. et al.(2011) doi: 10.1126/science.1204153 et  Quillin, K., & al. (2015). http://doi.org/10.1187/cbe.14-08-0128 sont un bon départ. (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).

Imprimer des molécules ou structures en 3D : des modèle en volume que les élèves peuvent toucher pour mieux comprendre ?

Les modèles tangibles ont toujours fait partie de l'éventail des ressources en classe et la possibilité de se créer presque facilement ses propres modèles pour la classe commence à devenir réaliste - pour des petites structures et avec de la patience.
Récemment les imprimantes 3D sont devenues presque abordables et moins difficiles à utiliser efficacement. Les plus technophiles parmi les enseignants ont fait le pas et certaines écoles se sont équipées.
Mais les usages en classe et la conversion depuis les structures et les formats des banques comme PDB vers les formats pour ces imprimantes (.STL) restent délicats.
Nous avons exploré comment convertir pour ces imprimantes ce qu'on a trouvé dans ces banques de données biologiques et quelques usages en classe.
Nous partagerons cette expérience lors d'une formation continue qui aura lieu le 21 mars 2018.
   
Fig 6: Depuis un fichier (.STL) on peut piloter une imprimante 3D , obtenir la forme brute qui une fois ébavurée sera un modèle en volume que les élèves peuvent manipuler : ici une ARNt [img]. Source : F. Lombard / TECFA

Les pionniers enthousiastes des imprimantes 3D sauront vous aider pour optimiser l'impression 3D, ... mais savoir choisir la bonne molécule, et concevoir des usages en classe est du ressort du prof de biologie...
Pour vous aider à repérer des protéines intéressantes et à produire le fichier STL que vous transmettrez à ces génies de la technique, nous vous proposons PO-422 - La protéine en volume et en relief

Une formation continue pour se lancer ? le 21 mars 2018!

Dans le cadre de la formation continue - qui est limité à une après-midi... - nous avons rassemblé des compétences a) biochimiques et banques de données (Dr M.-C. Blatter du SIB  Institut Suisse de Bioinformatique), b) Experts 3D  et technologies pour l'apprentissage ( Prof D. Schneider et S. Morand ingénieur, de TECFA ) et c) didactique (Dr. F. Lombard, Collège Calvin, IUFE, TECFA)

Dans ce temps limité vous apprendrez à choisir une protéine, à trouver sa structure 3D, à la visualiser, à la convertir en format pour impression. Nous n'aurons le temps d'en imprimer qu'une ou deux, mais chacun repartira avec une protéine qui aura été imprimée à l'avance et sa sélection sur une clé USB pour aller vers l'aimable geek (technophile) ou le technicien de votre école qui pourra vous l'imprimer. Ce n'est donc pas une formation technique à la 3D, mais plutôt une formation pédagogique et didactique orientée pour les profs de biologie et chimie.

• Inscrivez-vous ici : PO-422 - La protéine en volume et en relief : aura lieu le 21 mars 2018 après-midi
  

Objectifs

 Savoir trouver une sélection de protéines et acides nucléiques dans les banques de données libres et accessibles en classe: ARNt, COX, Histone, insuline, enzyme modèle-substrat, etc.
 Savoir convertir en vue de la transférer sur une imprimante 3D.
 Savoir mettre en oeuvre en classe des activités avec les élèves pour explorer les interactions du lien forme-fonction et quelques exemples d'action médicamenteuse.

Contenu

Exploration guidée des banques de protéines (UniProtKB/Swiss-Prot), d'acides nucléiques (EMBL) et de structure 3D (PDB) libres et accessibles en classe pour trouver et visualiser la structure 3D d'une sélection de protéines, d'ARNt, etc.
 Procédure de conversion au format pour imprimante 3D. Discussion des principaux paramètres de réglage.
 Impression de quelques molécules durant la formation. Une molécule pourra être emportée par chacun mais tous les fichiers seront mis à disposition pour une impression 3D dans les écoles équipées ou chez des enthousiastes possédant un tel appareil.
 Présentation d'activités en classe avec les élèves, discussion des objectifs et des expériences des participant-e-s.

La 3D et  le modèles clé-serrure n'expliquent pas bien la spécificité des interactions chimiques entre molécules externes et du vivant

La spécificité de la forme dans le modèle stérique "clé-serrure" (Fischer, E., 1894) - fréquemment utilisé en classe - ne représente qu'une partie des interactions entre une protéine et sa cible (substrat, médicament, autre substance) car ce modèle ne prend en compte que les formes et les emboîtements mais pas les interactions physicochimiques pourtant cruciales. Il a du sens en classe comme une étape, mais peut limiter la progression vers un compréhension plus large des interactions moléculaires du vivant.

Une autre formation continue explorera les interactions stériques et physicochimiques entre les molécules ingérées (médicaments ou substances dans l'alimentation…) et les protéines du corps humain : la formation continue    PO-423 - Les substances ingérées : quelle réaction avec notre corps?
Cette formation permettra de découvrir comment illustrer et faire explorer par les élèves le lien entre la forme et la fonction  et les différentes interactions qui déterminent l'affinité entre l'Ibuprofen et l'enzyme COX par exemple. Ces interactions sont déterminantes pour l'action antidouleur  de l'ibuprofen, mais également pour ses effets secondaires (il s'agit là aussi d'une 1/2 journée seulement donc ... on peut s'inscrire aux deux)   

Fig 7: La protéine COX interagissant avec un antidouleur (Ibuprofen) [img]. Source : SIB  http://www.atelier-drug-design.ch

D'autres formations continue pour la biologie

Biologie

• CO-00983 - Les Virus : Quoi d'neuf docteur ?
  
• PO-421 - Tous semblables, tous différents: explorer avec les élèves l'unicité et la diversité de l'ADN
  
• PO-422 - La protéine en volume et en relief
  
• PO-423 - Les substances ingérées : quelle réaction avec notre corps?
  
• PO-424 - Évolution et classification phylogénétique du vivant au muséum

Les articles originaux sont ici :

• Ainsworth, S., Prain, V., & Tytler, R. (2011). Drawing to Learn in science. Science, 333(6046), 1096‑1097. doi: 10.1126/science.1204153
• Alberts, Bruce, et al. (2002) Molecular Biology of the Cell http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=mboc4
• Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2004). Biologie: De Boeck.
• Fischer, E. (1894). Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme. Ber Dtsch Chem Ges, p. 2985–2993.
  
• Schwarz, C. V., Reiser, B. J., Davis, E. A., Kenyon, L., Achér, A., Fortus, D., . . . Krajcik, J. (2009). Developing a learning progression for scientific modeling: Making scientific modeling accessible and meaningful for learners. Journal of Research in Science Teaching, 46(6), 632-654. doi: 10.1002/tea.20311 | progression-modeles-modifiables-table4.jpg
• Quillin, K., & Thomas, S. (2015). Drawing-to-Learn: A Framework for Using Drawings to Promote Model-Based Reasoning in Biology. Cell Biology Education, 14(1),. http://doi.org/10.1187/cbe.14-08-0128