Manual de confecção de modelos didáticos tridimensionais das moléculas de DNA e mRNA para docentes de Biologia do Ensino Médio

A utilização de modelos didáticos tridimensionais tem apresentado eficácia, pois colabora para motivar os estudantes e favorece o entendimento de diferentes conteúdos. No caso da Genética, são imprescindíveis para que o aluno consiga visualizar estruturas mais aproximadas da realidade, tendo em vista que, mesmo se houver laboratório na instituição de ensino, dificilmente será disponibilizando microscópio eletrônico que seria o ideal para visualizar a estrutura das moléculas de DNA e mRNA no nível do modelo didático. Esses modelos servem de aporte aos professores que, atrelando aulas teóricas às práticas, colaboram na aprendizagem de conteúdos densos e promovem melhoria na contextualização de temas moleculares complexos (Felix et al., 2019; Tosta; Gontijo; Corte, 2020).

A molécula de DNA possui nucleotídeos ligados entre si por ligação fosfodiéster entre os átomos de carbono 5’ e 3’. É composta por açúcares do tipo pentose, ligados a um ou mais grupos fosfatos e uma base nitrogenada, formando estrutura helicoidal dupla, contendo quatro subunidades nucleotídicas, que são: adenina – A, citosina – C, guanina – G e timina – T. Essas bases nitrogenadas estão conectadas por ligações de hidrogênio: adenina com timina por duas ligações; e a citosina com guanina por três ligações de hidrogênio. O ácido ribonucleico (RNA) possui cadeia de nucleotídeos de fita simples, e grupo hidroxila (OH) ligado ao carbono 2’, além disso, não possui a timina (T), mas sim a base pirimidínica uracila (U) que se liga à adenina (A). É produzido a partir da transcrição do DNA sendo complementar a sequência de bases da cadeia de DNA molde (Griffiths et al., 2013; Alberts et al., 2017).

Essas moléculas são fundamentais para o entendimento da biologia, visto que participam do armazenamento de informações hereditárias, além de diversos outros processos biológicos, como a síntese proteica. Contudo, nos estudos que abordam sobre modelos didáticos do DNA e RNA, estes apresentam-se em geral como uma estrutura imóvel, sem possibilitar que os alunos possam interagir de forma dinâmica com o recurso (Alberts et al, 2017; Gomes et al., 2019; Welter; Retuci; Soares, 2019; Larentis et al., 2020; Gonçalves; Karasawa, 2022b).

Dessa forma, os modelos didáticos tridimensionais elaborados podem estimular o interesse, a assimilação, a participação e a interação dos discentes, influenciando diretamente no processo de ensino-aprendizagem, por meio da visualização macroscópica das moléculas de DNA e mRNA (RNA mensageiro) e do manuseio dinâmico, já que algumas partes desses modelos são desmontáveis e montáveis.

Materiais

Os modelos didáticos podem ser confeccionados com materiais de baixo custo e acessíveis a professores de Ciências da Natureza (Biologia) da Educação Básica. Esses materiais encontram-se listados no Quadro 1. A seleção desses materiais ocorreu após o levantamento de estudos que abordavam sobre modelos didáticos das moléculas de DNA e RNA já publicados, sendo aprimorado a qualidade do material visando a resistência e durabilidade ao uso em sala de aula.

Quadro 1: Sugestões de materiais que podem ser utilizados para a confecção dos modelos didáticos tridimensionais das estruturas moleculares do DNA e do mRNA

Dimensões dos modelos didáticos

A unidade de medida sugerida para a confecção dos modelos foi o centímetro (cm), levando em consideração as três dimensões (altura, raio e diâmetro). Além disso, os tamanhos foram antepostos visando uma melhor visualização em sala de aula, tendo em vista a disposição de alta quantidade de aluno e tamanho da sala em uma escola pública. As medidas das estruturas das moléculas de DNA e mRNA, ambas feitas com ferro, estão especificadas no Quadro 2. As bases nitrogenadas, ligações de hidrogênio, grupos fosfato e açúcares, no Quadro 4. Por fim, as medidas dos suportes que apoiam as estruturas de ferro estão no Quadro 3.

Quadro 2: Dimensões sugeridas para as estruturas (em cm) de ferro de estribo, utilizadas na construção dos modelos tridimensionais das moléculas de DNA e mRNA

Quadro 3: Dimensões sugeridas para os suportes (em cm) de cimento, utilizadas para apoiar as estruturas das moléculas de DNA e mRNA

Quadro 4: Dimensões (em cm) sugeridas para as bases nitrogenadas, ligações de hidrogênio, grupos fosfatos e açúcares, feitos de fio plástico do tipo espaguete para as moléculas de DNA e mRNA

Biossegurança

Antes de iniciar qualquer etapa de elaboração desses modelos, faz-se necessário atentar-se para a importância de biossegurança como os Equipamentos de Proteção Individual (EPIs) destinados a evitar possíveis riscos suscetíveis a saúde e segurança de quem estiver fazendo a montagem dos modelos didáticos, como, por exemplo, o uso de óculos de proteção contra 47 possíveis resíduos dos materiais, luvas e máscara evitando contato direto com substâncias como a tinta e a massa utilizada na elaboração.

 Etapa 1: cortes, medidas e tamanho das estruturas das moléculas de DNA e mRNA com ferro de estribo

Inicialmente, com o ferro de estribo em mãos e o auxílio de um arco serra, sugere-se que sejam cortados quatro pedaços iguais com 80cm cada, em seguida, foram cortados 22 pedaços com 9cm cada (Figura 1). Deve ser crucial atentar-se às medidas corretas para não ocorrer desencontros dos ferros durante a montagem.

Em situações em que o professor não considere viável a utilização do ferro de estribo para as estruturas do DNA e mRNA, é necessário fazer a substituição para outro material, como o arame, que, por sua vez, não fomenta o quesito de maior resistência, mas consegue suprir a necessidade dessa substituição.

Figura 1:  Ferro de estribo sendo medido para corte de 22 pedaços com 9cm cada

Etapa 2: montagem da estrutura das moléculas de DNA e mRNA com ferro de estribo

Para essa etapa, é fundamental a ajuda de um soldador, para serem firmados os pedaços menores, em suas extremidades, aos pedaços maiores, de modo a formar duas estruturas parecidas com duas escadas, cada uma com onze “degraus” (ferros com 9cm).

Outra possibilidade para essa etapa, caso não seja possível a realização da solda, seria utilizar arame como material principal para as estruturas do DNA e mRNA, porém não será um recurso tão resistente se comparado ao ferro de estribo.

Após cerca de trinta minutos, quando os ferros estiverem frios, será necessário prender uma das extremidades dessa “escada” em algum objeto forte, como um torno, para que fosse torcida a parte solta que ficará acima, de modo a formar a dupla hélice DNA, sendo necessárias cerca de duas torções de 360°, até assemelhar-se a estrutura do DNA (Figura 2). Vale ressaltar que, caso seja necessário, pode-se solicitar o auxílio de um profissional que trabalhe com ferro ou mesmo em alguma oficina que consiga exercer a ação de torcer o ferro de estribo.

Figura 2: Estrutura feita com ferro de estribo já retorcida. Representando a molécula de DNA (A); e a molécula de mRNA (B)

É importante mencionar que, mesmo que uma das estruturas seja um mRNA, deve ser definida a medida necessária, para que sejam confeccionadas de maneira iguais, o que consequentemente, ao final, formem duas peças duplas hélices. Com uma das peças em mãos já retorcidas para formar a estrutura em hélice, é preciso serrar ao meio longitudinalmente, onde formam as bases, de modo geral, separando duas fitas, e assim formar a estrutura base do mRNA.

Etapa 3: preparação da base de cimento e acabamento das estruturas das moléculas de DNA e mRNA

Com auxílio de dois recipientes redondos, o maior com 7,75cm de diâmetro e 4,5cm de altura, e o menor com 5,5cm de diâmetro e 6cm de altura, sugere-se elaborar, a partir desses moldes, a base do DNA e mRNA, respectivamente. Em seguida, deve ser preparada a massa com areia, cimento e gesso em pó em um recipiente à parte. Após isso, posicionam-se as estruturas dentro dos seus respectivos recipientes, os quais devem ser preenchidos com a massa. A secagem leva cerca de trinta minutos devido ao gesso ter secagem rápida. Com as moléculas tomando forma e sustentação, é sugerido dar acabamento com tinta spray na cor cinza metálico, para evitar a oxidação na estrutura de ferro (Figura 3).

Figura 3: Após secagem das estruturas bases feitas de areia, cimento e gesso, foram pintadas com tinta spray cinza metálico

Etapa 4: acabamento das estruturas com fio plástico do tipo espaguete.

Cada fita das moléculas, sendo duas do DNA e uma do mRNA, deve ser revestida com o fio plástico em cinza, evidenciando nesta cor o açúcar (desoxirribose e ribose, respectivamente), e em azul escuro, representando o grupo fosfato que compõe a estrutura do nucleotídeo. Os fios plásticos precisam ser cortados longitudinalmente para um melhor encaixe na peça, e em seguida, com o auxílio da cola instantânea, fechar o fio plástico nos locais de abertura (Fig.4). Em caso de alunos daltônicos, sugere-se que seja fixada, no fio plástico, a inicial de cada base nitrogenada, como forma de relacionar a cor à estrutura representada.

Figura 4: Estrutura das moléculas revestida com fio plástico do tipo espaguete na cor cinza, evidenciando os açúcares desoxirribose e ribose (A); fio plástico na cor azul, representando o grupo fosfato (B)

Etapa 5: Bases nitrogenadas e ligação de hidrogênio com fio de plástico do tipo espaguete

Os demais fios plásticos do tipo espaguete coloridos devem ser cortados em tamanhos iguais de 3cm para representarem as bases nitrogenadas, da seguinte forma: laranja, para a adenina (A); verde-escuro, para a Timina (T); roxo, para a Guanina (G); amarelo, para a Citosina (C); e verde-claro, para a Uracila (U). Para o DNA, os fios plásticos precisam ser cortados longitudinalmente (Figura 5).

Figura 5: Fios plásticos cortados longitudinalmente e colocados na estrutura da molécula de DNA, indicando as bases nitrogenadas, as ligações duplas e triplas de hidrogênio

No caso das bases do mRNA, sugere-se o corte de pedaços maiores com 4,5cm, pois como essa molécula não tem representações de ligações de hidrogênio, suas bases podem ser exemplificadas em tamanho maior. Além disso, os fios plásticos não precisam ser cortados, visto que a estrutura da molécula facilita o encaixe do fio plástico (Figura 6).

Figura 6: Fio plástico do tipo espaguete representando as bases nitrogenadas da molécula de mRNA

Na representação das ligações de hidrogênio, sugere-se a utilização de fio plástico do tipo espaguete branco cortado com 2cm, e diferenciado com dois traços para as que são de ligação dupla, e com três traços, para as ligações triplas, feitos com o auxílio de uma caneta esferográfica preta (Figura 7).

Figura 7: Ligações de hidrogênio duplas (A) e triplas (B)

Etapa 6: caixa organizadora pequena de papel para guardar as peças

Para guardar as peças representativas das bases nitrogenadas e das ligações de hidrogênio, sugere-se a utilização de caixas organizadoras pequenas de papel, com seis divisões e com tampa possuindo transparência para visualização rápida do material que estiver dentro da caixa (Figura 8). Nas tampas das caixinhas, sugere-se a identificação das bases e das ligações por escrito e na cor de cada peça representada, como forma de manter a organização, além de auxiliar como legenda para os alunos. Em casos especiais de daltônicos, essa sugestão pode suprir a necessidade de relacionar a cor à estrutura.

Figura 8: Caixa organizadora de papel com seis divisões e tampa com transparência

No caso do DNA, devem ser mantidas as seis divisórias, sendo quatro espaços para as bases e dois espaços a mais para separar os tipos de ligação de hidrogênio, dupla e tripla. Já para o mRNA, sugere-se adaptar a caixinha retirando uma das divisões, de modo a ficarem quatro espaços maiores que o anterior para as bases nitrogenadas quem nesse modelo, estão representadas em tamanho maior, por isso a caixa precisa ter divisões maiores em tamanho (Figura 9).

Figura 9: Caixa organizadora de papel com tampa transparente, contendo as bases nitrogenadas e ligações de hidrogênio duplas e triplas da molécula de DNA (A) e bases nitrogenadas da molécula de mRNA (B)

Após a execução de todas as etapas apresentadas no passo a passo, devem ser obtidos os modelos didáticos tridimensionais das moléculas de DNA e mRNA, ambas com altura de 75cm cada modelo (Figura 10).

Figura 10: Modelos didáticos tridimensionais das moléculas de DNA (A) e mRNA (B); açúcares (desoxirribose e ribose) apresentadas na cor cinza; e, em azul-escuro, o grupo fosfato. Bases nitrogenadas apresentadas por cores: Adenina (A) laranja; Citosina (C) amarelo; Timina (T) verde-escuro; Uracila (U) verde-claro; Guanina (G) roxo

Considerações finais

Com o desenvolvimento dessa proposta, os professores de Ciências da Natureza (Biologia) podem utilizar os modelos didáticos em suas aulas na Educação Básica, aderir novas e diferentes metodologias ativas, para mitigar os efeitos da dificuldade na aprendizagem devido a aulas apenas expositivas, sem nenhuma interação do aluno, e superar, em alguns casos, a falta de apoio estrutural da instituição.

Com isso, a produção de modelos didáticos que reúnam características positivas como a relação custo-benefício, cores vibrantes e atrativas, bem como a possibilidade de montar e desmontar algumas peças, podem tornar as aulas dinâmicas. Além disso, pode viabilizar diferentes usos para o professor em sala de aula, ou seja, podem ser utilizados para exposição, competições entre os discentes, atividades práticas, entre outras formas que podem ser adotadas pelo professor em sua prática pedagógica.

Ademais, os modelos didáticos propostos, das moléculas de DNA e mRNA, possuem alta durabilidade para uso em sala de aula por um longo período de tempo, sendo possível realizar aulas expositivas, aulas práticas com os modelos, atividades em grupo, entre outras dinâmicas em sala, tendo em vista que é um recurso excelente para o professor utilizar em sua prática pedagógica. Diante disso, é de suma importância a elaboração desse manual com todas as etapas de construção dos modelos didáticos, como forma de facilitar o acesso dos docentes de Biologia do Ensino Médio.

Referências

ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 6ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2017.

FELIX, R. S. et al. Uso de modelo didático tridimensional como aproximação da realidade microscópica das estruturas nas aulas de ciências da escola estadual de Ensino Fundamental João Ursulo, Santa Rita (PB). In: CONGRESSO NACIONAL DE PESQUISA E ENSINO EM CIÊNCIAS, 4., 2019, Campina Grande. Anais [...] Campina Grande: Realize, 2019.

GOMES, M. S. et al. Modelos didáticos tridimensionais como instrumento no ensino de citologia. In: CONGRESSO NACIONAL DE PESQUISA E ENSINO EM CIÊNCIAS, 4., 2019, Campina Grande. Anais [...] Campina Grande: Realize, 2019.

GONÇALVES, T. M.; KARASAWA, M. M. G. Modelo didático de baixo custo da compactação do DNA e mecanismos epigenéticos da cromatina eucariótica. Research, Society and Development, v. 11, nº 12, p. 1-15, 2022a.

GONÇALVES, T. M.; KARASAWA, M. M. G. O Óperon lac gigante: a proposta de um modelo didático tridimensional de baixo custo para o ensino da regulação gênica de procariotos na disciplina de genética. Conjecturas, v. 22, nº 13, p. 832-845, 2022b.

GRIFFITHS, A. J. F.; et al. Introdução à Genética. 10ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2013.

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TOSTA, E. M.; GONTIJO, A. B. P. L.; CORTE, V. B. Extração e observação de molécula de DNA - ferramenta para auxiliar no ensino de Biologia. Health and Biosciences, São Mateus, v. 1, nº 3, p. 68-77, 2020.

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