蛋白質組學分析儀器在本科實驗教學中的應用與實踐

◆姜麗艷 張艷 張愛軍 杜映達 董洪舉 李正強 高貴

作者：姜麗艷，吉林大學生命科學學院工程師，主要從事實驗教學與大型設備管理工作；張艷、張愛軍、杜映達、董洪舉、李正強、高貴，吉林大學生命科學學院（130012）。

隨著人類基因組計劃的實施和推進，生命科學研究已進入后基因組時代，蛋白質組學的研究已經成為生命科學研究的主要內容之一[1]。蛋白質組學是利用各種蛋白質組學技術研究在特定的時間或環境下細胞或組織的基因組表達的全部蛋白質序列和功能。為了擁有更先進的蛋白質組學探測技術和方法，吉林大學生命科學公共技術平臺在“211工程”的支持下新引進了雙向凝膠電泳儀、近紅外激光成像系統、質譜儀、超高效液相色譜、蛋白相互作用系統和X-Ray 晶體衍射儀等蛋白質組學分析儀器設備。先進的儀器設備可以提供更多的、更精確的蛋白質組學信息，增加科學分析的深度，提高科學研究的質量。但由于蛋白質組學分析儀器價值昂貴、操作復雜、臺套數少和維修費用高等特點，致使這些大型儀器在培養本科生的創新意識、實踐能力等方面沒有發揮其應有的潛能[2]。

如何提高蛋白質組學分析儀器在本科實驗教學中的利用率，實現科研、教學資源的共享，是高等學校急需面對的重要現實課題。本文以吉林大學生命科學學院為例，分析了國內大型儀器在本科實驗教學中應用的現狀和存在的主要問題，詳細介紹了蛋白質組學分析儀器在本科實驗教學中的應用和實踐效果。

1 蛋白質組學分析儀器在開展本科實驗教學中的應用現狀

近年來，隨著教育科研水平質量的提高以及國家和地方對高等教育投入的逐年增加，蛋白質組學分析儀器作為一種高水平的分析測試工具被越來越多的高校購置[3]。但國內高校普遍重視其科研功能的開發，在本科實驗教學中，很多大型儀器只是以演示教學、軟件操作的虛擬教學和大輪轉的現場實驗教學為主[4]，嚴重影響了學生創新能力的培養，分析其原因主要有以下幾方面。

設備昂貴，運行與維修經費有限 蛋白質組學作為功能基因組學的重要支柱，已經成為新世紀生命科學研究領域的熱門課題。蛋白質組學分析儀器均為國外最新研制設備，配備最前沿分析技術，購置成本昂貴。如雙向凝膠電泳儀、超高效液相、近紅外激光成像和蛋白相互作用系統價值均為數十萬人民幣，飛行時間質譜儀和X-Ray 晶體衍射儀價值甚至達數百萬人民幣。這些進口設備測試精密度高，維護、維修成本更高，遠遠超出本科實驗教學經費的承擔能力。而且如果在本科教學使用過程中損壞了這些儀器，就直接影響到科研工作的順利進展，所以傳統的教學方式即將此 類大型儀器設備只面向研究生科研工作開放使用，很少應用于本科實驗教學中，影響了本科生實踐能力和創新精神的培養，同時也降低了大型儀器設備的共享使用率[5]。

機時緊張，數據分析和處理周期長 由于蛋白質組學分析儀器均為“高、精、尖”設備，多數高校僅有單臺（套）或幾臺（套）儀器，原本 科研需求 量就很大，再加之本科實驗教學的學生人數多，致使在時間和場地上都很難滿足本科實驗教學的開課要求。而且像飛行時間質譜儀和X-Ray晶體衍射儀需要較長的樣品準備和數據處理時間，需要占用大量的機時，無形中延長了實驗教學的周期，不僅增加了教師的工作量，而且長時間的等待也會影響本科實驗教學進度的正常進行。面對這些實際問題，很多高校將相關的實驗項目演變為觀摩性實驗或演示性實驗，致使學生對大型儀器設備產生疏遠和恐懼心理，嚴重影響了大型儀器設備在本科實驗教學中的潛能發揮[6-8]。

樣品制備困難，儀器操作程序復雜 蛋白質組學分析儀器對樣品的質量具有很嚴格的要求。如飛行時間質譜儀要求樣品純度為90%以上，測試前樣品要進行嚴格的除鹽和除雜處理；X-Ray 晶體衍射儀分析的對象是一粒蛋白質晶體，而且蛋白質的結晶過程要求較高水平的實驗操作和技巧。另外，蛋白質組學相關設備的測試和分析軟件都是英文版本的，學習和掌握需要經歷很長的熟悉和練習過程。樣品制備的繁瑣過程和儀器操作程序的復雜，無形中限制了蛋白質組學分析儀器在本科實驗教學中的應用，更限制了優質資源的共享使用。

2 蛋白質組學分析儀器在生命科學實驗教學中的應用

為了充分發揮大型儀器設備在本科實驗教學中的應用潛能，吉林大學生命科學學院依托國家級生物實驗教學中心和生命科學公共技術平臺，努力克服實際困難，為本科生開展了不同層次的大型儀器認知和應用實驗課程。將大型儀器有計劃地融入和貫穿到本科實驗教學中，不但激發了學生的原始創新意識，而且提高了學生的專業技能，為科研和就業打下堅實的技術基礎。

開展認知實訓實驗，激發學生實驗創新意識 為了激發學生的實驗創新意識，拓寬實驗視野，吉林大學生命科學學院為本科一年級學生開展了大型儀器設備的認知和實訓課程。其中，蛋白質組學分析儀器也按照學習的層次和難度，循序漸進地被引入，鼓勵學生進入實驗室與雙向凝膠電泳儀、近紅外激光成像系統和質譜儀等大型儀器設備進行零距離的接觸，消除學生對貴重儀器的陌生感，讓學生初步了解這些儀器的功能和用途。如利用雙向凝膠電泳儀、近紅外激光成像系統可以在整個基因組水平上檢測蛋白質表達和分離情況，利用質譜儀可以完成蛋白質的鑒定，通過X-射線晶體衍射儀來獲得蛋白質的結構等。再根據學生的知識背景逐漸向學生介紹蛋白質組學分析儀器的操作方法和樣品準備，使學生對這類儀器有一個全面的認知，根據情況還可以延伸介紹相關領域的前沿技術。待時機成熟時，指導教師設置實驗工藝路線，按照每組輪訓的方式為學生開展專業的上機實訓實驗，讓學生體會理論知識的實際應用。

通過開展蛋白質組學分析儀器的認知和實訓課程，不僅能讓學生了解蛋白質組學相關儀器的功能、用途和基本操作技術，而且能讓學生感覺到蛋白質組學的神奇，激發學生學習蛋白質組學的興趣，為后續的專業實驗夯實技術基礎。

延伸實驗教學項目，拓展專業知識和技能 為了有效培養本科生的實踐能力和創新精神，吉林大學生命科學學院在本科二年級生物化學基礎實驗課中開展基于雙向電泳、質譜分析和X-Ray 晶體衍射的蛋白質組學綜合性和研究性實驗。傳統的生物化學實驗中有關蛋白質組學方面的實驗內容僅是利用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分離蛋白質等，學生僅學習到有關蛋白的基礎實驗方法，實驗內容單一[9-10]，遠達不到培養創新人才的實驗教學的目標。

嘗試在該實驗內容的基礎上，延伸至質譜分析和X-Ray晶體衍射測試層面。即學生完成電泳實驗后，每組學生隨機從凝膠上選取4 ～6 個蛋白點做酶解，然后進行點靶，利用飛行時間質譜進樣鑒定蛋白分子量和氨基酸序列；再選取結果好的蛋白進行蛋白質的晶體培養，利用X-Ray 晶體衍射分析蛋白結構。具體實驗流程見圖1。

雙向凝膠電泳、質譜分子量鑒定、X-射線晶體衍射解析實驗是一個綜合性大實驗，每個實驗環節都緊密相連，涉及的實驗內容比較多，實驗步驟繁瑣，對學生的實驗操作技巧要求也比較高。為了合理安排實驗進程，讓學生以小組為單位準備樣品，處理好的樣品統一點靶，利用質譜檢測分子量；同時還可以進行離子碎片的二級質譜測定，通過數據庫進行存儲、處理、對比和分析，鑒定蛋白的氨基酸序列。然后，選取高質量的蛋白晶體，利用X-射線晶體衍射分析蛋白的結構。在樣品的準備過程中都有教師的細心指導，每臺儀器都有相關實驗技術人員進行培訓和使用講解。

通過有計劃地將質譜和X-Ray 晶體衍射技術延伸入基礎實驗教學項目，將本科教學中簡單的生物化學驗證性實驗變為蛋白質組學的綜合性、研究性實驗。學生不僅掌握了該類儀器設備的樣品準備過程和詳細的操作流程，而且對于提高蛋白質組學的實驗技能具有重要意義。

開設創新實驗，提高創新能力 為了充分調動學生的實驗積極性，培養學生利用大型儀器獨立組織和完成科研實驗的能力，吉林大學生命科學學院開設了部分涉及蛋白質組學的設計創新實驗課題，如“體外重組人DNA-PK 蛋白以及其特異抗體的制備”“類組蛋白的重組、表達、純化及與重金屬離子的相互作用的研究”等。設計創新實驗項目題目新穎，緊跟蛋白質組學發展前沿，內容靈活多變，富有時代特點，并具有不同程度的難度和深度。學生針對自己的興趣愛好選題，根據認知、實訓實驗和專業基礎實驗的知識積累，自行查閱資料，設計實驗路線和方法，教師幫助審查學生方案的可行性。

為了更好地幫助學生完成設計創新實驗，公共技術平臺每學期循環舉辦相關大型儀器設備的功能介紹、應用講座、操作培訓，學生可根據自身選題內容，選擇相關常用的蛋白質組學分析儀器進行二次系統培訓。為了迎合學生實驗時間的機動性，公共技術平臺的所有蛋白質學分析儀器均全方位開放使用。

同時，吉林大學生命科學學院還開設了生物物理實驗技術創新課程，主要介紹物理化學有關的實驗技術，其中主要部分是介紹大型儀器設備的原理和使用方法，為學生的創新實驗奠定一定的理論基礎。通過創新實驗的設計和完成，不僅提高了學生的動手能力和綜合解決實際問題的能力，而且開拓了專業視野，更培養了創新思維。

3 教學效果分析

吉林大學生命科學學院依托國家級實驗教學示范中 心和生命科學公共技術平臺，嘗試為學生開設多層次、多模式的蛋白質組學實驗教學課程。目前，蛋白質組學分析儀器每年服務本科生教學實驗400 人次，已開設創新實驗項目約40 個，將蛋白質組學分析儀器融入本科實驗教學中，可以讓學生了解蛋白質組學分析儀器的基本原理，掌握蛋白質組學實驗技能，切實提高學生的實踐能力。有的學生甚至成為相關儀器公司的技術工程師，為就業打下良好的基礎。

同時實現了蛋白質組學分析儀器的高層次開放共享，至今蛋白質組學分析儀器使用機時達1 萬小時/年，測試樣品數約2 萬個/年，有效提高了優質資源的共享利用率。

4 結語

大型儀器設備面向本科生開放，是學科發展前沿對人才培養的要求，在培養復合型、創新型人才中發揮著重大作用。本科學生在校期間通過各種方式接觸和使用這些設備，對于提高實驗技能，開拓專業視野，培養創新思維具有重要作用；但如何有效將這種開放模式長期堅持下來，是一項比較艱巨的系統工程。建議學校增加國產設備的投入資金，出臺相應的傾斜政策和鼓勵制度，在教師和學生的相互配合下，逐步提高大型儀器在本科實驗教學中的使用頻率，培養學生的創業精神和創新意識，加強科研、教學優質資源的開放共享效率。

[1]尹穩,伏旭,李平.蛋白質組學的應用研究進展[J].生物技術通報,2014(1):32-38.

[2]程寶晶,徐良梅,李仲玉,等.大型儀器開放共享的探討[J].實驗室研究與探索,2010,29(7):334-335.

[3]朱平川,岑衛健,李楠.大型儀器平臺應用于本科教學實驗的探索[J].實驗科學與技術,2012(10):119-121.

[4]林興桃,王小逸,客慧明,等.大型儀器開放式實驗教學與學生創新能力培養的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2013,30(5):117-119.

[5]朱耕宇,陳雪萍.全面開放大型儀器支撐本科教學實驗的改革[J].化工高等教育,2009(2):42-43.

[6]王曉崗,郝志顯,攀雅娟.大型儀器教學功能的研究與探索[J].實驗室科學,2012,5(15):188-190.

[7]黃小斌,朱志明.大型儀器設備管理使用的研究與實踐[J].實驗技術與管理,2009,26(9):171-172.

[8]陳玉霞,林峰,陳文,等.建設大型儀器設備平臺，提高創新人才培養質量[J].實驗技術與管理,2012,29(4):219-222.

[9]岑衛健,朱平川.基于雙向電泳-MALDI 質譜分析的蛋白質組學本科教學實驗[J].實驗科學與技術,2014,12(2):35-37.

[10]湯海峰,王德利,孟威,等.大型儀器面向本科生開放過程存在的問題與解決對策[J].實驗技術與管理,2013,30(6):205-207.