生化實驗室大型儀器設備在綜合實驗中的應用

李　欣, 趙玉紅, 李小菊, 張金紅, 趙立青, 石建黨, 周　浩

(南開大學 生命科學學院 生物實驗教學中心, 天津　300071)

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生化實驗室大型儀器設備在綜合實驗中的應用

李欣, 趙玉紅, 李小菊, 張金紅, 趙立青, 石建黨, 周浩

(南開大學 生命科學學院 生物實驗教學中心, 天津300071)

生化實驗室立足本科生和研究生創新能力培養,將多種大型儀器設備應用于綜合實驗課程中,不僅提高了大型儀器的使用率,還能夠讓學生所學知識與時俱進,更好地與未來發展接軌。同時,大型儀器設備的應用還激勵教師以科研反哺教學,促進了教學內容的革新和實驗水平的提高。另外,還鼓勵管理人員參與到綜合實驗教學中,提升了管理人員的業務水平,為在工作中更好地服務于創新型人才培養奠定了良好的基礎。

生化實驗室； 大型儀器設備； 綜合實驗

生命科學領域發展日新月異,生物化學及分子生物學不但是其中的重要分支,更已成為其他學科領域研究中的重要手段和工具。生物化學與分子生物學實驗室(簡稱“生化實驗室”)隸屬南開大學生命科學學院生物實驗教學中心,多年來一直承擔著生物化學及分子生物學專業相關的實驗教學及人才培養任務,面向本科及研究生開設了基礎性、綜合性、開放性等不同層次的實驗課程。針對生物化學和分子生物學學科培養,不但要讓學生在基礎性實驗中夯實基本理論和基本技能,更要通過高水平的綜合性實驗,讓學生了解學科前沿和發展動向,熟悉科研領域中常用的大型儀器設備和先進的實驗技術。因此,將大型儀器應用于綜合實驗,既是高質量實驗教學的重要保障,也是實踐型創新人才培養的必然要求[1-2]。

1　大型儀器設備應用于綜合實驗勢在必行

南開大學生命科學學院面向大四本科生和低年級研究生分別開設了“生物科學綜合實驗”和“生物學綜合實驗”課程。前者是生物科學專業必修課,旨在讓大四學生將基礎理論和基本技能融會貫通,培養系統的研究思路和良好的科研素養,是隨后進行畢業設計的預演,也為日后進行科研工作或就業做了鋪墊[3-4]；后者是研究生選修課,可以跨專業選課,旨在打破專業壁壘,使研究生在鉆研自身研究課題之外,對其他領域先進實驗設備和常用實驗技術也有所涉獵,促進學科間的交叉綜合,讓新的思維方式和技術方法更好地服務于自身研究,有利于在學術科研和實踐應用中有所突破和創新[5-6]。

要實現上述培養目標,就要讓學生在綜合性實驗中接觸到學科前沿和技術熱點,不再對實驗室里那些大型儀器設備抱以“仰視”的態度,而是真正能夠動手操作,切身體驗到先進技術在解決科學問題中發揮的巨大作用。因此,先進大型儀器設備作為前沿實驗技術的重要載體和硬件保障,將其引入綜合實驗則勢在必行。生化實驗室承擔兩門綜合實驗課程中生化及分子生物學部分的實驗項目,將近年來購置的羅氏熒光定量PCR儀、AKTAprimeplus蛋白純化系統、高效液相色譜、二維電泳裝置等多種大型儀器設備應用于綜合實驗項目中,既是保障實驗項目能夠順利開展的重要前提,同時也是實現實踐型創新人才培養目標的必然要求。

2　大型儀器設備應用于綜合實驗的具體實踐

生物化學實驗室以先進大型儀器設備作為硬件依托,設置多個綜合性實驗項目,現分別將幾種大型儀器在實驗中應用的具體實例介紹如下。

2.1二維電泳檢測熱休克處理對細菌蛋白表達譜的影響

二維電泳技術在蛋白質組學研究中占有核心地位,是分析蛋白表達變化和差異的關鍵技術,對研究細胞代謝、疾病發生等方面具有重要的指導意義和應用價值,在實驗教學中作為熱門技術也受到廣泛關注[7-8]。在本科生生物化學基礎實驗教學中,已經分別涉及到聚丙烯酰胺凝膠等電聚焦電泳和SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE),學生對這兩個單向電泳的原理和操作都有了較為清楚的認識和實踐經驗,而二維電泳正是這二者的有機結合,其原理是樣品先進行等電聚焦電泳,不同蛋白依據等電點差異而分開,再在垂直方向進行SDS-PAGE,蛋白又依據分子量大小不同而得到分離。

生化實驗室根據學生的實驗基礎,開設了“二維電泳檢測熱休克處理對細菌蛋白表達譜的影響”的綜合實驗項目,用二維電泳技術分析研究細菌經不同溫度熱休克處理后蛋白表達上的差異。實驗室將一整套完善的二維電泳設備(見圖1),包括BIORAD等電聚焦電泳儀(PROTEANIEFCELL)、光密度分析儀和PDQuest分析軟件等應用其中,學生先將經過前期處理后的樣品與IPG預制膠條密切接觸,通過等電聚焦電泳儀進行第一向電泳,再通過BIORAD垂直電泳裝置進行第二向SDS-PAGE電泳,凝膠經染色脫色后,通過光密度分析儀掃描(學生結果掃描見圖1),再用PDQuest分析軟件對蛋白表達差異進行分析。

圖1　二維電泳裝置

通過等電聚焦電泳儀、光密度分析儀等應用于綜合實驗項目,使二維電泳技術可以系統成熟地應用于實驗教學,為該綜合實驗項目的順利開展提供了硬件保障和技術支持。同時,二維電泳裝置的應用,提升了實驗水平,使實驗內容能夠更好地與熱點問題和技術前沿接軌,滿足學生適應未來深造和研究工作的發展需求[9]。

2.2用AKTAprimeplus蛋白質層析系統純化綠色熒光蛋白(GFP)

蛋白質純化技術是生物化學研究中應用最為廣泛的技術之一,它是利用目的蛋白與雜蛋白之間物理、化學及生物學特性的差異,通過合理的純化方法最終得到較高純度的目的蛋白。所涉及的分離純化方法主要有親和層析、分子排阻層析、離子交換層析等。在前期基礎實驗教學中,學生通過“SephadexG-75凝膠色譜法分離不同分子量的蛋白質”這一實驗對層析的概念和作用已經有了基本認知。在此基礎上,生化實驗室將購置的AKTAprimeplus蛋白質純化系統應用于綜合實驗教學(見圖2),并配合購置了多種層析柱,開設了“用AKTAprimeplus蛋白質層析系統純化綠色熒光蛋白(GFP)”的實驗項目。實驗中用大腸桿菌大量表達重組GFP蛋白,利用AKTAprimeplus蛋白質層析系統依次結合Ni-NTA柱、HiPrep16/60SephacrylTMS-200HR色譜柱和HiTrapTMDEAE陰離子柱,對經過前處理的蛋白樣品分別進行親和層析、分子排阻層析和離子交換層析,最終獲得高純度目的蛋白GFP,并利用SDS-PAGE進行純度的鑒定，學生層析結果如圖2所示。

圖2　AKTA prime plus蛋白質層析系統和學生層析結果

AKTAprimeplus蛋白質層析系統的應用,將多種純化方法串聯在一起,使學生對蛋白純化方案有一個整體的感知,明白任何一種層析并非是一種孤立的手段,而是需要綜合應用、融會貫通才能達到實驗目的。另外,該儀器的設置并不復雜,流速、壓力、洗脫體積、洗脫梯度等參數都可以由學生在教師指導下自行設置,讓學生了解整個實驗每一步、每一次純化是在做什么、怎么做、為什么做,更能充分體現出該實驗 的“綜合”之處。

2.3高壓液相色譜法(HPLC)檢測食品中特殊組分含量

HPLC是經典色譜技術的延伸,其原理是以液體作為流動相,利用物質在兩相間分配系數的差異進行分離,在科學研究和食品藥品檢測等領域具有重要的應用價值。生化實驗室擁有2臺配備6000PVW可見/紫外檢測儀及AccusilC18-10u-250×4.6nm色譜柱的高效液相色譜儀，見圖3,并將整套設備應用于 “高壓液相色譜法檢測食品中特殊組分含量”這一綜合實驗項目中,讓學生以自己查閱的文獻作為理論依據,自行選擇感興趣的物質進行分析檢測,如“高效液相色譜檢測雪碧中苯甲酸的含量”等。學生在參考文獻和教師指導下完成樣品前處理,確定流動相比例、壓力、流速等相關參數,并親自上樣、分析結果(見圖4),對HPLC的原理、使用方法、注意事項及應用范疇有了清楚的認知,在親身體驗中充分調動起學習興趣和積極性[7,10]。

圖3　高效液相色譜儀和學生實驗結果

2.4實時定量PCR儀分析IPTG對啟動子活性的調節作用

實時熒光定量PCR技術從傳統定性PCR技術發展而來,所不同的是在反應體系中加入熒光基團,擴增過程中可以通過熒光信號對PCR進程實時檢測,并根據指數增長期擴增量和起始量存在的相關性對樣品中DNA(或cDNA)的起始濃度進行精確定量。該技術已在科學研究、疾病診斷、食品安全檢測等領域廣泛應用。生化實驗室在學生學習過傳統PCR技術的實踐基礎上,利用購置的羅氏實時定量PCR儀LightCycler480見圖4。用該儀器開設了綜合實驗項目 “實時定量PCR分析IPTG對啟動子活性的調節作用”，該實驗分為兩部分，大腸桿菌RNA的制備(IPTG誘導組和對照組)和實時定量RT-PCR實驗檢測大腸桿菌中mGAPDHmRNA表達量。實驗室通過在綜合實驗中引入實時定量PCR,不但讓學生鞏固了基礎實驗中RNA提取技術、傳統PCR和微生物無菌操作等實驗技能,更讓學生通過親自體驗,對實時定量技術的應用前提、實驗體系、注意事項等有了深入的認識。實驗結果需要通過LightCycler480系統軟件進行分析，學生實驗結果見圖4。從該結果得出各組目的片段的起始濃度,在誘導組與對照組的比較中得到經過誘導后mRNA表達水平的相對增加倍數,進而推算出IPTG誘導對啟動子活性或利用頻率的影響。這一計算過程更加深了學生對于該項技術定量作用的理解,為今后在科研和生產中的實踐應用打下了良好的基礎。

圖4　羅氏實時定量PCR儀LightCycler480和學生實驗結果

3　大型儀器設備應用于綜合實驗的積極作用

大型儀器設備是實驗教學的硬件基礎和必要保障,在綜合實驗的順利開展和創新人才培養等方面發揮著諸多積極作用。

3.1提高大型儀器設備利用率,與學生發展需求接軌

將大型儀器設備應用于實驗教學,可以實現物盡其用,大大提高了利用率,有效避免了由于大型儀器設備閑置而造成的教學資源的巨大浪費。另外,學生以往對于這些大型儀器設備存在著一種仰視的心態,以為只有到復雜高深的研究層面才能真正接觸和應用到。而事實上,這些大型儀器設備及其相應的實驗技術都是集先進性和實用性于一身,與日常科學研究和生產實踐密切結合的。將大型儀器設備應用在綜合實驗項目中,學生不但可以真正上手操作,了解其工作原理、使用步驟和注意事項,更能充分理解應用這些大型儀器設備到底可以幫助解決哪些科學問題,大大激發了學生的學習興趣,對科學前沿、熱點問題不再以觀望的心態去崇拜和好奇,而是以一個研究者的身份去探究和實踐,真正掌握這些實用性強、應用范圍廣的實驗技能,這不但是培養具有創新意識和實踐能力人才的必然要求,更為學生提供了一個與今后繼續學習深造或生產實踐等發展需求密切接軌的重要橋梁[11-12]。

3.2激勵科研反哺教學,推動實驗教學內容革新

生化實驗室將學校投入高額購置的多種大型儀器設備面向本科生、研究生課程開放的同時,也為教師搭建了一個高水平的技術平臺,鼓勵教師在日常科研中充分利用這些先進儀器資源,在滿足自身研究工作需求的同時,將這些大型儀器設備的功能和自身的研究領域結合起來,從自己的科研項目和科研成果中不斷衍生出高水平的綜合實驗項目，并應用于實驗教學。這種以教學助力科研,而科研又反哺教學的良性循環,不但提高了教師實驗教學的積極性,更能夠促進教師發揮自身研究領域的優勢,將學科前沿涉及到的多項先進、熱門的實驗技術引入實驗教學,開設高質量綜合性實驗項目,更新了實驗教學理念,推動了實驗教學內容革新,使實驗教學水平更上新的臺階。

3.3提升管理人員業務能力,服務創新型人才培養

在基礎實驗教學中,實驗室管理人員只是負責實驗準備,教學部分由專職教師擔任。而綜合實驗項目則有它的特殊性,會涉及到實驗室多種大型儀器設備。而管理人員在儀器購置時就接受過廠家工程師的專業技術培訓,并在日常大型儀器設備維護保養中積累了一定的工作經驗,更加了解其性能和操作要點。因此,生化實驗室管理人員和任課教師一同參與到綜合實驗教學任務中,如在HPLC實驗項目中負責講解整套設備的工作原理,并指導學生對樣品進行正確的前處理,避免不恰當的處理方法對色譜柱的損害；在二維電泳實驗中由管理人員講解PDQuest分析軟件,并利用該軟件指導學生對自己的實驗結果進行分析等。管理人員參與綜合實驗,可以在學生使用大型儀器設備過程中進行全程指導,并及時糾正學生操作中的錯誤,排除臨時故障,保障實驗教學順利進行。而參與實驗教學的這一過程，更是管理人員專業知識和業務能力不斷提升的過程,在對學生的指導中,管理人員要隨時面臨學生的提問,因此更要隨時學習、充電,不斷提高自身業務水平,努力勝任角色,才能夠更好地服務于創新型高素質人才的培養。

4　結語

高校實驗教學作為理論聯系實踐的重要紐帶,在學生動手能力、分析能力和創新能力等綜合素質的培養方面發揮著舉足輕重的作用[13-14]。而大型儀器設備作為高校不可或缺的教育資源,不但是實驗教學的硬件保障,更在創新人才培養中發揮著重要作用。生化實驗室將大型儀器設備應用于綜合實驗中,使大型儀器設備和高水平的實驗項目相輔相成,一方面大大提高了大型儀器設備的利用率,滿足了學生的實踐需求,為學生今后發展做了良好的鋪墊；另一方面促進教師以科研反哺教學,衍生出諸多高水平的實驗項目,推動了實驗教學內容的不斷革新。另外,管理人員參與到綜合實驗課程中,不但有利于儀器設備的維護,更能夠促進管理人員自身業務水平的提高,為更好地服務于高水平創新型人才培養做出了積極的努力和實踐。

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Researchonapplicationoflarge-scalevaluableinstruments&equipmentincomprehensiveexperimentofbiochemistrylaboratory

LiXin,ZhaoYuhong,LiXiaoju,ZhangJinhong,ZhaoLiqing,ShiJiandang,ZhouHao

(BiologicalExperimentalCenter,CollegeofLifeScience,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)

Manykindsoflarge-scaleinstruments&equipmentareusedinthecomprehensiveexperimentcoursebasedontheinnovationabilitytrainingofundergraduateandgraduatestudentsinthebiochemistrylaboratory.Theseapplicationsimprovetheefficiencyofthelarge-scaleinstruments&equipment,letstudentslearnbetterfortheirfuturedevelopment,andencourageteacherstotransformtheirscientificresearchintoteaching,whichpromotestheinnovationoftheteachingcontentandtheimprovementoftheexperimentlevel.Inaddition,themanagementpersonnelinvolvedinthecomprehensiveexperimentalteachingcannotonlyimprovethebusinesslevel,butalsolayagoodfoundationforbetterinnovativetalenttraining.

biochemistrylaboratory;large-scalevaluableinstruments&equipment;comprehensiveexperiment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.067

2015- 11- 11修改日期：2015- 12- 28

2013年國家基金委人才建設培養基金“條件建設”項目(J1310003)

李欣(1985—)，女，天津，碩士，實驗師，主要從事生物化學和分子生物學實驗教學工作

E-mail：stjkhyxf@126.com

張金紅(1950—)，女，天津，教授，現任南開大學生物實驗中心主任，研究方向為生物化學與分子生物學.

E-mail：jinhzhang@nankai.edu.cn

G482；G642.0

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1002-4956(2016)5- 0252- 05