二維電泳技術在多層次本科實驗教學中的應用

李　欣, 趙玉紅, 李小菊, 陳容容, 張金紅, 趙立青

(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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二維電泳技術在多層次本科實驗教學中的應用

李欣, 趙玉紅, 李小菊, 陳容容, 張金紅, 趙立青

(南開大學 生命科學學院 生物實驗教學中心, 天津300071)

基于二維電泳技術成本高、步驟精細、耗時長等特點,將其以不同的教學形式分別應用于基礎性、綜合性和開放性等多層次實驗教學當中,避免了諸如經費緊張、學生水平參差不齊、課時有限等問題,豐富了實驗教學內容,提高了實驗教學效果,能緊跟科研領域技術發展,為實踐型創新人才培養奠定了良好的基礎。

二維電泳； 多層次教學； 本科實驗教學

隨著高校教學改革的不斷深入,實驗教學內容也在不斷革新,諸多的先進儀器設備和相應技術被引入到實驗教學當中,一方面讓學生所學可以與時俱進,接觸學科領域中更多的前沿技術,另一方面,也促進了教師以先進儀器設備為平臺,積極將科研成果轉化為教學項目。二維電泳技術是分析蛋白表達變化和差異的關鍵技術,在蛋白質組學研究中占有核心地位,因其在臨床醫學、藥物研發和研究細胞代謝、疾病發生等方面具有重要的指導意義和應用價值而備受關注[1-2]。基于其在科學研究和生產應用中的重要性,將二維電泳技術作為教學內容引入到本科實驗教學課堂上。生物化學與分子生物學實驗室利用實驗教學中心引進的二維電泳全套設備,將該項技術以不同的實驗組織形式引入到基礎性實驗、綜合性實驗和開放性實驗等多層次實驗課程中,培養了學生的科研能力和創新實踐能力。

1　二維電泳實驗概述

1.1實驗原理

二維電泳技術是等電聚焦電泳(IEF,isoelectricfocusing)和SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE,polyacrylamidegelelectrophoresis)二者的有機結合，即先進行等電聚焦電泳,蛋白質根據等電點差異而分離，再進行垂直方向的SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳,蛋白質再按照分子量不同而分離,最終使得樣品中的不同蛋白在二維平面上分開。二維電泳技術可以達到上千個蛋白斑點的分辨率,是蛋白質組學中重要的蛋白分離技術[3-4]。

1.2主要儀器設備與試劑

儀器設備:Bio-Rad等電聚焦電泳儀(proteaniefcell)、光密度分析儀、PDQuest分析軟件、Tecan酶標儀、Bio-Rad基礎電泳儀和垂直電泳槽等。

主要試劑:Bio-RadIPG預制膠條pH3～10,7cm；Bio-Rad兩性電解質載體；凝膠貯液(30%ACr-0.8%Bis)；分離膠緩沖液(1.5mol/LpH8.8Tris-HCl緩沖液)；10%SDS；10%過硫酸銨；TEMED；礦物油；低熔點瓊脂糖；BCA蛋白質定量試劑盒；水化上樣緩沖液；膠條平衡緩沖液母液；DTT；碘乙酰胺；尿素；pH8.3Tris-Gly電極緩沖液；0.05%考馬斯亮蘭R250染色液；MilliQ水等。

1.3實驗流程

實驗流程如圖1所示。

圖1　二維電泳流程圖

2　二維電泳引入實驗教學所遇到的問題

二維電泳由于所涉及的儀器設備精密貴重,所用膠條、兩性電解質載體等試劑耗材也較為昂貴,因此大大提高了該技術應用于實驗教學的成本。另外,二維電泳技術不同于本科教學中傳統的基礎驗證性實驗,它是兩向電泳的結合,是2個基礎實驗的疊加和升華,具有步驟多、操作精、耗時長的特點。而實驗課程大多時間固定,課時有限,學生理論水平和動手操作能力參差不齊,這是將二維電泳技術引入本科實驗教學遇到的關鍵問題,也無疑對教師在實驗教學形式的組織和安排上提出了更高的要求。

3　組織多層次實驗教學,提高教學效果

將二維電泳技術引入本科實驗教學,可以讓學生更多地了解并親自實踐科研領域中這一先進技術,更好地與研究領域的科技前沿接軌,為今后研究與深造打下堅實的理論和實踐基礎。為此,生物化學與分子生物學實驗室經過不斷的摸索和嘗試,將二維電泳技術融入基礎性、綜合性和開放性等多層次實驗課程中,通過采取不同的實驗教學組織形式,達到因“課”制宜、因材施教的目的,大大提高了實驗教學效果[5]。

3.1基礎性實驗

生物化學與分子生物學實驗室承擔著本專業大二年級學生“生物化學實驗”必修課程,每年修課人數達百余人。該課程是本專業的基礎性實驗先導課,因此涵蓋了多項經典的實驗技術,如層析、電泳、大分子物質提取和分離等。“SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質分子量”和“聚丙烯酰胺凝膠等電聚焦電泳測定蛋白質等電點”便是其中的2個重要實驗教學內容。而這2個電泳正是二維電泳的重要組成部分和技術基礎。有這2個實驗內容作為鋪墊,再將二維電泳引入“生物化學實驗”課程,無疑可以達到水到渠成的效果。

二維電泳技術本身具有成本高、步驟多、耗時長等特點,將其引入到“生物化學實驗”中,會面臨因修課人數多而造成的教學經費緊張,以及課時有限和學生實驗基礎薄弱等問題而影響實驗教學效果。因此,選擇以該年級“伯苓班”為主要教學對象。

“伯苓班”是南開大學入選的國家“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”的生物學科人才培養試點班,每年通過嚴格的筆試和面試,從新生中選拔出20～30名學生,采取單獨組班、單獨授課的教學模式。學院為其特設科研訓練課程,讓“伯苓班”學生在低年級便有機會到科研實驗室學習,更早地接觸儀器設備和先進實驗技術,提高動手操作能力。另外,相較普通班實驗教學,“伯苓班”會增設更多實驗內容,并要求學生全程單人操作,這些“福利”均有賴于學校為“伯苓班”劃撥的專門經費[6]。無論是學生較好的實驗素養和基礎,還是教學經費的大力支持,都為二維電泳技術引入“伯苓班”基礎性實驗教學提供了有力保障。

考慮到大二學生掌握的實驗技術較少和基礎實驗的課時限制等因素,將二維電泳引入“伯苓班”“生物化學實驗”時,實驗操作從第一向電泳上樣開始,前期的樣品制備和定量由實驗員提前完成,該部分內容可由任課教師向學生作具體講解。第一向等電聚焦電泳的教學與基礎實驗內容“聚丙烯酰胺凝膠等電聚焦電泳測定蛋白質等電點”在同一次課程中穿插完成。當第一向電泳結束后,將膠條凍存,待下次 “SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質分子量”基礎實驗上課時取出,進行膠條的平衡和轉移,并與基礎實驗穿插,完成二維電泳的第二向SDS-PAGE,獲得實驗結果。

在基礎性實驗中,將二維電泳技術中的兩向電泳有效拆分,分別和基礎實驗中的2次電泳教學融合,既可以加深學生對二維電泳原理的理解和認知,提高了實驗教學效果,還能夠有效地將基礎實驗中較長的電泳等待時間充分利用起來,在有限的課時中豐富了實驗教學內容,符合“伯苓班”拔尖人才的培養目標。

3.2綜合性實驗

除基礎性實驗課程外,生命科學學院還面向生物科學專業四年級本科生開設了“生物科學綜合實驗”必修課,旨在讓大四學生將之前學到的諸多基礎理論和基本技能融會貫通,培養系統的研究思路和科研素養,是隨后進行畢業設計的預演,也為日后繼續深造或就業做了良好的鋪墊。

“生物科學綜合實驗”所面對的修課對象是大四年級學生,這也就決定了它與基礎實驗課程的不同之處。一方面,大四學生面臨畢業設計、出國申請、就業面試等諸多重要事務,很難再像修基礎實驗課程那樣每周都有固定時間來上實驗課,這就要求實驗盡量可以在一個集中時間段內完成；而另一方面,大四學生已有較好的實驗基礎,很多已進入實驗室參與科研工作,因此,基礎驗證性實驗已不能引起他們的學習興趣,無法滿足其求知欲[7-8]。因此,“生物科學綜合實驗”課程采取“項目”制,即實驗內容由來自不同領域和學科的諸多實驗項目組成,而且很多項目都是由教師的科研成果轉化而來,更貼近學科前沿。雖為必修課,但學生可以根據自身興趣選擇項目,每個項目人數控制在10人以內,使學生學習的目的性更強,教學效果更好。教學經費根據學生人數劃撥,保障了每個學生的每個項目都可以順利開展。每個項目由相應任課教師負責,實驗時間可以由任課教師和學生共同商量,選擇一個時間段集中完成,方便學生的同時增加了實驗內容的連續性,大大提高了實驗教學效果。

生物化學與分子生物學實驗室以此為契機,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,即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。實驗操作可以在連續的3天時間里完成。實驗流程見圖2。

在綜合性實驗中,設立以二維電泳為核心技術的綜合實驗項目,并由選修此項目的大四學生在幾天內集中、連續、親自完成全部實驗內容,能夠讓學生真正了解二維電泳技術的全貌,意識到每一個步驟或操作都有可能會對結果產生重要的影響,充分體會該實驗的“綜合”之處,為隨后的畢業設計和科研工作做了良好的“練兵”[9-10]。

圖2　二維電泳綜合實驗流程

3.3開放性實驗

開放性實驗以學生為主、教師為輔,充分發揮主觀能動性,最具代表性的就是學校專門為鼓勵本科生科學研究而設立的“創新科研計劃項目”。學生可以結合自身興趣,在學有余力的情況下,自主選題、自組團隊、自選導師,經過專家評審,由學校立項資助,利用課余時間自主安排并完成所選課題。該項目以學生興趣為驅動,在提高學生科研素養的基礎上,充分激發學生的創新意識和創造力。如由生科院和醫學院學生共同申報的課題“Vitexicarpin類藥物群抑制斑馬魚血管新生的關鍵蛋白質研究”已被納入2015年國家級大學生

創新訓練計劃 (簡稱“國創”)項目中。該項目旨在通過蛋白質組學研究方法,構建斑馬魚胚胎的蛋白質表達譜,研究蔓荊子黃素抑制斑馬魚血管新生的關鍵蛋白,為開發抗血管生成藥物提供研究基礎。而二維電泳作為蛋白分離的關鍵技術和蛋白質組學研究中的有力工具,無疑在該項研究中起到至關重要的作用。

為保障學生項目的順利開展,生物化學與分子生物學實驗室將現有儀器設備對師生開放,并由實驗室技術人員對需要用到二維電泳的學生項目團隊進行從理論到操作的全面技術培訓,并在學生實驗過程中予以及時指導,一方面可以避免儀器設備因使用不當而損壞,另一方面,可以和學生及時交流溝通,發現問題、解決問題,讓學生盡快掌握這一技術,更好地為自己的項目服務[11]。

對于開放性實驗來說,二維電泳不只是一堂課或是一個項目,更是為科學研究服務的有力手段[12]，只有前期通過技術培訓打下良好的基礎,才能將二維電泳作為科研工具游刃有余地運用于開放性實驗中。

4　結語

將科研領域中先進儀器設備和實驗技術引入本科生實驗,一直是高校實驗教學改革的重要任務和研究熱點[13]。二維電泳作為蛋白質組學研究的重要工具和相關學科領域的熱門技術,以不同的教學形式融入到基礎性、綜合性和開放性等多層次實驗課程當中,打破了由經費、課時、學生水平等因素造成的限制,豐富了實驗教學內容、提高了實驗教學效果、激發了學生學習興趣、拓展了學生知識面,為培養學生創新意識和實踐能力打下了堅實的基礎。

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Applicationof2Delectrophoresistechnologyinmulti-levelundergraduateexperimentalteaching

LiXin,ZhaoYuhong,LiXiaoju,ChenRongrong,ZhangJinhong,ZhaoLiqing

(BiologicalExperimentalCenter,CollogeofLifeScience,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)

Abstract:Basedonthecharacteristicsofhighcost,finestepsandlongtime-consuming,thetwo-dimensional(2D)electrophoresistechnologywithdifferentteachingmethodsisappliedintothebasic,comprehensive,openandotherlevelsofexperimentalteaching,whichcanavoidsuchproblemsastheshortageoffunds,theunevenlevelofstudents,andthelimitedclasshours,enrichtheexperimentalteachingcontent,improvetheexperimentalteachingeffect,makestudentscloselyfollowthetechnicaldevelopmentofscientificresearch,andlayagoodfoundationfortrainingthepracticalandinnovativetalents.

2Delectrophoresis;multi-levelteaching;undergraduateexperimentalteaching

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.051

2016-01-08修改日期：2016-03-03

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輔助工作

E-mail：stjkhyxf@126.com

趙立青(1962—)，女,云南洱源,教授,研究方向為肺組織遠端發育及腫瘤免疫.

E-mail：zhaolq@nankai.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)7-0205-03