生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺建設探索

畢　群

(北京大學 生命科學學院, 北京　100871)

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生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺建設探索

畢群

(北京大學 生命科學學院, 北京100871)

以現有的實驗教學實踐為基礎,探討了建設現代生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺的重要性。以培養學生縝密的科研思維和創新能力以及掌握現代的實驗技術基礎為目標,進行了建立完整的本科生綜合開放性實驗及科學研究訓練系統的探索。

生物化學； 生物技術； 綜合實驗教學平臺

生命科學自上個世紀末成為發展最為迅速的學科之后,目前仍然在高速發展。國家對于高層次、高素質生命科學人才的需求持續強烈,現代生物學科學實驗技術日新月異,在人才培養中掌握綜合性實驗技術一直非常重要。

1　建設現代生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺的必要性

1.1生物學實驗教學的模式和現狀

目前包括生物化學在內的大部分生物學實驗教學仍以基礎實驗為主,綜合型實驗課程和開放性實驗課程較為缺乏。即便是有部分綜合實驗,其中各專業實驗內容也互不相關,不同學科之間缺乏配合和關聯性,學生不易融合各科知識和技術。另外,實驗內容較為傳統,與科研密切聯系的實驗較少,學生得不到自己分析問題并解決實際科研問題的能力的鍛煉。實驗教學內容滯后于科研的發展,生物學實驗教學平臺建設滯后,一定程度上影響了教學效果。因此迫切需要改變生物學實驗教學的模式和現狀,發展新的更貼近現代生命科學研究的生物學實驗教學平臺和體系[1-2]。

1.2發展新的生物化學和生物技術實驗教學體系

生命科學在20世紀有了驚人的發展,生物化學是其中最活躍的分支學科之一?，F在,生物化學已是發展生命科學各分支學科和生物工程技術的重要基礎。而近年來,隨著遺傳學、基因重組技術和細胞生物學等的發展,現代生物化學和生物技術的內容進一步擴大。生物過程的研究和工業過程的建立所采用的技術更加先進,宏觀的過程特性研究與微觀的基因水平和細胞水平的特性研究更加緊密地結合起來,其成果對人類的生活產生了重大的影響。到21世紀,現代生物化學與生物技術迅猛發展并作出重大貢獻的前景已得到廣泛的認同,基因工程下游技術與基因克隆、工程菌發酵相結合,目前已經廣泛應用于制藥、食品等行業中。因此,從當今社會需求以及生命科學發展的角度出發,根據培養復合型人才的需要,我們認為在本科生實驗教學中進行現代生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺建設,不僅可以使學生在理論上將生物化學與分子生物學、微生物和遺傳學等學科知識進一步融會貫通,而且還能夠使他們更了解生物化學和生物技術在實際生活中的應用,拓寬將來的科研和實踐思路。

2　現代生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺構建的預期目標

2.1建立系統和全面的知識架構

生物科學、生物技術的進步和發展與基礎領域生物化學的發展是不可分的,而現代生物化學在廣度和深度上都有了很大的拓展,越來越體現出與眾多其他分支學科的密切聯系。顯然,進行現代生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺的建設將使學生建立對生命科學更為系統和全面的知識架構,這對于提高學生的素質,使他們更加適應今后的學習和發展是必要的。

2.2完善綜合實驗訓練模式

建立現代生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺完善了原來的綜合實驗訓練模式,其中涉及多個學科的實驗技術,各個實驗之間緊密相連,每一部分實驗結果都會直接影響最后的實驗結果,這樣就能使學生在實驗過程中注意綜合運用各學科相關知識,理性思維,理順脈絡,聯系實際,拓寬思路,以達到培養訓練學生分析問題和解決問題能力,增強創新意識,提高綜合素質,系統地掌握生物學實驗技術的目的。學生在這一過程中能更進一步地了解各個學科的前沿發展動態,關注學科研究中的熱點問題,將現代生物化學和生物技術與解決生物學實際問題的能力訓練有機結合。而解決實際問題的能力對學生一生的發展都是至關重要的[3]。

2.3開設探索性實驗

在實驗內容的設計上,傾向于鼓勵學生可自己選擇與課程內容相關的感興趣的實驗對象,設計其中某些流程，譬如誘導處理條件、洗脫條件等,將以往的驗證性實驗轉變為探索性的實驗。充分發揮學生的主觀能動性,提供學生自己探索的機會，從而在實驗技術的學習基礎上,進一步培養對科學問題的探索精神,有助于學生形成初步的科研工作能力[4]。

3　現代生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺構建的實施

現代生物化學與生物技術綜合教學平臺構建中設計的實驗課題需要有一定的基礎,通過不同學科間的配合和設施的投入來實現?？梢砸苑治鰧ο鬄榧~帶,實驗教學圍繞科學問題,讓學生直觀地了解微生物學、生物化學、分子生物學等學科的基本知識和技能,形成帶著問題去做實驗并在其中尋找答案的思想。

3.1開放式綜合科研訓練模式的實驗教學

北京大學生物實驗教學中心生物化學實驗室，立足于現有的完整的蛋白質分離純化系統,結合本中心微生物實驗室和分子生物學實驗室的先進儀器設備和技術力量,嘗試了開放式綜合科研訓練模式的實驗教學方式,使學生在理論上將生物化學與分子生物學、微生物和遺傳學等學科知識進一步融會貫通,更了解生物化學和生物技術在實際生活中的應用,拓寬了將來的科研和實踐思路。具體思路是：首先讓學生在分子生物學實驗中通過目的基因的克隆構建工程菌,然后在微生物實驗中進行工程菌的發酵和蛋白質的表達,再在生物化學實驗中進行細胞破碎、蛋白質提取、分離純化(其中包括超濾、等電點沉淀、鹽析、層析等技術)、蛋白質的生物學活性鑒定以及蛋白質的濃縮凍干。選擇的目標蛋白可以是酶類,譬如科研或企業中廣泛應用的Taq酶、胰蛋白酶等,一方面適合進行生物學活性鑒定,另一方面學生本科實驗的產品還可以在科研上用于PCR反應、質譜分析的前期樣品消化等應用上,既節約了資源,又達到了使學生接受綜合訓練的目的。具體為學生開設了如下3個綜合訓練實驗。

3.1.1PfuDNA聚合酶的克隆、表達、分離純化及等點聚焦

該實驗由學生構建帶His-tag的重組質粒,然后進行發酵,表達出PfuDNA聚合酶(Taq酶的一種),并進行分離純化,首先利用PfuDNA聚合酶耐熱的特性通過加熱進行初步純化,然后進行層析,獲得了有生物學活性的純化蛋白并且對其進行等電聚焦等鑒定,從而實現了從分子克隆、細菌發酵至蛋白質分離純化的完整的系統性實驗教學體系(見圖1)[5-7]。

3.1.2大豆胰蛋白質酶抑制劑的分離純化及生物學活性鑒定

該實驗基于“自主設計的開放式的”的原則,鼓勵學生自己根據大豆胰蛋白酶的特性設計實驗流程,采用不同的方式，譬如酸、離子交換柱、分子篩等一系列分離純化方法，得到純化的蛋白質并對其進行一系列的生物學活性分析,使實驗更具有自主性、趣味性,更加有利于培養學生的科研能力[8-9]。

3.1.3胰蛋白酶的表達、分離純化和性質鑒定

該實驗利用胰蛋白酶的特性,利用微生物發酵表達菌液,通過細胞破碎、超濾、等電點沉淀及親和層析等技術對胰蛋白酶進行提取和分離純化,然后進行生物學活性鑒定以及蛋白質的濃縮凍干。所獲得胰蛋白酶純品還可在科研上用于質譜分析的前期樣品消化等,既達到了使學生接受綜合訓練的目的,又節約了資源,具有很好的實用性[10-12]。

圖1　Pfu DNA聚合酶的克隆、表達和分離純化

上述3個實驗內容的實施可以實現從分子克隆、工程菌發酵至蛋白質分離純化于一體系的實驗教學,使本科生綜合實驗訓練更具有系統性、趣味性和實用性,促進學生對生物學各實驗之間相互聯系的理解,更有利于培養學生的動手能力。

3.2課堂之外的訓練模式

3.2.1在科研實驗室內設立本科生開放項目

可以在生物化學和生物技術相關的科研實驗室內開放本科生科研項目,使學生能在高水平科研實驗室內受到科學態度、科學思維和科學道德的熏陶。希望本科生能較好地掌握相應的現代生物學實驗技術和方法,為研究生階段的培養打下堅實基礎。讓學生在文獻查閱、實驗操作、結果分析以及科技論文寫作、報告等方面受到比較嚴格、系統的科學訓練。同時為學生創造條件與國際高水平實驗室建立聯系,在進行實質性合作中進一步受到科學研究的訓練。鼓勵學生在教師指導下向高水平的專業雜志投稿,發表自己的研究成果。

3.2.2暑期實踐體系

在本科生教學體系中設立 “暑期實踐體系”,可以與一些生物技術公司、企業(譬如制藥廠)聯合為本科生設立一些實踐項目,目的在于為本科生提供一個了解現代生物化學及生物技術在社會生活中所扮演的不同角色的機會,幫助學生了解和掌握生命科學中所蘊含的知識、思維方式和工作方法,更好地認識社會,了解社會,體驗社會,這不僅為學生將來進入基礎研究領域發展奠定基礎,同樣也為將來進入企業、社會、個人創業等各個不同領域發展奠定基礎。

4　現代生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺構建的效果

在現代生物化學與生物技術綜合實驗教學平臺建設的探索過程中,我們發現這能夠讓低年級的學生較早近距離地了解到生命科學多個研究方向的主要內容及其重要意義。在教師指導下,本科學生可以在這樣的環境中得到從文獻查閱、科研選題、實驗設計、實驗操作、結果分析、圖片和數據整理、論文撰寫、論文答辯等多個環節的全面的科學研究思想和方法的訓練。這樣的訓練實質上也是對學生實施個性化的科研訓練教育,有利于學生創新思維的培養。在這個過程中,也發揮了各個學科的優勢和教師的積極性,將實驗教學與科研訓練有機、緊密地結合,為培養研究型的生物科學和生物技術人才打下良好的基礎。

5　結語

自上個世紀末起,生命科學一直在快速、持續發展。在可預期的幾十年中,國家對于高素質生命科學人才的需求也會高速增長。因此,培養適合國家發展和產業需求的人才儲備是國家現代化的重要戰略措施。在近年的實驗教學實踐中,我們深切認識到:以科學問題為引導、以典型材料為對象、掌握多學科的現代生物學綜合實驗組合技術正在成為本科人才培養的必要環節。在構建現代生物化學和生物技術綜合實驗教學平臺的過程中,在保證基本技能訓練的基礎上注意提高現代實驗技術的比例,保持開設實驗內容的先進性。綜合實驗內容來源于科研課題,啟發了學生的學習自主性和創造性,取得非常好的效果。

References)

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[12]郝福英,周先碗,朱玉賢. 基礎分子生物學實驗[M]. 北京:北京大學出版社,2010.

Exploration on establishment of biochemistry and biotechnology comprehensive experimental teaching platform

Bi Qun

(College of Life sciences,Peking University,Beijing 100871, China)

Based on current experimental teaching practices,the importance of establishment of modern biochemistry and biotechnology comprehensive experimental teaching platform is discussed.Integrative open experimental mode and scientific research training pattern are built up for undergraduate students to take serious scientific exercises and master modern technologies,and thus to improve their creativity.

biochemistry; biotechnology; comprehensive experimental teaching platform

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.005

2015-12-11

國家基礎科學人才培養基金 (J1310033 )

畢群(1970-),女,浙江紹興,理學博士,副教授,主要從事生物化學及分子生物學的研究與教學工作.

E-mail:biqunb@pku.edu.cn

Q642.0

A

1002-4956(2016)6-0013-04