3D打印技術在DNA模型制作中的應用

胡海明 章騰勛

(浙江省寧波市第二中學 315010)

1 DNA模型的制作和改進

1.1 模型設計 為盡量使模型更具科學性，參考高中教材《遺傳與進化》[1]、《細胞生物學精要》[2]和《分子生物學》[3]，設計了平面圖片和主要的零件構成，將DNA分子分解成以下幾種零件，分別是磷酸、脫氧核糖、4種堿基、氫鍵以及磷酸與脫氧核糖之間的磷酸二酯鍵，并確定每個零件的尺寸。

1.2 3D打印 在專業教師的指導下利用犀牛(rhino)

3D建模軟件進行建模，得到了建模文件。然后利用聚乳酸(PLA)為原料進行3D打印相關零件。

1.3 模型構建 具體如下：

1.3.1 構建脫氧核苷酸 DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸。每個脫氧核苷酸是由一分子磷酸、一分子含氮堿基和一分子脫氧核糖組成。其中磷酸分子連接在脫氧核糖的5號碳原子上，含氮堿基連接在3號碳原子上(圖1)。

1.3.2 構建雙鏈DNA分子模型 多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接形成一條脫氧核苷酸鏈。用同樣的方式來構建另一條脫氧核苷酸鏈，注意這兩條脫氧核苷酸鏈的堿基序列要與互補。兩條脫氧核苷酸鏈是通過互補堿基之間的氫鍵連接起來的。其中A與T互補，形成兩個氫鍵，C與G互補，形成三個氫鍵。接著，用氫鍵將兩條雙鏈連接起來。最后，通過各基團之間的相互作用，就形成了雙螺旋結構的DNA。

1.3.3 模型展示 磷酸與脫氧核糖交替連接，形成兩條DNA分子的基本骨架，位于DNA分子的外側，而堿基對位于DNA分子的內側(圖2)，而后利用鐵架臺作為支撐將平面結構的DNA轉化成立體結構的DNA。

2 模型拓展：DNA復制和轉錄過程

利用3D打印技術制作的DNA雙螺旋結構模型模擬DNA的半保留復制過程：①構建一個親代DNA分子；②模擬解旋酶的作用使兩條鏈間的氫鍵斷開，形成兩條“模板鏈”；③每一條母鏈按照堿基互補配對的原則，吸引含有互補堿基的脫氧核苷酸；④模擬DNA聚合酶的作用，用磷酸二酯鍵模型連接相鄰核苷酸的脫氧核糖和磷酸基團。按照這種方式，脫氧核苷酸不斷地結合到子鏈上，子鏈就不斷地延長；⑤新形成的子鏈與相應的母鏈螺旋化形成兩個新的子代DNA分子(圖1)。

利用3D打印技術打印核糖核苷酸的零件，可模擬DNA轉錄的過程：①構建一個親代DNA分子；②模擬RNA聚合酶的作用使DNA雙鏈打開；③模板鏈按照堿基互補配對的原則吸引含有互補堿基的核糖核苷酸；④用磷酸二酯鍵模型連接核糖和相鄰的核苷酸的磷酸基團，模擬新結合的核糖核苷酸通過磷酸二酯鍵連接到正在合成的mRNA分子末端(圖2)；⑤一段時間后，一條核糖核苷酸模型連接的鏈形成，模擬合成的mRNA從DNA鏈上釋放；⑥DNA模型原斷開的氫鍵重新接好，模擬DNA雙鏈片段的恢復。

3 反思與建議

3.1 對教學的反思 由于3D打印技術模型制作對教師的要求較高，需要教師有一定的創造力和洞察力。因此，教師可通過學生生物學模型制作大賽，從學生的獲獎作品中尋找靈感，并和學生一起對作品進行完善最終運用于教學中，實現教學內容重、難點的突破。通過學生設計并動手制作生物學模型，教師也能及時發現學生模型中存在的一些問題，暴露出學生對教材知識的理解不夠精確，需要進一步交流和溝通來對模型進行修正。3D打印技術模型制作能使學生的理性思維得到培養，情感態度價值觀也得以升華。

圖1 模擬DNA半保留復制

圖2 模擬RNA的形成過程

3.2 對模型的反思 3D打印模型的零件與教材插圖中的各部分結構還是有些差異，但學習的重點在于要使學生清楚地認識到脫氧核苷酸中的各基團是如何連接形成一個完整的脫氧核苷酸。在學習DNA的空間結構、遺傳信息的傳遞和表達時，教師可反復利用該3D打印模型，提高3D打印模型在高中生物學教學中的利用率。