“基因工程”教學中模型的制作與應用

張姝玉 （北京市第一七一中學 北京 100013）

基因工程是按照人們的愿望，進行嚴格的設計，并通過體外DNA 重組和轉基因等技術，賦予生物以新的遺傳特性，從而創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品［1］。“基因工程”的教學內容包括：原理、技術保證、基本操作程序及應用。教學重點是學生能闡明DNA 重組技術實現的技術保證，需要限制性核酸內切酶、DNA 連接酶和載體3 種基本工具；能闡明基因工程的基本操作程序主要包括獲取目的基因、利用限制酶和DNA連接酶構建基因表達載體、將目的基因導入受體細胞、目的基因及其表達產物的檢測鑒定。

基因工程是在DNA 分子水平上進行設計和施工，對于學生來講比較抽象，較難理解。因此，在中學生物學教學的實踐中，構建生物學模型對學生系統、完整地學習和理解新知識，并運用生物學模型解決生物學問題起到了事半功倍的作用。物理模型可模擬客觀事物的某些功能和性質。在高中生物學課程中常使用的物理模型包括細胞結構模型、細胞膜結構模型和DNA 分子雙螺旋結構模型等，能使研究對象可視化、簡潔化，既便于理解、促進研究，又可清晰地描述研究成果，從而提高教師的教學質量和學生的學習效果。

1 模型制作

本模型是針對人教版選修3 的專題1“基因工程”中編排的一個模型模擬操作“重組DNA 分子的模擬操作”進行了改進。原模型模擬操作的設計目的是幫助學生理解EcoRI 的功能，識別GAATTC 序列，并在GA 之間進行切割；同時利用2 個紙板的剪切與拼接，幫助學生理解不同的DNA 分子間的重組的操作過程。改進后的模型模擬操作，通過優化模型本身，能在實際教學中幫助學生更準確地理解限制性核酸內切酶的作用位點，并更深入理解提高重組DNA 比例的方法和原因。

1.1 第1 種模型改進方法 在教材紙板模型設計中加入磷酸和脫氧核糖（圖1）。

圖1 重組DNA 分子的模擬操作模型紙板1

1）模型制作中用到的材料用具：印有圖1的紙板、剪刀、小訂書器。

2）模型的使用方法：

第1 步：前期準備。先將圖1中上面的紙條用透明膠帶首尾連接成環，模擬常用的基因載體——質粒。

第2 步：用剪刀（代表EcoRI）對質粒模型和含目的基因的DNA 片段進行切割。將環型的質粒切成線型，并在兩側都形成一段黏性末端；將含目的基因的DNA 片段切下來，并在兩側也形成一段黏性末端。

第3 步：將切下的含有目的基因的DNA 片段重組至質粒的切口處，用訂書器（代表DNA 連接酶）將切口連接起來，訂書釘代表新形成的磷酸二酯鍵。這樣就完成了一個重組DNA 分子的模型制作。

1.2 第2 種模型改進方法 此改進是第1 種模型改進的升級版，在加入磷酸和脫氧核糖的基礎上，對紙板中的堿基序列重新進行了調整（圖2）。由于序列的重新調整，需要在材料用具中用到2把剪刀，分別代表EcoRI 和SamI。

圖2 重組DNA 分子的模擬操作模型紙板2

模型的使用方法與第1 種方法基本相同，其升級步驟是：第2 步改為先用剪刀1（代表EcoRI）對質粒模型和含目的基因的DNA 片段進行切割。再用剪刀2（代表SamI，識別CCCGGG 序列，在CG 之間進行切割）對質粒模型和含目的基因的DNA 片段進行切割。這樣就能在質粒兩側和含目的基因的DNA 片段的兩側形成不同的末端。

此改進模型的創新點：

1）紙板DNA 分子模型中不僅畫出了堿基，還畫出了磷酸和脫氧核糖。這樣能幫助學生不僅理解EcoRI 能識別GAATTC 序列，在GA 之間進行切割；同時能更準確理解斷裂的是哪一個磷酸二酯鍵。

2）用訂書釘代替教材模型中的膠帶，更具體形象地模擬了磷酸二酯鍵的形成，操作上也更簡潔方便。

3）第2 種模型改進借鑒了工程學防呆理念，可使目的基因與載體定向連接。完成模型的制作后，學生會發現含目的基因的片段和質粒間只能有一種連接方法，避免了目的基因的片段反向連接在質粒上，同時避免了質粒和含目的基因的片段DNA 的自身連接，提高了重組DNA 的比例。

2 模型應用

第1 種改進的模型可應用于“DNA 重組技術的基本工具”一節的教學。在學習了限制性核酸內切酶、DNA 連接酶、載體的作用后，讓學生按照上述的操作步驟動手參與模型制作。此模型制作的目的是讓學生直觀理解基因工程中限制性核酸內切酶和DNA 連接酶的作用、作用特點、結果及酶的作用位點。

第2 種改進的模型可應用于“基因工程的基本操作程序”一節教學。在基因工程的第2 步“基因表達載體的構建”的教學中，按上述步驟進行模型制作，學生不僅能直觀理解限制酶和DNA 連接酶的作用等知識點，還能認識到用相同2 種限制酶處理質粒和含目的基因的片段，可提高正確的重組質粒的比例。

此2 種改進方法在實際教學中可單獨或聯合使用，利于教學中重點、難點的突破。