在“基因工程的應(yīng)用”一節(jié)中滲透愛(ài)國(guó)主義教育
——以腺病毒載體新冠疫苗的研發(fā)為例

（常州市第一中學(xué) 江蘇常州 213000）

1 教材分析

“基因工程的應(yīng)用”一節(jié)是人教版高中生物《選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》第三章第三節(jié)的內(nèi)容。此前，學(xué)生學(xué)習(xí)了基因工程的基本工具和基本操作程序，對(duì)基因工程有了足夠的理論基礎(chǔ)。本節(jié)內(nèi)容是理論的實(shí)踐過(guò)程，教材列舉了基因工程在動(dòng)植物、醫(yī)療等多領(lǐng)域的應(yīng)用。教學(xué)時(shí)，教師若面面俱到，則無(wú)法使學(xué)生深入理解基因工程在應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。因此，筆者選擇新冠疫苗的研制作為其在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的案例，以陳薇院士研發(fā)的腺病毒載體疫苗為例，深入挖掘疫苗研制過(guò)程中基因工程發(fā)揮的巨大作用，促進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，利用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，讓學(xué)生參與到公共事件的解決方案中。

教學(xué)重點(diǎn)：利用所學(xué)知識(shí)和已給材料，制定腺病毒載體疫苗的研發(fā)思路。

教學(xué)難點(diǎn)：在模擬研發(fā)過(guò)程中體會(huì)“基因表達(dá)載體的構(gòu)建”是基因工程的核心內(nèi)容這一知識(shí)點(diǎn)。

2 教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)復(fù)習(xí)回顧，結(jié)合生活實(shí)例，說(shuō)出基因工程技術(shù)的基本原理及步驟。

②通過(guò)對(duì)新冠病毒結(jié)構(gòu)和侵染過(guò)程的分析，結(jié)合免疫學(xué)原理和基因工程，能針對(duì)腺病毒載體疫苗的研發(fā)提出自己的初步構(gòu)思，并進(jìn)行設(shè)計(jì)與模型構(gòu)建。

③能運(yùn)用生物學(xué)的基本概念和原理對(duì)新冠疫苗的研發(fā)發(fā)表自己的觀(guān)點(diǎn)，對(duì)我國(guó)的疫苗研發(fā)進(jìn)展做出評(píng)價(jià)，認(rèn)同中國(guó)科研、醫(yī)務(wù)工作者為世界抗疫做出的貢獻(xiàn)。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師播放“開(kāi)學(xué)第一課”中陳薇講述抗疫故事的視頻——“除了勝利，別無(wú)選擇”。學(xué)生剛經(jīng)歷了疫情，會(huì)對(duì)視頻內(nèi)容產(chǎn)生共情，另外陳薇又在“全國(guó)抗擊新冠肺炎疫情表彰大會(huì)”中被授予了“人民英雄”稱(chēng)號(hào)，以此激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)情懷，讓學(xué)生感受到“中國(guó)速度”，并展開(kāi)課堂。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用學(xué)生身邊發(fā)生的例子創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，烘托出家國(guó)情懷氛圍，為后續(xù)引導(dǎo)學(xué)生參與到真實(shí)事件的解決中做出鋪墊。

3.2 引導(dǎo)學(xué)生分析資料，促進(jìn)建模

教師提供新冠病毒模式圖（圖1），介紹新冠病毒及感染機(jī)制（圖2），并提出問(wèn)題：①新冠病毒是一種什么病毒？②新冠病毒是如何入侵人體細(xì)胞的？

圖1 SARS-CoV-2病毒結(jié)構(gòu)模式圖

圖2 SARS-CoV-2病毒侵染人體細(xì)胞模式圖

學(xué)生觀(guān)察圖1，認(rèn)識(shí)新冠病毒的基本結(jié)構(gòu)及核酸類(lèi)型，對(duì)新冠病毒有一個(gè)初步概念。教師引導(dǎo)學(xué)生分析得出新冠病毒的感染機(jī)制，并使學(xué)生眼光定位到S蛋白上，引導(dǎo)學(xué)生得出S蛋白是研制疫苗的關(guān)鍵，為后續(xù)疫苗的研制做鋪墊。

接著，教師提供信息：現(xiàn)國(guó)內(nèi)是滅活疫苗、重組基因工程疫苗、腺病毒載體疫苗、核酸疫苗、減毒流感病毒疫苗。5條疫苗研發(fā)技術(shù)路線(xiàn)同步開(kāi)展。其中，腺病毒載體疫苗就是陳薇院士研制的疫苗類(lèi)型。

教師展示資料，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)腺病毒：

①腺病毒是一種線(xiàn)狀雙鏈DNA病毒，對(duì)呼吸道、胃腸道等均可感染，典型癥狀是咳嗽、鼻塞和咽炎等，宿主范圍廣，對(duì)人致病性低。

②腺病毒載體轉(zhuǎn)基因效率高，體外實(shí)驗(yàn)接近100%的轉(zhuǎn)導(dǎo)效率；進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)并不整合到宿主細(xì)胞基因組，安全性高。在產(chǎn)能上也可以通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么要選取腺病毒作為載體？

學(xué)生經(jīng)過(guò)思考、討論，得出：腺病毒載體疫苗的作用就是量產(chǎn)S蛋白并將其送入體內(nèi)。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，使學(xué)生了解腺病毒的基本結(jié)構(gòu)與特征，將復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)單化，增加真實(shí)情境感，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)初步推測(cè)出腺病毒載體疫苗的作用，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維與邏輯推理能力。

3.3 學(xué)生深入探究，構(gòu)建腺病毒載體疫苗模型

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)腺病毒載體疫苗的作用和本質(zhì)，嘗試設(shè)計(jì)出疫苗的研發(fā)思路：用腺病毒作載體表達(dá)新冠病毒的S蛋白，通過(guò)腺病毒感染呼吸道，在呼吸道里表達(dá)S蛋白，S蛋白刺激人體產(chǎn)生抗體，從而發(fā)揮作用。該思路基于哪項(xiàng)技術(shù)，有哪些步驟？

3.3.1 目的基因的獲取

根據(jù)前面分析，教師引導(dǎo)學(xué)生將目的基因定位到S蛋白上。教師展示從國(guó)家生物信息中心獲得到的S蛋白部分序列片段：

5′UAACAUCAC…………AUGCUGAGAU 3′。

教師告知學(xué)生可通過(guò)基因工程手段獲得S蛋白的基因。然后，追問(wèn)：在疫苗研制過(guò)程中需要大量S蛋白基因序列，如何量產(chǎn)？

3.3.2 基因表達(dá)載體的構(gòu)建

教師提供腺病毒基因序列（圖3），發(fā)放活動(dòng)教具，并明確小組活動(dòng)目的。學(xué)生分工合作完成模型構(gòu)建。

圖3 腺病毒的基因序列

學(xué)生根據(jù)已學(xué)知識(shí)和所給資料，嘗試對(duì)腺病毒基因組進(jìn)行加工修飾，構(gòu)建符合要求的基因表達(dá)載體，用磁力貼和文字表示。學(xué)生分組活動(dòng)，展示設(shè)計(jì)成果，如圖4所示。小組介紹設(shè)計(jì)思路：E1a/E1b是毒性基因，E3會(huì)破壞人體免疫系統(tǒng)，在腺病毒載體疫苗研發(fā)中，腺病毒的角色是載體而非病毒，故不需要表現(xiàn)出病毒毒性也不能破壞宿主免疫系統(tǒng)，同時(shí)目的基因的表達(dá)需要啟動(dòng)子和終止子的參與，還需要標(biāo)記基因作為后續(xù)的檢測(cè)鑒定。在學(xué)生互評(píng)后，教師追問(wèn)：重組腺病毒應(yīng)是環(huán)狀還是線(xiàn)性？

圖4 2個(gè)學(xué)生的建構(gòu)模型示例

教師總結(jié)評(píng)價(jià)，肯定學(xué)生評(píng)價(jià)和小組的思維成果。并進(jìn)行補(bǔ)充：標(biāo)記基因的選擇及理由很充分，但要考慮到疫苗的特殊性，新冠疫苗注射的對(duì)象是人體，標(biāo)記基因的存在可能會(huì)有安全問(wèn)題，一般在疫苗中不會(huì)額外添加標(biāo)記基因，考察疫苗效果最直接的方法是以接種后體內(nèi)抗體產(chǎn)生的能力來(lái)評(píng)價(jià)的，所以新冠疫苗中不額外添加標(biāo)記基因。接著，教師展示在實(shí)際科研中使用的腺病毒重組系統(tǒng)——Admax重組系統(tǒng)，并提出問(wèn)題：根據(jù)資料，畫(huà)出經(jīng)Admax系統(tǒng)重組后的腺病毒載體基因組序列。

Admax重組系統(tǒng)如圖5所示，包含基因組質(zhì)粒和穿梭質(zhì)粒兩部分。基因組質(zhì)粒含有腺病毒大部分所需基因，穿梭質(zhì)粒包含外源目的基因。質(zhì)粒上存在著LoxP序列和Cre重組酶基因。

圖5 Admax重組系統(tǒng)示意圖

LoxP序列：是由兩個(gè)13 bp反向重復(fù)序列和中間間隔的8 bp序列共同組成，8 bp的間隔序列同時(shí)也確定了LoxP的方向。其序列如圖6所示。

圖6 LoxP序列示意圖

Cre重組酶：能介導(dǎo)兩個(gè)LoxP位點(diǎn)之間的特異性重組，可分成三種情況：

①若兩個(gè)LoxP位點(diǎn)在1條DNA鏈上，且同向，Cre重組酶能切除LoxP位點(diǎn)間的序列；

②若兩個(gè)LoxP位點(diǎn)在1條DNA鏈上，且反向，Cre重組酶能使LoxP位點(diǎn)間的序列倒位；

③若兩個(gè)LoxP位點(diǎn)分別在兩條DNA鏈上，Cre酶能介導(dǎo)兩條DNA鏈的交換。

3.3.3 將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞

教師展示腺病毒載體疫苗資料，加深學(xué)生對(duì)目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞理論和實(shí)際操作情況的理解：腺病毒載體疫苗具有天然感染優(yōu)勢(shì)，免疫途徑簡(jiǎn)便快捷，技術(shù)手段已非常成熟。通常采用肌肉注射以及皮下注射，最近研究表明，噴霧免疫或者經(jīng)過(guò)口服也能產(chǎn)生局部黏膜免疫應(yīng)答，效果良好。

3.3.4 目的基因的檢測(cè)與鑒定

教師展示疫苗檢測(cè)流程（圖7），并告知我國(guó)陳薇院士團(tuán)隊(duì)的進(jìn)展：已于2020年3月份開(kāi)展了臨床一期人體試驗(yàn)，5月份在頂尖雜志《柳葉刀》發(fā)表臨床試驗(yàn)結(jié)果。目前已完成了二期試驗(yàn)，正積極開(kāi)展三期試驗(yàn)。

圖7 疫苗檢測(cè)流程示意圖

設(shè)計(jì)意圖：本部分以基因工程的步驟為線(xiàn)索貫穿整個(gè)環(huán)節(jié)。首先定位于S蛋白并得到目的基因，再通過(guò)活動(dòng)使學(xué)生深刻理解并體會(huì)基因表達(dá)載體是核心這一知識(shí)點(diǎn)，并引入真實(shí)情境中的Admax重組系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)參與到真實(shí)情境中的問(wèn)題解決中去，通過(guò)學(xué)生自評(píng)、互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。最后，教師介紹陳薇團(tuán)隊(duì)的疫苗研發(fā)進(jìn)展，通過(guò)數(shù)據(jù)彰顯陳薇團(tuán)隊(duì)的過(guò)硬科研實(shí)力和奉獻(xiàn)精神，引發(fā)學(xué)生民族自豪感。

3.4 總結(jié)提升，學(xué)生分享

教師展示資料（表1），告知學(xué)生世界上主流的疫苗研發(fā)機(jī)構(gòu)，中國(guó)的參與情況及其進(jìn)展（數(shù)據(jù)截止至2021年1月）。最后，請(qǐng)學(xué)生分享課前查閱的與基因工程有關(guān)其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

表1 世界上新冠疫苗的研制情況（部分）

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)圖表向?qū)W生直觀(guān)展示我國(guó)疫苗研制的進(jìn)展和在國(guó)際上所處的地位，讓學(xué)生感受到我國(guó)不僅在疫情防控上為世界作出了表率，在疫苗研制方面也走在了世界的最前方，彰顯了我國(guó)的大國(guó)風(fēng)范，使學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷得到進(jìn)一步的升華。最后，學(xué)生分享案例，進(jìn)一步理解基因工程在生產(chǎn)實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，讓理論服務(wù)于實(shí)踐。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課摒棄了以往按照教材逐個(gè)介紹不同領(lǐng)域中應(yīng)用的思路，而是結(jié)合當(dāng)下疫情展現(xiàn)前沿科技，從人民英雄陳薇研發(fā)的腺病毒載體疫苗入手，教師通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)讓學(xué)生在活動(dòng)中體會(huì)基因工程在疫苗研發(fā)中所起的關(guān)鍵作用，并讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)“基因表達(dá)載體”是核心這一內(nèi)容。整節(jié)課中滲透愛(ài)國(guó)主義教育，首尾呼應(yīng)。

不足之處在于因時(shí)間有限，最后對(duì)于A(yíng)dmax重組系統(tǒng)的探究不夠深入，部分學(xué)生對(duì)于Cre酶和LoxP序列在系統(tǒng)中的作用及其使用存在一定理解困難；同時(shí)，最后的學(xué)生展示環(huán)節(jié)不夠充分，如有條件可以讓學(xué)生介紹不同領(lǐng)域的案例，并完成學(xué)生自評(píng)與互評(píng)。