基于模型建構(gòu)的“基因工程的應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計(jì)

謝茜 楊梅

1 教材及學(xué)情分析

“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。學(xué)生在此之前學(xué)習(xí)了基因工程的基本工具和基本操作程序，已經(jīng)有了足夠的理論基礎(chǔ)。“基因工程的應(yīng)用”一節(jié)中列舉了基因工程在植物、動(dòng)物、醫(yī)藥、醫(yī)療診斷等多方面的應(yīng)用，教師在教學(xué)時(shí)若泛泛而談或者面面俱到，均不能讓學(xué)生深入理解基因工程的基本操作程序，突破操作程序中的難點(diǎn)。因此，下面以新冠病毒的重組蛋白疫苗為例，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)新冠病毒重組蛋白的研制，先討論出基本概念模型，然后逐步完善，并利用交互式動(dòng)畫，構(gòu)建基因表達(dá)載體的物理模型，使學(xué)生在構(gòu)建物理模型的過程中了解在基因工程基礎(chǔ)上發(fā)展起來的蛋白質(zhì)工程技術(shù)，為學(xué)習(xí)下一節(jié)打好基礎(chǔ)。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）闡明基因工程的基本操作程序，構(gòu)建基本的概念模型。

（2）能結(jié)合情境，構(gòu)建新冠病毒重組蛋白疫苗的制作流程，完善概念模型;利用交互式動(dòng)畫構(gòu)建基因表達(dá)載體的物理模型;提高科學(xué)思維，獲得解決實(shí)際問題的探究能力。

（3）通過構(gòu)建物理模型，理解蛋白質(zhì)工程的原理。

（4）認(rèn)同我國在疫苗研發(fā)上的飛速發(fā)展及在全球抗疫中的卓越成就，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)和民族自豪感。

3 教學(xué)過程

3.1創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入新課

教師簡單介紹武漢抗擊新冠肺炎疫情的過程、全球新冠疫情防控情況，引出我國接種的新冠疫苗，提示學(xué)生關(guān)注新冠疫苗的研發(fā)。教師利用新冠肺炎在全球的蔓延及其對(duì)人類的健康、生產(chǎn)、生活帶來的巨大影響，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到疫苗接種與疫苗研發(fā)的重要性，引起共情，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

3.2教師以 S 蛋白生產(chǎn)為例，引導(dǎo)學(xué)生回顧基因工程的基本流程

教師展示新冠病毒的圖片并介紹它的基本結(jié)構(gòu)、組成成分及新冠病毒侵染人體大致過程，讓學(xué)生知道感染的關(guān)鍵是新冠病毒的刺突蛋白（S 蛋白）。 S 蛋白是一種糖基化修飾的蛋白質(zhì)，能與人體的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2受體）識(shí)別和結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到疫苗研發(fā)的關(guān)鍵可以利用S 蛋白。

教師播放新冠病毒滅活疫苗與蛋白疫苗的作用原理視頻，提問：重組蛋白疫苗的優(yōu)點(diǎn)是什么？學(xué)生在已有的免疫調(diào)節(jié)知識(shí)背景下，能很快理解滅活疫苗的作用原理，明確“蛋白疫苗的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)成本低，對(duì)人體更安全”，認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)蛋白疫苗的必要性。

教師展示資料：①中國科學(xué)院等利用基因工程的方法在工程細(xì)胞中獲取抗原蛋白，制作重組蛋白疫苗。②中國科學(xué)家率先獲得新冠病毒全基因組序列，并向全世界無私的分享了這一成果，后又測出 S 蛋白的基因序列。教師要求學(xué)生以 S 蛋白的生產(chǎn)為例，回顧基因工程的基本操作程序，并提問：基因工程的基本操作程序是什么？為了獲得 S 蛋白，該目的基因可以導(dǎo)入的受體細(xì)胞是哪種細(xì)胞？為什么？

學(xué)生回顧基因工程的基本操作程序，構(gòu)建基本概念模型（圖1），得出：應(yīng)該將S 蛋白的基因?qū)胝婧思?xì)胞，因?yàn)檎婧思?xì)胞具有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，可以對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，讓學(xué)生了解S蛋白的基因和S 蛋白，促進(jìn)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)初步推斷重組蛋白疫苗的制作流程，構(gòu)建基本的概念模型，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維和邏輯推理能力。

3.3學(xué)生畫出利用轉(zhuǎn)基因植物獲得 S 蛋白的流程圖

教師提問：我國的新冠病毒重組蛋白疫苗的蛋白質(zhì)是導(dǎo)入CHO（倉鼠卵巢細(xì)胞）細(xì)胞中獲得的，但動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的成本會(huì)較高，為什么？學(xué)生思考后，回答：動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)需要無菌且無毒的環(huán)境、適宜的溫度、 pH、氣體環(huán)境，還要提供各種營養(yǎng)物質(zhì)，如糖類、氨基酸。

教師展示資料，引導(dǎo)學(xué)生思考：我國科研人員最新的一項(xiàng)研究成果，科研人員發(fā)現(xiàn)可以用植物來表達(dá) S 蛋白，大大降低了生產(chǎn)成本。參照動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的條件，為什么利用植物生產(chǎn)S 蛋白成本會(huì)下降？教師提示學(xué)生對(duì)比動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的條件作出回答。學(xué)生對(duì)比動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)之后，知道：植物可以在室外培養(yǎng)，不需要全程保證無菌無毒的環(huán)境，并且綠色植物是自養(yǎng)生物，不需要提供大量營養(yǎng)物質(zhì)。

構(gòu)建基因表達(dá)載體是基因工程的核心，教師在白板上展示基因表達(dá)載體的基本結(jié)構(gòu)，請(qǐng)小組派代表利用交互式動(dòng)畫，構(gòu)建該基因表達(dá)載體的物理模型（圖2）。

教師在白板上展示利用植物生產(chǎn)S 蛋白論文的關(guān)鍵詞“植物生產(chǎn)疫苗（蛋白）”“本氏煙草”“農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法”，并提供材料（圖3）。學(xué)生以小組為單位，根據(jù)教師提供的材料，利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，構(gòu)建在本氏煙草中獲取S 蛋白的概念模型。小組合作完成模型構(gòu)建，用白板展示成果，并介紹設(shè)計(jì)思路。教師引導(dǎo)學(xué)生在相互評(píng)價(jià)過程中突破基因工程的難點(diǎn)，并對(duì)自己的模型進(jìn)行修改和完善。

3.3.1目的基因的篩選與獲取

在學(xué)生闡述各種可以獲得目的基因的方法后，教師展示資料，讓學(xué)生知道實(shí)際生產(chǎn)時(shí)采用的是RT-PCR 技術(shù)，即先逆轉(zhuǎn)錄獲得DNA，然后PCR擴(kuò)增目的基因。

3.3.2基因表達(dá)載體的構(gòu)建

學(xué)生根據(jù)RNA 的部分序列，推導(dǎo)出它對(duì)應(yīng)的部分 DNA序列、限制酶的識(shí)別序列，以及Ti質(zhì)粒上限制酶的切割位點(diǎn)，選取限制酶切割目的基因和Ti質(zhì)粒;然后用DNA連接酶進(jìn)行連接，構(gòu)建重組質(zhì)粒。

學(xué)生提出了三種操作方式：①選擇單酶切，即只選擇ECoRⅠ對(duì)目的基因和Ti質(zhì)粒進(jìn)行切割。②雙酶切時(shí)選擇了ECoRⅠ和Sau3A Ⅰ。③選擇了ECoRⅠ和BamHⅠ對(duì)目的基因和質(zhì)粒進(jìn)行雙酶切，然后用 DNA 連接酶連接構(gòu)建重組質(zhì)粒。小組互評(píng)后，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)：若只使用ECoRⅠ進(jìn)行酶切，雖然可以構(gòu)建重組質(zhì)粒，但是容易出現(xiàn)質(zhì)粒和目的基因自身環(huán)化，及目的基因反向插入Ti質(zhì)粒的問題;若使用Sau3A Ⅰ酶切，該酶的識(shí)別序列在 T-DNA 內(nèi)外均有，若切割了 T- DNA外的點(diǎn)，則導(dǎo)致目的基因不能插入T-DNA 內(nèi)部。

針對(duì)上述三種方式，教師引導(dǎo)學(xué)生觀看白板上的交互動(dòng)畫，加深學(xué)生對(duì)限制酶選擇方法的理解。

學(xué)生觀看演示動(dòng)畫，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)ECoRⅠ單酶切后目的基因和質(zhì)粒的兩端產(chǎn)生的黏性末端相同，容易出現(xiàn)自身環(huán)化的問題;目的基因旋轉(zhuǎn)180°之后，黏性末端方位沒有發(fā)生改變，也可以反向連接到載體上，即單酶切會(huì)出現(xiàn)任意連接的問題。若用ECoRⅠ和Sau3A Ⅰ進(jìn)行酶切，Sau3A Ⅰ會(huì)切割T-DNA 外的序列，導(dǎo)致目的基因不能插入T-DNA 內(nèi)部。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，使學(xué)生明確：在進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)，目

的基因需要插入到T-DNA 內(nèi)部，因?yàn)門-DNA 才能整合到植物細(xì)胞染色體上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定遺傳。

學(xué)生繼續(xù)觀看演示動(dòng)畫，發(fā)現(xiàn)，雙酶切之后兩端產(chǎn)生的黏性末端各不相同，不會(huì)出現(xiàn)自身環(huán)化的問題。這是因?yàn)槟康幕蛑荒軉蜗虿迦胭|(zhì)粒的缺口，不會(huì)出現(xiàn)反向連接的問題。

3.3.3將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞

學(xué)生設(shè)計(jì)的流程包含了目的基因?qū)朕r(nóng)桿菌，用農(nóng)桿菌侵染本氏煙草，T-DNA可以攜帶目的基因整合到本氏煙草細(xì)胞染色體上，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化過程。教師提出問題：（1）怎樣把基因表達(dá)載體導(dǎo)入農(nóng)桿菌？（2）怎樣利用標(biāo)記基因?qū)r(nóng)桿菌進(jìn)行篩選？學(xué)生在問題的引導(dǎo)下回顧所學(xué)知識(shí)，小組討論分析，得出結(jié)論：目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞需要用感受態(tài)細(xì)胞法，所以應(yīng)該對(duì)農(nóng)桿菌進(jìn)行鈣離子處理，使其處于感受態(tài)，吸收周圍環(huán)境中的DNA，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化;在轉(zhuǎn)化完成之后，可以利用含氨芐青霉素的培養(yǎng)基對(duì)農(nóng)桿菌進(jìn)行篩選，篩選出的是含質(zhì)粒和重組質(zhì)粒的農(nóng)桿菌，后續(xù)仍要進(jìn)一步檢測與鑒定。3.3.4目的基因的檢測與鑒定

本實(shí)驗(yàn)是為了獲得S 蛋白，所以學(xué)生傾向選用更直接的手段——抗原抗體雜交，即直接檢測S 蛋白是否表達(dá)。

3.3.5提取S 蛋白

應(yīng)用最終的目的是為了獲得大量的 S 蛋白。此時(shí)，教師介紹：可以破碎細(xì)胞，采取層析的方法提取 S 蛋白。在討論的過程中，各小組不斷修改自己的概念模型，最終教師在白板上展示學(xué)生設(shè)計(jì)的更為的完善的模型（圖4）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生能根據(jù)基因工程的基本操作程序，設(shè)計(jì)出較完整的獲得目標(biāo)蛋白的制作流程，構(gòu)建概念模型，培養(yǎng)了科學(xué)思維，獲得了解決實(shí)際問題的探究能力。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自己和其他同學(xué)設(shè)計(jì)的基因表達(dá)載體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行客觀全面的評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。教師引入實(shí)際情景，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)完整的農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化流程，培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理的能力。

4 拓展延伸

教師展示圖片并提問：全球有很多蛋白疫苗的主要成分是S 蛋白，但有的蛋白疫苗的主要成分是RBD （受體結(jié)合區(qū)）蛋白，我國生產(chǎn)的重組蛋白疫苗的主要成分也是 RBD 蛋白。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？教師引導(dǎo)學(xué)生觀看白板上的圖片，發(fā)現(xiàn)S 蛋白有很多區(qū)域，但與受體識(shí)別和結(jié)合的是 RBD 區(qū)，所以我國的重組蛋白疫苗的主要成分也是RBD 蛋白。

教師繼續(xù)給出材料，并提出問題：科研人員在 RBD 的末端加入了一個(gè)名為his-tag 的肽段，his-tag可以便于科研人員對(duì)RBD 蛋白進(jìn)行純化，且不影響RBD 蛋白的功能。現(xiàn)提供RBD 蛋白與his-tag 片段的RNA 序列，為了獲得這種新的蛋白質(zhì)，應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)流程中哪些環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整？學(xué)生思考后回答：應(yīng)該對(duì)目的基因的獲取和基因表達(dá)載體構(gòu)建這兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。學(xué)生在白板上進(jìn)行動(dòng)畫演示，構(gòu)建基因表達(dá)載體的物理模型（圖5）。

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該過程進(jìn)行分析，明確該過程對(duì) RBD 基因進(jìn)行了改造，進(jìn)而改造了 RBD 蛋白，并介紹在基因工程基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第二代基因工程——蛋白質(zhì)工程。

設(shè)計(jì)意圖：教師鍛煉學(xué)生知識(shí)遷移的能力，引出下一節(jié)的知識(shí)——蛋白質(zhì)工程，并且讓學(xué)生再次體驗(yàn)到基因表達(dá)載體的構(gòu)建是基因工程的核心。

5 總結(jié)升華

教師展示腺病毒載體疫苗圖片，說明除了新冠病毒滅活疫苗、重組蛋白疫苗以外，我國還有由陳薇院士團(tuán)隊(duì)等研發(fā)的腺病毒載體疫苗。教師介紹腺病毒載體疫苗制作的過程，使學(xué)生明確該疫苗也是利用基因工程的方法進(jìn)行生產(chǎn)。教師介紹關(guān)于 DNA 疫苗、RNA 疫苗的研發(fā)進(jìn)展，促進(jìn)學(xué)生樹立遠(yuǎn)大理想，在未來積極投身到生物醫(yī)藥領(lǐng)域

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對(duì)基因工程的應(yīng)用有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，感受到“我國疫苗的研發(fā)走在世界前列，我國疫情的防控為世界人民作出了表率，彰顯了大國風(fēng)范”;也能認(rèn)識(shí)到“我國在生物醫(yī)藥方面仍存在巨大挑戰(zhàn)”，并以此受到鼓舞，從而培養(yǎng)愛國情懷和社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。6? 教學(xué)反思

本節(jié)課在把握教材中基因工程基本操作程序的基礎(chǔ)上，探究新冠病毒重組蛋白疫苗的研發(fā)細(xì)節(jié)。針對(duì)基因工程較復(fù)雜的制作流程及基因表達(dá)載體的構(gòu)建這一難點(diǎn)，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建相關(guān)的概念模型和物理模型，促進(jìn)學(xué)生獲得清晰嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴悸罚屩R(shí)從抽象到具體，使學(xué)生深刻理解基因工程的基本操作流程，并突破操作過程中的難點(diǎn)，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。新冠病毒給全人類帶來巨大的影響，改變了全球的經(jīng)濟(jì)、政治、醫(yī)療等方面的格局。本節(jié)內(nèi)容結(jié)合社會(huì)熱點(diǎn)，通過探究新冠疫苗的研發(fā)流程，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。但是，本節(jié)課也有不足之處，構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí)，所提供的材料都是教師預(yù)設(shè)的，雖然能幫助學(xué)生掌握基因表達(dá)載體構(gòu)建這一核心知識(shí)點(diǎn)，但與實(shí)際的操作有所差別。

參考文獻(xiàn)：

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