蛋白質晶體虛擬仿真實驗的建設及應用

顧江新， 侯錫苗

（西北農(nóng)林科技大學a.資源環(huán)境學院；b.生命科學學院，陜西楊凌 712100）

0 引 言

蛋白質是生命活動的主要載體，蛋白質分子的三維結構與其在生命過程中的功能密切相關［1］。蛋白質分子三維結構建模已經(jīng)成為生命科學的研究前沿，其實驗基礎是高質量蛋白質晶體制備及晶體衍射［2-4］。單個蛋白質分子對X-射線的衍射弱，檢測器無法分辨衍射信號和背景噪聲；蛋白質晶體由大量分子有規(guī)則地排列而成，其衍射信號相疊加，可達到被檢測的強度。在獲得衍射因子強度和相位后，通過數(shù)學模型反演變換來搭建蛋白質分子的三維模型。

蛋白質分子三維建模是生命科學大類本科生必修課程《結構生物學》的主要教學內容，具有理論復雜、概念抽象和數(shù)學公式煩瑣等特點，傳統(tǒng)課堂教學依賴文字描述、圖片和短視頻介紹，造成學生理論與實際脫節(jié)、動手能力弱，難以培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。開展蛋白質晶體實驗教學又面臨以下實際困難：

（1）建設成本高。蛋白質晶體實驗涉及儀器與附件價格昂貴，對存放環(huán)境要求苛刻，日常維護開銷高。

（2）存在安全隱患。晶體衍射實驗具有放射源管制、管理負擔重的特點。高校在購置和管理放射源方面存在困難。

（3）持續(xù)時間長。蛋白質結晶需要耗時3 ～10 d才能獲取滿意的結果，對課時有限的課堂教學提出了挑戰(zhàn)。

虛擬仿真實驗在解決高成本、高危險和高消耗等方面顯示出巨大優(yōu)勢［5-7］。其基本思路是通過虛擬現(xiàn)實技術將實驗過程具象化，實現(xiàn)虛擬實驗服務于實驗。目前，針對蛋白質相關研究的虛擬仿真實驗尚不多見［8-9］，亟須開展蛋白質晶體虛擬仿真實驗平臺的建設。

1 虛擬仿真實驗建設思路

1.1 完整再現(xiàn)實驗知識體系

該實驗虛擬仿真平臺的建設完全基于自有科研成果［10-12］，具有高度可行性、真實性和系統(tǒng)性。實驗方案嚴格遵照基本理論，實驗步驟及輸出數(shù)據(jù)均來源于實際操作。為完整再現(xiàn)實驗知識體系，設置蛋白質結晶條件初篩、結晶條件優(yōu)化、晶體衍射和結構解析等模塊（見圖1），引導學生循序漸進完成實驗內容的學習及操作。在實驗過程中，有意識地培養(yǎng)學生主動對遇到的科學問題進行分析并提出解決方案，學習和掌握蛋白質晶體研究的基本思路。

圖1 蛋白質晶體實驗知識體系

1.2 教學模式設計

實驗教學按照“線上、線下預習—線上實驗操作—生成報告”3 個環(huán)節(jié)進行［13-15］。多維度展示實驗原理、方法和步驟，引導學生充分掌握基礎理論知識和基本實驗操作方法。教學模式設計的主要特點：

（1）虛擬與現(xiàn)實結合教學法。系統(tǒng)在實驗進程中推送一些預先準備的實驗結果圖片，使學生沉浸式體驗實驗結果。依據(jù)學生設置的晶體初篩條件給出相應的晶體圖片，引導學生分辨晶體的特征、找出晶體存在的問題并著手解決問題。

（2）設置情景教學法。以學生為中心和主體來設計實驗場景，采用人物在虛擬實驗室中作任務的形式，以第1 視角展現(xiàn)實驗對象及其動態(tài)變化，激發(fā)學生自主學習的積極性。在觀察蛋白質晶體形狀時，學生必須選擇正確的鼠標手勢對顯微鏡進行操作，借此考查學生實驗操作的規(guī)范性。

（3）設置問答互動教學法。在實驗的一些關鍵點設置互動問答環(huán)節(jié)，考查學生對基礎理論知識的掌握程度。對于困難或復雜的實驗步驟，學生可根據(jù)自身掌握情況多次重復操作和學習。

1.3 推進過程評價機制建設

本實驗虛擬仿真平臺采用線上系統(tǒng)評定（實驗操作和知識回答）與線下綜合評定（實驗報告）相結合的形式進行，著重體現(xiàn)過程評價機制。線上系統(tǒng)評定主要根據(jù)學生的實驗測試和實驗操作表現(xiàn)，考核學生對重點知識的掌握情況和實驗操作的規(guī)范性；線下綜合評定由教師通過綜合考查學生實驗報告情況而定，考核學生學習的自主和創(chuàng)新性。

2 實驗虛擬仿真實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構

采用B／S 架構，綜合Unity 3D、多媒體和數(shù)據(jù)庫等技術，構建由數(shù)據(jù)層、支撐層、服務層、仿真層和應用層組成的系統(tǒng)架構（見圖2）。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)實驗操作與實驗管理的有效對接，支持線上測試、評價和統(tǒng)計等功能，具有良好的自主和交互性。

圖2 實驗虛擬仿真系統(tǒng)架構

2.2 開發(fā)流程

實驗虛擬仿真平臺的建設依靠專業(yè)教師和程序設計人員的充分交流與合作，開發(fā)流程主要包括前期準備和軟件開發(fā)兩部分（見圖3）。前期準備由專業(yè)教師完成，以課程教學大綱、教學目標和教學內容為依據(jù)，提供實驗原理、儀器及各部件的圖片與尺寸、儀器工作場景、數(shù)據(jù)輸出及解釋、考核題庫等素材，編寫和修改設計腳本。設計人員對主程序框架、交互界面以及反饋信息收集等模塊進行設計，使用3Ds Max、Photoshop和MAYA等軟件建模、貼圖，實驗室場景及物體三維模型的表現(xiàn)更接近實物，交互界面使用C 語言編程。程序發(fā)布后，還需要對教師進行培訓，并根據(jù)師生使用的反饋意見改進和升級。

圖3 實驗虛擬仿真開發(fā)流程圖

2.3 實驗模塊的實現(xiàn)

實驗虛擬仿真平臺的建設以實驗為依據(jù)，分為晶體初篩、晶體優(yōu)化、晶體衍射和結構解析等模塊。部分實驗環(huán)節(jié)展示如圖4 所示。

圖4 蛋白質晶體實驗虛擬仿真部分環(huán)節(jié)展示

晶體初篩 設置大量的初始條件（沉淀劑、鹽濃度、pH、金屬離子、添加晶種等）進行晶體培養(yǎng)，獲得初篩晶體（往往是微晶或晶形不好的晶體）。

晶體優(yōu)化 在初篩條件的基礎上，精細設置晶體生長條件，繼續(xù)觀察晶體的形狀與大小，得到高質量晶體。

晶體衍射 使用X-射線衍射儀對晶體進行衍射檢測，獲取衍射因子強度和相位。呈現(xiàn)衍射點的動態(tài)變化圖像，展示判斷衍射數(shù)據(jù)質量優(yōu)劣的標準。

結構解析 介紹CCP4 軟件操作界面，使用該模型進行數(shù)據(jù)反演，其數(shù)學基礎是傅里葉變換及逆變換，通過電子密度空間分布解析和氨基酸填充，最終繪制蛋白質分子三維結構。

3 教學應用及評價

該蛋白質晶體實驗虛擬仿真平臺已投入教學應用。學生可利用電腦、智能手機等終端設備登錄實驗虛擬仿真平臺（https：／ ／xunifangzhen.nwafu.edu.cn／），獲取實驗指導書、熟悉實驗虛擬流程并進行虛擬操作。學生完成實驗并提交實驗報告，教師依據(jù)線上、線下成績給出綜合評價。

以2020 級生物科學、生物技術和生物工程專業(yè)112 名學生的線上成績?yōu)闃颖具M行實驗教學效果分析。學生初次實驗操作線上成績整體呈偏負態(tài)分布，平均值為72.3 分，扣分點主要出現(xiàn)在結晶條件初篩模塊，該模塊使用儀器種類多、實驗步驟煩瑣，對基本操作規(guī)范要求高。經(jīng)過多次操作練習后，線上成績整體滿足正態(tài)分布，平均值提升至88.5 分?？梢姴捎锰摂M仿真教學模式，學生的實驗操作規(guī)范有較大幅度提高，對關鍵知識點的掌握程度也更加扎實，教學效果良好。建議進一步推廣至生物醫(yī)學、植物保護和農(nóng)學等專業(yè)人才培養(yǎng)及相關領域的人員培訓。

4 結 語

蛋白質晶體實驗虛擬仿真平臺通過虛擬現(xiàn)實技術實景展現(xiàn)蛋白質結晶及三維結構解析的教學過程。學生通過對結晶條件初篩、條件優(yōu)化、晶體衍射和結構解析等實驗項目的操作和學習，完成實驗報告。教師通過實驗綜合考查學生的學習過程和實驗報告情況并進行評價。已有的應用情況反映出教學效果良好。該虛擬仿真實驗有助于學生加深對蛋白質晶體研究的認識和理解，對相關專業(yè)的實驗教學具有一定的示范作用。