生物工程專業虛擬仿真實驗的建設與應用

摘 要 虛擬仿真技術在高等院校教學中的應用日益廣泛，突破了傳統實驗教學無法開展大型實驗的限制。在此背景下，設計并開發地黃內生放線菌及代謝物分離鑒定的虛擬仿真實驗，真實還原從地黃中篩選內生放線菌，以及分離和鑒定活性菌株代謝物的實驗過程。將虛擬仿真技術引入生物工程專業的實驗教學，通過虛實結合顯著提高了實驗教學效果，有利于培養學生的科研思維和實驗操作能力。

關鍵詞 生物工程；虛擬仿真實驗；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-00-04

0 引言

目前，我國高校正在大力推進新工科建設，一方面主動建立和發展新興工科專業，另一方面推動現有工科專業的改革和創新。工科專業的改革和創新不僅要求有新的教學理念、教學模式，還需要和當地的產業的需求一致，深化校企合作，提高學生的就業和創業能力，培養一大批具有較強技術能力和工程實踐能力的專業人才，滿足產業發展需求[1]。這對中醫藥大學的生物工程、制藥工程等工科專業的建設和改革提出了新的挑戰。

2021年12月，國家發展和改革委員會專門印發

了《“十四五”生物經濟發展規劃》，提出發展面向人民生命健康的生物醫藥[2]。在“十四五”開局之年，多個省市將生物醫藥產業納入“十四五”發展規劃，加強企業與高校合作，引導企業突破核心技術，依托重大科技專項等加快關鍵核心技術攻關，解決“卡脖子”問題，為構建現代化經濟體系、推動經濟高質量發展提供有力支撐。因此，中醫藥大學的生物工程、制藥工程等專業必須加快改革和創新的步伐，為生物醫藥經濟的發展培養高質量的創新型、復合型、應用型人才。

根據國家生物經濟發展的需要，河南中醫藥大學以新工科建設和改革為契機，在藥學院國家級特色專業——制藥工程專業和省級特色專業——生物工程、中藥制藥專業的基礎上，設計和開發了“地黃內生放線菌及代謝物分離鑒定的虛擬仿真實驗”，在生物工程、制藥工程和中藥制藥三個專業的專業基礎課工業微生物中開設[3]。本實驗采用虛擬仿真技術，構建高自由度的三維實驗場景，并結合真實實驗室內觀摩教師現場示教，虛實結合，培養學生的實驗操作和科學思維能力，使學生掌握植物體內生放線菌及代謝物分離、鑒定的實驗方法和意義，加深學生對生物技術理論以及實踐應用的理解。

1 虛擬仿真實驗背景

地黃是中醫臨床常用的傳統藥材，也是著名的四大懷藥之一，具有滋陰補腎、生精補髓、清熱生津、降血糖和增強免疫力等功效。植物內生菌能夠產生與宿主相同或相似的生理活性物質，有抗菌、抗腫瘤、殺蟲、免疫抑制、抗氧化等生物學活性。根據已有報道，從內生菌中發現新活性化合物的比例高達51%，因此，利用植物內生菌篩選高效、新穎、低毒的抗菌活性物質潛力巨大，這些特性使得植物內生菌成為醫藥、農業、化學品等研究的熱點。通過篩選地黃的內生放線菌，獲得具有生物活性的放線菌菌株，并分離和鑒定活性菌株的代謝產物，旨在發現與地黃中化合物結構一致或類似的化合物，為解決中藥材生長周期長，受環境限制及化合物提取困難等問題奠定基礎[4]。

地黃作為傳統中藥材，從地黃中篩選并鑒定內生放線菌及代謝物，是深入開發、利用、保護地黃資源的重要手段，但實驗周期長、成本高、過程煩瑣，在傳統的實驗教學中無法完成整個實驗過程。在活性化合物鑒別方面，涉及很多分析化合物結構的儀器，在傳統教學模式下學生很難接觸并使用這些儀器，如質譜儀、核磁共振儀、圓二色譜儀等，通過虛擬仿真操作，學生可以體驗實驗過程，學習這些儀器的具體操作，并且可以反復練習，培養學生科研思維和實際動手能力。充分發掘虛擬仿真實驗平臺的技術優勢，使學習更加深入，有利于充分調動學生自主學習的積極性，將自主學習和研究性學習有機結合。通過本虛擬仿真實驗項目的學習，結合真實實驗室中的學習，讓學生掌握生物技術在中醫藥領域的最新研究方法，為生物醫藥行業發展培養具有創新精神和創新能力的復合型人才。

2 虛擬仿真實驗模塊建設

2.1 實驗總覽

地黃內生放線菌及代謝物分離鑒定的虛擬仿

真實驗的網址為（https：//www.ilab-x.com/details/

page？id=6892&isView=true），頁面展示包括項目申報書、簡介視頻、引導視頻、理論學習和仿真訓練（見圖1）。本虛擬仿真實驗以真實的實驗操作為依據，高度還原實驗過程的具體步驟和環節。理論學習模塊提供實驗需要的實驗技術相關原理和資料供學生自主學習，如菌種純化、篩選、菌絲培養，以及分子生物學技術（DNA提取、瓊脂糖凝膠電泳、PCR、DNA體外重組等）。仿真訓練包含整體實驗設計、放線菌菌種分離、放線菌菌種純化、活性放線菌篩選、活性放線菌鑒定、活性化合物分離、活性化合物鑒定，學生以第一視角查閱文獻資料，設計實驗方案，實施實驗操作，數據結果分析，最后完成實驗報告。

2.2 菌種分離模塊

地黃內生放線菌菌種較多，利用特定的選擇性分離培養基可以分離出多種放線菌，將樣品植株經消毒之后，研磨成勻漿，取200 μL涂布在特定培養基上，培養兩周之后即可長出不同表型的放線菌菌落（見圖2）。本模塊包括放線菌菌種分離實驗設計、實驗前準備、菌種分離。在實驗設計部分，一共有七個實驗步驟（植株室溫放置、植株蒸餾水清洗、植株烘干、表面消毒、濾紙包裹干燥、研磨成漿、研磨液稀釋培養），讓學生根據實驗講義將實驗步驟拖到正確的位置上。然后進入實驗前準備，學生配制好相應試劑和培養基后放到滅菌鍋里，選擇滅菌參數，在121 ℃下滅菌30 min后，轉移至超凈臺

下進行實驗操作。實驗準備完成后，根據提示的實驗步驟，開始進行菌種分離的操作。

2.3 菌種純化及活性菌株篩選模塊

通過倒平板、觸碰放線菌菌落、點板、封平板培養等操作，對放線菌菌種進行分離純化操作。獲得無污染的單菌落后，通過初篩倒平板、初篩點樣、初篩封平板培養、貼菌餅等步驟對活性菌株進行篩選，使用十字交叉的方法篩選出具有抗病原真菌的活性放線菌菌株。

2.4 活性放線菌鑒定模塊

本模塊的內容是對已純化和篩選得到的放線菌菌株進行鑒定，主要是分子生物學實驗技術，包括活性菌株種子擴大培養、DNA提取、瓊脂糖凝膠電泳、PCR擴增、PCR產物純化、PCR產物連接、連接產物轉化、大腸桿菌重組子鑒定等八個操作步驟，如圖3所示。

對已純化的放線菌菌株擴大培養后，提取放線菌的基因組DNA，利用瓊脂糖凝膠電泳和紫外分光光度計檢測基因組DNA的完整性和純度。通過設計引物，PCR擴增放線菌的16S rDNA片段，PCR結束后，電泳檢測PCR產物。用PCR產物純化試劑盒純化PCR產物，把純化的PCR產物連接至pMD19-T克隆載體，通過熱擊轉化法把連接產物轉化到大腸桿菌，然后把大腸桿菌均勻涂布在含有氨芐西林抗生素的LB培養基上，放置在37 ℃培養箱中過夜培養。第二天，用菌落PCR鑒定含有放線菌16S rDNA片段的大腸桿菌克隆，通過基因測序得到純化的放線菌中16S rDNA片段序列，并與數據庫進行比對，從而最終確定該放線菌的種類。

2.5 活性化合物的分離與鑒定模塊

活性化合物的分離模塊包括活性菌種擴大培養和發酵培養。首先將鑒定得到的活性放線菌菌株在平板上劃線培養，獲得孢子后將孢子接種到種子培養基中，生長兩天后獲得種子液。將種子液接種到多種不同的發酵培養基中，進行發酵培養，獲得發酵液后，將發酵液離心獲得上清液和沉淀物，沉淀物用甲醇提取。將上清液和沉淀物分別利用病原真菌進行平板對峙實驗，從而篩選出最適的發酵培養基，使用最適培養基在30 L發酵罐中發酵培養，最終獲得活性放線菌菌株的發酵液。

活性化合物的鑒定模塊包括化合物的提取、質譜鑒定、紫外分光光度計測定、紅外光譜儀測定、核磁共振波譜檢測等實驗步驟。將活性放線菌的發酵液通過離心獲得上清液和沉淀物，沉淀物用甲醇提取，將甲醇提取液及上清液合并濃縮后，上大孔吸附樹脂柱，依次用不同濃度乙醇—水梯度洗脫得各洗脫部位，濃縮干燥。各部位用甲醇溶解，硅膠拌樣后按一定比例上硅膠柱，用不同配比的二氯甲烷—甲醇溶液梯度洗脫分別得到流份1和流份2，兩個流份濃縮再采用硅膠柱、凝膠柱、反相硅膠等進行分離純化得到單體化合物。化合物的結構鑒定首先采用質譜檢測，確定化合物的分子量、分子式以及分子碎片結構，然后采用紫外分光光度計測定化合物的紫外光譜確定共軛體系，采用紅外光譜儀測定化合物的紅外光譜確認功能基團及芳環取代類型，最后用核磁共振儀測定核磁共振波譜確認化合物分子中有關氫及碳原子的類型、數目、互相連接方式、構型、構象等結構信息，采用旋光儀測定化合物的旋光值，化合物的絕對構型由圓二色譜儀的科頓效應來確定，最終鑒定得到化合物的結構。

3 虛擬仿真實驗的具體實施

充分利用虛擬仿真實驗的優勢，遵循虛實結合的原則，采用線上線下相結合的混合式教學方法，預習、學習、實驗、答疑、考核全程覆蓋，形成完整的教學過程，共12學時，具體實施過程如下。

3.1 自主學習

學時為1學時，要求學生在進行虛擬仿真實驗之前，預習實驗講義、微課視頻等，進行理論學習，包括地黃的基本知識，放線菌的定義、用途、分類，常見植物內生放線菌的分離方法，以及活性化合物的分離鑒定方法和相關儀器的介紹。預習完成后，軟件會自動對學生的預習效果進行考核，并對預習過程中的學習數據進行統計。

3.2 設計實驗方案

學時為1學時，學生以第一人稱視角查閱文獻資料，設計實驗方案，實施實驗操作，數據結果分析，最后完成實驗報告。

3.3 虛擬仿真訓練

學時為6學時，虛擬仿真訓練模塊包括整體實驗方案設計、放線菌菌種分離、菌種純化、活性放線菌篩選、活性放線菌鑒定、活性化合物的分離和鑒定等實驗步驟。學生通過校園網進入該虛擬仿真實驗所在網絡登錄系統后，可以參考系統內的實驗講義以及理論知識點內容，嘗試進行虛擬實驗操作。學生通過交互界面進行虛擬仿真實驗，每個實驗環節設置知識點的考核，學生通過知識點的考核后，可以繼續進行虛擬仿真實驗操作。學生在虛擬仿真實驗學習過程中如果操作錯誤，可以重新復習理論學習模塊里的知識點和實驗講義，學習正確操作步驟，加深對實驗內容的認識。

3.4 實踐學習，虛實結合

本環節2學時，虛擬仿真實驗結束后，結合學生在真實實驗室內的學習，采用虛實結合，以虛補實的實驗方法，提高教學效率，使學生在同等的時間內獲得更為豐富的學習信息，提高實驗成功率，提高學生學習成就感。

3.5 項目考核

本環節2學時，要求學生能夠獨立完成虛擬仿真實驗操作，并在操作過程中回答配套的問題。系統會記錄學生的答題情況，并計入考核系統，在實驗結束后，綜合實驗操作過程和答題情況，給出仿真實驗的考核分數。虛擬仿真實驗考核的分數占總成績的50%；虛擬仿真實驗和真實實驗結束后，要求學生完成實驗報告，指導教師根據實驗報告的完成情況進行評分，占總成績的40%；同時，要求學生在討論區提出不少于兩個有效問題，占總成績的5%。學生使用本虛擬仿真實驗軟件后，提交使用過程中遇到的問題，為本軟件后期修改提供好的建議，占總成績的5%。

4 結束語

基于學生已學過的工業微生物、分子生物學和天然藥物化學的理論知識和實驗技術，本虛擬仿真實驗真實還原了從地黃中分離純化內生放線菌，以及代謝物分離鑒定的實驗場景和實驗過程。突破了傳統實驗教學過程中無法開展的相關實驗以及學生無法接觸復雜、精密大型儀器的限制，拓展了實驗教學內容，有利于中醫藥院校生物工程、制藥工程、中藥制藥等工科專業的學生掌握生物制藥的理論知識和實驗技能。在虛擬仿真實驗操作步驟的提示下，學生獨立完成地黃內生放線菌的篩選和代謝物化學結構的鑒定，加深學生對菌種分離純化，分子生物學實驗技術，以及質譜儀、核磁共振儀的認識，提高學生的學習積極性。但必須認識到虛擬仿真實驗不能代替真實實驗操作，以真實實驗為主，虛擬仿真實驗為輔，虛實結合、相互補充，才能達到更好的教學效果[5]。

本虛擬仿真實驗已在河南中醫藥大學生物工程和中藥資源與開發本科班的實驗教學中應用，教學結果顯示：進行線上虛擬仿真實驗教學，能夠提高學生的學習興趣和獨立進行實驗操作與實驗設計的能力，取得了良好的效果，為生物工程專業培養創新型、復合型、應用型人才奠定了堅實基礎。

5 參考文獻

[1] 朱學伸，秦城，趙倩，等.新工科背景下的生物制藥專業建設實踐[J].高校生物學教學研究（電子版），2021，11（5）：12-16.

[2] 董俊彤.多項中醫藥內容納入《“十四五”生物經濟發展規劃》[J].中醫藥管理雜志，2022，30（10）：2.

[3] 何海榮，杜鵬強，安娜，等.虛擬仿真技術在工業微生物實驗教學中的應用探索[J].教育現代化，2021，8（44）：1-4.

[4] 黃家銳，杜鵬強，李文均，等.地黃內生放線菌的分離及地黃輪紋病拮抗菌Streptomyces folium leaf-16的新種鑒定[J].微生物學報，2022，62（12）：4953-49

63.

[5] 陳曉兵，于坤，肖紹章，等.利用虛擬仿真技術培養大學生創新能力的路徑研究[J].中國信息技術教育，2022（5）：104-107.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0

*項目來源：河南省高等學校青年骨干教師培養計劃項目（基金編號：2019GGJS115、2021GGJS086）；河南省研究生優質課程項目（基金編號：YJS2022KC23）；河南中醫藥大學教育教學改革研究與實踐項目（基金編號：2019JX29）。

作者簡介：趙樂、鄭曉珂，博士，教授；何海榮、馬利剛，博士，副教授；時博，通信作者，副教授。