生物工程下游技術(shù)綜合性實驗

胡志明， 李金龍， 惠宏襄

(南方醫(yī)科大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510515)

0 引言

生物工程下游技術(shù)是指從工程菌或工程細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)一直到產(chǎn)品的分離、純化、質(zhì)量檢測所需的一系列單元操作技術(shù)［1］。生物技術(shù)只有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化才能造福于人類，而生物工程下游技術(shù)是生物技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之一，因此，它是生物技術(shù)專業(yè)的重要專業(yè)必修課。生物工程下游技術(shù)課程分為理論和實驗兩個部分，上好實驗課是這門課的一個重要環(huán)節(jié)。目前，很多生物工程下游技術(shù)課程所設(shè)計的實驗大多是一種單一的驗證性實驗，缺乏探索性和創(chuàng)造性，不容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［2，3］。開展綜合性實驗，是提高生物工程下游技術(shù)教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生綜合性實踐能力的一個重要途徑。綜合性實驗是學(xué)生在掌握一定的基礎(chǔ)理論知識和基本操作技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用本課程多個知識點(diǎn)或多門課程多個知識點(diǎn)，或者涉及多項實驗內(nèi)容，對實驗技能和實驗方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性實驗［4-6］。它主要培養(yǎng)學(xué)生資料查閱、實驗設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、綜合分析等方面的能力［7-9］。本文對生物工程下游技術(shù)綜合性實驗的設(shè)計及成功實施的要素進(jìn)行探索。

1 開展生綜合性實驗的必要性

1.1 生物工程下游技術(shù)課程特點(diǎn)要求

生物工程下游技術(shù)包含微生物、發(fā)酵、分離純化及產(chǎn)物分析檢驗等技術(shù)環(huán)節(jié)，涉及的技術(shù)比較多，如離心、沉淀、膜過濾、層析、干燥、結(jié)晶等。理論部分講授時一般按單元操作進(jìn)行介紹，側(cè)重于各種方法涉及的主要原理。學(xué)生學(xué)習(xí)時，由于缺乏感性認(rèn)識，一般會覺得比較抽象。同時，各部分的知識有一定的獨(dú)立性，邏輯聯(lián)系似乎并不緊密，如果教學(xué)實驗仍采取按單元操作進(jìn)行，則不利于學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的整體掌握以及對下游技術(shù)的靈活運(yùn)用。通過生物工程下游技術(shù)綜合性實驗，有利于學(xué)生對該課程綜合知識領(lǐng)會與掌握。

1.2 培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求

綜合性實驗具有探索性與綜合性的特點(diǎn)，著重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已有知識發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，進(jìn)而解決問題的能力［10，11］。所謂探索性就是學(xué)生需要自己做實驗設(shè)計，提出實驗方案，實驗也沒有固定的實驗操作步驟，實驗結(jié)果具有不確定性［3］;綜合性就是將生物工程下游技術(shù)所涉及到的主要技術(shù)環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容體現(xiàn)出來，以一個生物制品為主線，利用多種原理和技術(shù)方法完成實驗過程，將原有各自獨(dú)立的相關(guān)實驗項目有機(jī)整合。通過生物工程下游技術(shù)綜合性實驗，有助于學(xué)生的創(chuàng)新能力［3］。

2 綜合性實驗的設(shè)計

2.1 生物工程下游技術(shù)綜合性實驗的內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)生物工程下游技術(shù)教學(xué)內(nèi)容將綜合實驗內(nèi)容設(shè)計成三大模塊，每個模塊又包含一些具體的技術(shù)單元，通過完成三大模塊的實驗，使學(xué)生熟悉掌握相關(guān)的系列單元操作技術(shù)。模塊一:基因工程菌的大規(guī)模培養(yǎng)及高密度發(fā)酵技術(shù)。通過這部分實驗，使學(xué)生掌握工程菌大規(guī)模培養(yǎng)及高密度發(fā)酵技術(shù)的原理及方法。模塊二:蛋白質(zhì)的初步分離與復(fù)性技術(shù)。通過這部分實驗，學(xué)生學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的分離與復(fù)性常用方法的操作與使用，掌握蛋白質(zhì)初步分離與復(fù)性技術(shù)的原理與方法。模塊三:親和層析、凝膠過濾及離子交換層析技術(shù)。通過這部分實驗，學(xué)生學(xué)習(xí)凝膠過濾及離子交換層析技術(shù)操作方法和工作步驟，掌握凝膠過濾及離子交換層析技術(shù)的工作原理與蛋白質(zhì)精細(xì)分離技術(shù)。

綜合實驗以一個新的蛋白質(zhì)的制備過程為主線，從工程菌大規(guī)模培養(yǎng)開始，完成目標(biāo)蛋白的表達(dá)、分離、純化、復(fù)性及鑒定整個實驗過程。整個實驗充分體現(xiàn)探索性及綜合性的特點(diǎn)，作者以教研室承擔(dān)的國家863重點(diǎn)課題“蛋白質(zhì)錨定技術(shù)用于表淺膀胱癌術(shù)后復(fù)發(fā)的防治”所涉及的融合蛋白質(zhì)中的鏈親和素標(biāo)記的 GM-CSF、IL-2、IL-15、TNFα 和 CD40L 雙功能蛋白質(zhì)分子為目標(biāo)蛋白開展實驗研究。由于給學(xué)生制備的蛋白質(zhì)是研究所在課題研究中構(gòu)建的新的融合蛋白質(zhì)，具體的制備過程沒有現(xiàn)成的模式，具備探索性。目標(biāo)蛋白質(zhì)的分離需要先經(jīng)過初步分離，然后進(jìn)行精細(xì)分離。在粗分離中，一般選擇鹽析、等電點(diǎn)沉淀、離心、膜過濾等高通量的方法;在精細(xì)分離中，則采用離子交換、分子篩等高選擇性方法，整個實驗又具備很好的綜合性。同時，通過實驗中預(yù)設(shè)的習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，考慮多種不同的分離方法。

2.2 生物工程下游技術(shù)綜合性實驗的方法設(shè)計

(1)分組實驗。綜合性實驗分為若干小組，每組4～5人?？紤]到生物制品制備過程中很多技術(shù)需要連續(xù)操作，因此將整個實驗安排在較集中的時間完成。在實驗過程中，每個小組成員自由分工，相互協(xié)助，并做好詳細(xì)的實驗記錄。實驗完成后，每個實驗小組需提交一份實驗報告。每個小組成了承擔(dān)具體任務(wù)的學(xué)習(xí)與研究的集體。

(2)學(xué)生自主設(shè)計實驗方案。在實驗實施前，要求學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容需要先查閱相關(guān)文獻(xiàn)，做好實驗設(shè)計。根據(jù)待分離的目標(biāo)產(chǎn)物的性質(zhì)，設(shè)計出不同的分離步驟，不同的分離方法，主要是針對樣品和雜質(zhì)的性質(zhì)差異進(jìn)行分離，如分子大小、電荷、形狀、溶解性等。對于分離體系和目標(biāo)產(chǎn)物的背景越了解，越可能根據(jù)不同的分離原理和分離方法設(shè)計合理的分離過程。每個實驗小組可以將各自的方案與老師討論。

(3)綜合性實驗考核。通過評閱學(xué)生提交的綜合實驗報告來評價實驗的效果。要求學(xué)生的實驗報告以論文的格式完成，包括以下內(nèi)容:前言:回答為什么要做該研究?可簡要介紹制備的目標(biāo)蛋白特性、功能、國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀等;材料與方法:回答實驗所用的菌株、試劑以及來源所需的實驗器材實驗的操作過程;實驗結(jié)果:回答做得怎樣?根據(jù)實驗過程將每一步的結(jié)果相關(guān)數(shù)據(jù)、圖片展示出來，并作必要的說明，得出相關(guān)的結(jié)論。討論:根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行討論，實驗結(jié)果有哪些意義?所用的研究方法有哪些優(yōu)點(diǎn)?有哪些不足?下一步需要研究解決的問題。考核不是單純看實驗結(jié)果的好壞，而是要考核學(xué)生的實驗?zāi)芰蛯W(xué)風(fēng)，包括實驗設(shè)計方法的正確性、實驗結(jié)果的分析和實驗報告的書寫水平，及學(xué)習(xí)態(tài)度等多方面內(nèi)容。

3 綜合性實驗的成功要素

3.1 要求教師具備較強(qiáng)的專業(yè)素質(zhì)和教授技能

(1)更新觀念，提高能力，掌控綜合實驗過程。做好生物工程下游技術(shù)綜合性實驗教學(xué)，教師必須更新觀念，認(rèn)識到教師不僅僅要傳授知識給學(xué)生，而且應(yīng)當(dāng)著力提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。生物工程下游技術(shù)綜合性實驗教學(xué)，需要教師具備較高的理論和實踐能力，能夠很好地組織學(xué)生完成實驗過程。綜合性實驗涉及的內(nèi)容豐富、步驟較多，實驗中往往出現(xiàn)一些不符合預(yù)期的結(jié)果，如何引導(dǎo)學(xué)生思考、解決這些問題，這就對教師的知識面、處理問題的能力、應(yīng)變能力等提出了更高的要求。

(2)收集信息，改進(jìn)綜合實驗教學(xué)。做好生物工程下游技術(shù)綜合性實驗，要求教師注意收集學(xué)生的反饋信息，不斷改進(jìn)教學(xué)。在實驗期間及實驗完成之后，教師都應(yīng)該廣泛、深入收集學(xué)生的反饋信息。經(jīng)過綜合性實驗，學(xué)生會對教學(xué)過程產(chǎn)生自己的理解和看法，這對改進(jìn)教學(xué)具有重要的參考價值。教師通過課程結(jié)束后的調(diào)查問卷、教學(xué)中的指導(dǎo)實驗、批改實驗報告和課后討論等方式收集學(xué)生的反饋信息，經(jīng)過分析研究，吸收其合理因素，借以調(diào)整、改進(jìn)綜合性實驗教學(xué)［12-13］。

3.2 要求學(xué)生具備主觀能動性，科學(xué)協(xié)作精神

在綜合性實驗項目的開展中，要求學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性。綜合性實驗要求經(jīng)過課前布置以后，就應(yīng)以學(xué)生為主，在教師的監(jiān)督和指導(dǎo)下，由學(xué)生自主完成，他們可以在一定程度上自己統(tǒng)籌安排實驗操作，并能正確分析實驗現(xiàn)象，完成實驗報告［13，14］。在綜合性實驗項目中，要求學(xué)生如實描述自己制備的產(chǎn)品特征、計算收率，能夠分析影響自己產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量的原因，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)作風(fēng)。在綜合性實驗的實施過程中，是以小組為單位完成整個實驗，要求學(xué)生們對實驗內(nèi)容有一個整體上的把握的同時，各組同學(xué)合理分工、相互協(xié)作完成全部實驗操作，這要求學(xué)生具備科學(xué)協(xié)作精神。通過一系列前后相關(guān)的實驗操作，完成整個綜合性實驗。

3.3 要求具備開放的教學(xué)實驗室及足夠的實驗設(shè)施

綜合性實驗有部分實驗內(nèi)容需要在課時外完成，因此，如何解決教學(xué)實驗室在時間和場所的開放成為關(guān)鍵［15］。我們對教學(xué)實驗室實行了開放式管理。一是通過建立門禁預(yù)約制度，學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容提前預(yù)約實驗室老師，憑借門禁卡進(jìn)入實驗室。二是建立實驗室使用登記制度，學(xué)生對所進(jìn)入的實驗室做好使用情況記錄。三是實行研究生助教管理制度。綜合性實驗的課時外內(nèi)容在研究生助教的管理下完成。教學(xué)實驗室的開放為綜合性實驗的開設(shè)創(chuàng)造了有利條件。綜合性實驗是采取多個小組同時實驗，因此，要求實驗室具備足夠的實驗設(shè)施。近年來，我們學(xué)院實驗教學(xué)中心加大了建設(shè)力度，又購置了多臺色譜儀、離心機(jī)等設(shè)備，保證了綜合性實驗的圓滿完成。

4 生物工程下游技術(shù)綜合性實驗的教學(xué)效果

生物工程下游技術(shù)綜合性實驗教學(xué)，取得了良好的效果。同學(xué)們普遍反映，通過綜合性實驗，不僅增強(qiáng)了動手能力，而且對專業(yè)知識有更加系統(tǒng)的了解;不但掌握了具體的實驗技術(shù)，更領(lǐng)會到一般的生物分離方法，真正學(xué)到“活的”知識。綜合性實驗，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。2008年，一個實驗小組以綜合實驗為主體的研究課題參加第二屆廣東大學(xué)生科技學(xué)術(shù)節(jié)之第六屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽獲金獎，參加第六屆中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽獲銅獎。

5 結(jié)語

通過我們的實踐體會，認(rèn)識到生物工程下游技術(shù)綜合性實驗具有重要的教學(xué)改革價值，符合在實驗教學(xué)中提高綜合性實驗比例的大趨勢;對培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立觀察和發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力，以及實踐能力、協(xié)作精神、創(chuàng)造能力和創(chuàng)新意識有著不可替代的作用。開展生物工程下游技術(shù)綜合性實驗，對教師的專業(yè)素質(zhì)和教授技能提出了更高的要求，也需要教學(xué)資源的合理和良好配置。高等院校是培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才的搖籃，應(yīng)該鼓勵和支持教師多開展創(chuàng)新性綜合實驗，把創(chuàng)新能力和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)真正落到實處。

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