“模擬操作重組DNA分子”的教學(xué)實(shí)踐

郭軍英

文件編號(hào)： 1003 - 7586（2016）06 - 0017 - 03

在新課標(biāo)教材《選修3·現(xiàn)代生物科技專題》的“基因工程”一章中，不同版本的教材都設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬操作。人教版為“重組DNA分子的模擬操作”，蘇教版為“模擬限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶的作用過(guò)程”。筆者整合了不同版本的教材內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了一次有意義的教學(xué)實(shí)踐。

1 教學(xué)分析

在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的基因工程技術(shù)是由“分子工具”的突破開(kāi)始的，因此基因工程專題根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律首先介紹了DNA重組技術(shù)的基本工具，涉及準(zhǔn)確切割DNA的“手術(shù)刀”、將DNA片段連接起來(lái)的“縫合線”、將體外重組的DNA導(dǎo)入受體細(xì)胞的“運(yùn)輸工具”。但由于這三種“分子工具”非常微觀、抽象、復(fù)雜，所以成為教學(xué)的難點(diǎn)，而理解它們的結(jié)構(gòu)與功能基礎(chǔ)基因工程基本操作程序的學(xué)習(xí)是后續(xù)，因此這也是本專題的教學(xué)重點(diǎn)之一。為突破這個(gè)難點(diǎn)，并及時(shí)反饋學(xué)生對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的掌握情況，教師組織學(xué)生進(jìn)行“重組DNA分子的模擬操作”實(shí)驗(yàn)就具有重要的意義。

在模擬實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生借助模型化方法，將DNA和“分子工具”放大，親自動(dòng)手對(duì)DNA分子進(jìn)行“剪切”和“拼接”，模擬制備重組DNA的過(guò)程。在體驗(yàn)建模的過(guò)程中，教師注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興趣。模擬活動(dòng)之后，教師組織學(xué)生討論，引導(dǎo)分析建模過(guò)程，從而提升學(xué)生的建模思維和建模能力。同時(shí)教師將重難點(diǎn)知識(shí)設(shè)計(jì)為相關(guān)的問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生的思考，讓其嘗試應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，從而突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，并及時(shí)反饋信息，為基因工程基本操作程序的教學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。這樣的建?；顒?dòng)將實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)、能力、情感、態(tài)度與價(jià)值觀的進(jìn)一步提升。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1） 模擬制備重組DNA分子的操作過(guò)程；

（2） 分析制備重組DNA分子的模型，理解基因工程的基本原理；

（3） 體驗(yàn)制備重組DNA分子的過(guò)程，激發(fā)熱愛(ài)生物科學(xué)技術(shù)的情感。

3 實(shí)驗(yàn)原理

基因工程是指在體外通過(guò)人工“剪切”和“拼接”等方法，對(duì)生物的基因進(jìn)行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細(xì)胞，并使重組基因在受體細(xì)胞中表達(dá)，產(chǎn)生人類需要的基因產(chǎn)物的技術(shù)。因而，基因工程又稱為重組DNA技術(shù)。在體外重組DNA分子，至少需要三種工具，即“分子手術(shù)刀”——限制性核酸內(nèi)切酶、“分子縫合針”——DNA連接酶和“分子運(yùn)輸車”——基因載體。

4 材料用具

白色紙條（3 cm×30 cm）、紅色紙條（3 cm×10 cm）、剪刀、透明膠帶、深色膠帶（藍(lán)色或綠色）等。

5 實(shí)驗(yàn)步驟

將紅色紙條用透明膠帶首尾相連，粘成圓環(huán)形，代表細(xì)菌的質(zhì)粒（圖1）。白色紙條代表含有目的基因的DNA片段。

假設(shè)每組學(xué)生只有一種限制酶（EcoRI限制酶或AluⅠ限制酶）和一種DNA連接酶（E·coliDNA連接酶或T4DNA連接酶）。

（注：EcoRI限制酶能識(shí)別GAATTC序列，并在G-A之間切割產(chǎn)生黏性末端；AluⅠ限制酶能識(shí)別AGCT序列并在G-C之間切割產(chǎn)生平口末端。E·coliDNA連接酶只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端之間連接起來(lái)，不能連接平末端，T4DNA連接酶既可以連接黏性末端，又可以連接平末端，但連接平末端的效率較低。）

從白色紙條的2條DNA鏈上分別找出所選的限制酶所識(shí)別的核苷酸序列，畫(huà)虛線表示中心軸線的位置，畫(huà)箭頭（“↓”和“↑”）標(biāo)注酶切位點(diǎn)，用剪刀正確地“切割”DNA，從而獲得目的基因。

用同樣的方法剪切質(zhì)粒（圖2和圖3）。

把白色紙條和紅色紙條上配對(duì)的黏性末端或平末端用深色膠帶粘在一起，使目的基因插入質(zhì)粒中，獲得重組DNA（圖4和圖5）。

6 注意事項(xiàng)

選擇一種限制性核酸內(nèi)切酶，一定要正確識(shí)別其特定序列，并且在識(shí)別的位點(diǎn)“切割”DNA分子。

選擇恰當(dāng)?shù)腄NA連接酶連接DNA分子形成重組DNA分子。圖4所示為先用EcoRI限制酶切割，再用E·coliDNA連接酶連接形成重組質(zhì)粒。圖5為先用AluⅠ限制酶切割后，再用T4DNA連接酶連接形成重組質(zhì)粒。

注意安全使用剪刀。

7 討論與體會(huì)

本模擬操作是一次非常有益的教學(xué)嘗試，它將微觀的過(guò)程直觀呈現(xiàn)出來(lái)，有利于學(xué)生深入理解基因工程的原理。

7.1 教學(xué)材料的改進(jìn)與準(zhǔn)備

不少教材選用的是兩種顏色（如綠色和粉紅色）的等寬硬紙板，然后讓學(xué)生在硬紙板上依次等距離寫(xiě)上字母（字母要清晰、工整）。由于學(xué)生用筆所寫(xiě)的字母根本不可能大小一致，所以堿基要實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)配對(duì)就比較難。因此，做出的紙帶也就缺乏科學(xué)性和可行性。為此做如下改進(jìn)：

將“硬紙板”改為“A4紙”，同時(shí)將“綠色和粉紅色”改為“白色和紅色”。因?yàn)橛布埌灞容^難打印，而A4紙打印非常方便。為了節(jié)約起見(jiàn)，含有目的基因的片段采用白色紙油印的方式，質(zhì)粒采用紅色紙打印。

重新設(shè)計(jì)DNA片段。不少教材中設(shè)計(jì)的DNA片段只有1個(gè)酶切位點(diǎn)，不能切割出兩端具有黏性末端的DNA片段，也不能被多種限制酶所識(shí)別切割，為此作如下改進(jìn)。教師需要預(yù)先將模擬的DNA片段放大成小二字號(hào)，另外在字母的外側(cè)各加上一條黑線代表DNA分子的基本骨架。用白色A4紙一頁(yè)（橫向）打印4條帶有目的基因的DNA分子，用紅色A4紙一頁(yè)（縱向）打印6條質(zhì)粒DNA分子（圖6），然后裁成等寬的紙條即可。這樣既可降低實(shí)驗(yàn)操作的難度，也減輕了學(xué)生的負(fù)擔(dān)。

改進(jìn)工具，將教材中的“透明膠帶”改為“深色的膠帶”，如“藍(lán)色或綠色膠帶”。當(dāng)教師把學(xué)生所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用實(shí)物投影儀進(jìn)行投影時(shí)，若學(xué)生用“透明膠帶”，所粘貼的位置顯示不出來(lái)，學(xué)生所粘貼的位置是否正確也就很難看清楚，教學(xué)效果比較差。改用“藍(lán)色或綠色膠帶”后，投影效果就非常明顯了。

7.2 組織教學(xué)策略

教師可根據(jù)學(xué)生的情況，采用不同的方式實(shí)施上述實(shí)驗(yàn)。如果學(xué)生自學(xué)能力比較強(qiáng)，教師可將該實(shí)驗(yàn)任務(wù)課前交給學(xué)生，然后指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)后，課后合作完成；課上學(xué)生交流匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析模擬操作。如果學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力不是很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)可在學(xué)習(xí)基因工程操作的基本工具時(shí)同時(shí)進(jìn)行，學(xué)生邊做邊學(xué)。

教師依據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的操作情況，可以提出以下問(wèn)題供學(xué)生思考與討論：

解釋模型，把制備重組DNA分子的實(shí)際步驟和模擬實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)步驟聯(lián)系起來(lái)，思考模型中各個(gè)術(shù)語(yǔ)所對(duì)應(yīng)的步驟或物體，完成表1。

用剪刀剪切目的基因和用限制性核酸內(nèi)切酶剪切有什么區(qū)別？（限制性核酸內(nèi)切酶能自己識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷裂。而模擬實(shí)驗(yàn)中的剪刀除了模擬剪切磷酸二酯鍵外，還剪切了DNA雙鏈堿基之間的氫鍵。）

在實(shí)驗(yàn)中，你所用的限制酶和DNA連接酶分別是什么？切割兩種DNA分子你使用了同一種限制性核酸內(nèi)切酶嗎？為什么？（學(xué)生根據(jù)所選擇的限制酶和DNA連接酶的實(shí)際情況填寫(xiě)。切割兩種DNA分子需要使用同一種限制性核酸內(nèi)切酶，因?yàn)槭褂猛环N限制性內(nèi)切酶產(chǎn)生同樣的黏性末端，才能連接成重組DNA分子。）

DNA連接酶的作用是什么？檢查你所制作的重組DNA，DNA連接酶的作用是否表示正確？（DNA連接酶的作用是恢復(fù)被限制酶切開(kāi)的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵。檢查模型中DNA連接酶的作用是否表示正確，主要是要看膠帶粘貼的位置。）

7.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)注重實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的評(píng)價(jià)，小組之間可以相互比較，也可利用投影展示各組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從以下幾方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

7.3.1 是否正確“識(shí)別”特定的核苷酸序列

根據(jù)所選的限制性核酸內(nèi)切酶的特點(diǎn)，在含有目的基因的片段和質(zhì)粒上找出其特定的核苷酸序列，畫(huà)虛線表示中心軸線的位置，畫(huà)箭頭（“↓”和“↑”）標(biāo)注酶切位點(diǎn)。

7.3.2 是否完成對(duì)目的基因和質(zhì)粒的“切割”

用剪刀正確地“切割”DNA，從而獲得目的基因和質(zhì)粒片段。

7.3.3 是否進(jìn)行正確的“拼接”

檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要看膠帶粘貼的位置，判斷DNA連接酶的作用是否表示正確。

為了檢驗(yàn)這一模擬實(shí)驗(yàn)的效果，可用兩個(gè)同等程度的班級(jí)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，然后用同樣的習(xí)題進(jìn)行后測(cè)，比較實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班的正確率。

實(shí)踐證明，采用模擬實(shí)驗(yàn)的班級(jí)，對(duì)基因工程中限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶的作用理解得更為深入，學(xué)習(xí)效果更好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣丹.“重組DNA分子的模擬操作”實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)教學(xué)，2011，36（8）.

[2] 林維哆.“重組DNA分子的模擬操作”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2006，22（10）.