基于項目化學(xué)習(xí)整合發(fā)酵工程和基因工程的復(fù)習(xí)

余驥

摘要以“藍(lán)白斑篩選實驗”為主線，整合發(fā)酵工程和基因工程中的關(guān)鍵技術(shù)，在項目化學(xué)習(xí)過程中通過3個環(huán)節(jié)幫助學(xué)生掌握和理解相關(guān)的知識和技術(shù)，促進學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞 藍(lán)白斑篩選 發(fā)酵工程 基因工程

中圖分類號G633. 91文獻標(biāo)志碼B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出教學(xué)過程重實踐的基本理念，倡導(dǎo)教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，要求關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實踐經(jīng)歷，通過探究性學(xué)習(xí)活動或完成工程學(xué)任務(wù)，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。項目化學(xué)習(xí)充分選擇和利用最優(yōu)化的資源，使學(xué)生在實踐體驗、內(nèi)化感悟、探索創(chuàng)新中獲得較為完整而具體的知識，形成專門的技能并獲得發(fā)展的實踐活動。經(jīng)過高三的一輪復(fù)習(xí)，學(xué)生基本構(gòu)建了選修模塊的學(xué)科知識體系，并掌握了相應(yīng)的實驗技能。這些都為二輪復(fù)習(xí)中開展綜合性的項目化學(xué)習(xí)奠定了較好的基礎(chǔ)。

1自主選題，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

1.1指向素養(yǎng)，確定實踐主題

根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》，學(xué)生在學(xué)習(xí)完發(fā)酵工程和基因工程模塊后，能針對某一主題，選取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法，嘗試提出初步的工程學(xué)構(gòu)想，并進行設(shè)計和實施。該模塊的技能體系龐雜，涉及到培養(yǎng)基的制備、無菌操作、微生物的培養(yǎng)分離和計數(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、受體細(xì)胞的篩選等實驗操作。經(jīng)過文獻調(diào)查，最終確定本項目的主題是“藍(lán)白斑篩選實驗”。該實驗的原理如圖1所示，實驗流程如圖2所示。教學(xué)的明線是圍繞該主題貫穿發(fā)酵工程和基因工程中各個孤立的技術(shù)，暗線是借助項目化的實踐有效整合相關(guān)技術(shù)，使知識能力綜合化和系統(tǒng)化，以知促行、知行合一，讓學(xué)生在做中學(xué)、做中思，全面促進生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

1.2把握學(xué)情，提供技術(shù)保障

為確保能夠順利完成項目，教師引導(dǎo)學(xué)生通過文獻檢索等方式論證方案的可行性，協(xié)助尋求技術(shù)保障，為學(xué)生完成預(yù)定方案（表1），搭建切實可行的“臺階”。

2實踐體驗，訓(xùn)練工程思維

2.1制備選擇培養(yǎng)基

根據(jù)LB培養(yǎng)基通用配方，經(jīng)稱量、溶解、調(diào)pH、分裝、高壓蒸汽滅菌后，添加氨芐青霉素（質(zhì)量濃度為100 mg/mL）后均勻混合，倒平板制成含氨芐青霉素的LB固體培養(yǎng)基，置于4℃待用。

2.2制備轉(zhuǎn)基因大腸桿菌

根據(jù)表2中的反應(yīng)體系構(gòu)建重組載體。

根據(jù)以下步驟制備轉(zhuǎn)基因大腸桿菌：

①取出-80℃保存的E.coli JM109的感受態(tài)細(xì)胞置于冰上融化；

②將重組載體反應(yīng)體系與感受態(tài)細(xì)胞混勻，冰浴30 min；

③轉(zhuǎn)移至42℃水浴，保持90s，轉(zhuǎn)移至冰浴2min；

④往離心管中加1 mLSOC medium培養(yǎng)基，置于37℃搖床中緩慢振動培養(yǎng)30 min，使細(xì)菌復(fù)蘇。

2.3涂布分離

取適量ITPG、X-Gal溶液過濾除菌，均勻涂布于含氨芐青霉素的LB固體平板表面（每個平板添加25μL的ITPG和50μLX-Gal溶液），晾干后待用。取100μL獲得的轉(zhuǎn)化菌涂布于添加了IPTG和X-Gal的培養(yǎng)基表面，在37℃下倒置培養(yǎng)16 h。

2.4觀察和計數(shù)

經(jīng)培養(yǎng)后，培養(yǎng)基表面出現(xiàn)兩種顏色的菌落，如果顯色不明顯，可將平板置于4℃培養(yǎng)2 h后再觀察，分別統(tǒng)計藍(lán)斑數(shù)和白斑數(shù)（表3），并計算轉(zhuǎn)化效率。

3拓展延伸，提升核心素養(yǎng)

3.1課后反思，拓展思維視角

在低溫、低濃度的CaCl2溶液處理下，大腸桿菌細(xì)胞會膨脹，細(xì)胞膜通透性改變，成為感受態(tài)細(xì)胞；低溫條件下，將感受態(tài)大腸桿菌與重組DNA分子混合，使外源DNA黏附于受體細(xì)胞表面；再經(jīng)過短暫的熱刺激處理，可使外源DNA轉(zhuǎn)入細(xì)胞。外源DNA的插入會導(dǎo)致LacZ基因的正常表達(dá)，從而無法使無色的X-Gal轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色產(chǎn)物，理論上轉(zhuǎn)基因受體菌的菌落呈現(xiàn)白色，但實際上本實驗轉(zhuǎn)化效率介于50%～85.7%。推測其原因可能與重組質(zhì)粒的形成效率和導(dǎo)入效率有關(guān)。影響重組質(zhì)粒形成效率的因素有很多，如插入基因和質(zhì)粒的濃度、限制酶和連接酶的活性、反應(yīng)時間等。影響重組質(zhì)粒導(dǎo)入受體細(xì)胞效率的因素也有很多，如重組質(zhì)粒的濃度、受體菌的狀態(tài)和密度、轉(zhuǎn)化時間等。根據(jù)表3實驗結(jié)果可知，適當(dāng)延長混勻和復(fù)蘇時間有助于提高轉(zhuǎn)化效率。

3.2完善方案，撰寫課題報告

經(jīng)過課后反思、交流與討論后，學(xué)生的思維得到進一步拓展，對于本項目的實施有了更全面的評價，從項目的困難預(yù)估、關(guān)鍵點及解決策略等角度切入，很容易形成一份課題報告。正所謂“知困，然后能自強也”。學(xué)生在撰寫報告的過程中，對項目涉及到的原理和技術(shù)都會有更系統(tǒng)、更深入的理解和認(rèn)識，進一步提升文獻檢索、書面表達(dá)等能力。

本項目把枯燥的知識技能轉(zhuǎn)化為生動的實踐過程，讓學(xué)生感受到所學(xué)知識的趣味性和真實性。作為傳統(tǒng)復(fù)習(xí)方式的跟進，整合式的項目化學(xué)習(xí)使得知識更有活力，結(jié)構(gòu)更有體系，思維更有高度。