蛋白質(zhì)晶體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)及應(yīng)用

顧江新， 侯錫苗

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

0 引 言

蛋白質(zhì)是生命活動的主要載體，蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)與其在生命過程中的功能密切相關(guān)［1］。蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)建模已經(jīng)成為生命科學(xué)的研究前沿，其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是高質(zhì)量蛋白質(zhì)晶體制備及晶體衍射［2-4］。單個蛋白質(zhì)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(zhì)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(dá)到被檢測的強(qiáng)度。在獲得衍射因子強(qiáng)度和相位后，通過數(shù)學(xué)模型反演變換來搭建蛋白質(zhì)分子的三維模型。

蛋白質(zhì)分子三維建模是生命科學(xué)大類本科生必修課程《結(jié)構(gòu)生物學(xué)》的主要教學(xué)內(nèi)容，具有理論復(fù)雜、概念抽象和數(shù)學(xué)公式煩瑣等特點(diǎn)，傳統(tǒng)課堂教學(xué)依賴文字描述、圖片和短視頻介紹，造成學(xué)生理論與實(shí)際脫節(jié)、動手能力弱，難以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。開展蛋白質(zhì)晶體實(shí)驗(yàn)教學(xué)又面臨以下實(shí)際困難：

（1）建設(shè)成本高。蛋白質(zhì)晶體實(shí)驗(yàn)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(hù)開銷高。

（2）存在安全隱患。晶體衍射實(shí)驗(yàn)具有放射源管制、管理負(fù)擔(dān)重的特點(diǎn)。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(zhì)結(jié)晶需要耗時3 ～10 d才能獲取滿意的結(jié)果，對課時有限的課堂教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)過程具象化，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)于實(shí)驗(yàn)。目前，針對蛋白質(zhì)相關(guān)研究的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)尚不多見［8-9］，亟須開展蛋白質(zhì)晶體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)思路

1.1 完整再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)知識體系

該實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺的建設(shè)完全基于自有科研成果［10-12］，具有高度可行性、真實(shí)性和系統(tǒng)性。實(shí)驗(yàn)方案嚴(yán)格遵照基本理論，實(shí)驗(yàn)步驟及輸出數(shù)據(jù)均來源于實(shí)際操作。為完整再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)知識體系，設(shè)置蛋白質(zhì)結(jié)晶條件初篩、結(jié)晶條件優(yōu)化、晶體衍射和結(jié)構(gòu)解析等模塊（見圖1），引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)及操作。在實(shí)驗(yàn)過程中，有意識地培養(yǎng)學(xué)生主動對遇到的科學(xué)問題進(jìn)行分析并提出解決方案，學(xué)習(xí)和掌握蛋白質(zhì)晶體研究的基本思路。

圖1 蛋白質(zhì)晶體實(shí)驗(yàn)知識體系

1.2 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)按照“線上、線下預(yù)習(xí)—線上實(shí)驗(yàn)操作—生成報告”3 個環(huán)節(jié)進(jìn)行［13-15］。多維度展示實(shí)驗(yàn)原理、方法和步驟，引導(dǎo)學(xué)生充分掌握基礎(chǔ)理論知識和基本實(shí)驗(yàn)操作方法。教學(xué)模式設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)：

（1）虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合教學(xué)法。系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中推送一些預(yù)先準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖片，使學(xué)生沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。依據(jù)學(xué)生設(shè)置的晶體初篩條件給出相應(yīng)的晶體圖片，引導(dǎo)學(xué)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(shè)置情景教學(xué)法。以學(xué)生為中心和主體來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)場景，采用人物在虛擬實(shí)驗(yàn)室中作任務(wù)的形式，以第1 視角展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對象及其動態(tài)變化，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。在觀察蛋白質(zhì)晶體形狀時，學(xué)生必須選擇正確的鼠標(biāo)手勢對顯微鏡進(jìn)行操作，借此考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性。

（3）設(shè)置問答互動教學(xué)法。在實(shí)驗(yàn)的一些關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置互動問答環(huán)節(jié)，考查學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的掌握程度。對于困難或復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生可根據(jù)自身掌握情況多次重復(fù)操作和學(xué)習(xí)。

1.3 推進(jìn)過程評價機(jī)制建設(shè)

本實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺采用線上系統(tǒng)評定（實(shí)驗(yàn)操作和知識回答）與線下綜合評定（實(shí)驗(yàn)報告）相結(jié)合的形式進(jìn)行，著重體現(xiàn)過程評價機(jī)制。線上系統(tǒng)評定主要根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)測試和實(shí)驗(yàn)操作表現(xiàn)，考核學(xué)生對重點(diǎn)知識的掌握情況和實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性；線下綜合評定由教師通過綜合考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)報告情況而定，考核學(xué)生學(xué)習(xí)的自主和創(chuàng)新性。

2 實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

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

圖2 實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 開發(fā)流程

實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺的建設(shè)依靠專業(yè)教師和程序設(shè)計(jì)人員的充分交流與合作，開發(fā)流程主要包括前期準(zhǔn)備和軟件開發(fā)兩部分（見圖3）。前期準(zhǔn)備由專業(yè)教師完成，以課程教學(xué)大綱、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，提供實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)腳本。設(shè)計(jì)人員對主程序框架、交互界面以及反饋信息收集等模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用3Ds Max、Photoshop和MAYA等軟件建模、貼圖，實(shí)驗(yàn)室場景及物體三維模型的表現(xiàn)更接近實(shí)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(jìn)行培訓(xùn)，并根據(jù)師生使用的反饋意見改進(jìn)和升級。

圖3 實(shí)驗(yàn)虛擬仿真開發(fā)流程圖

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)K的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺的建設(shè)以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，分為晶體初篩、晶體優(yōu)化、晶體衍射和結(jié)構(gòu)解析等模塊。部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)展示如圖4 所示。

圖4 蛋白質(zhì)晶體實(shí)驗(yàn)虛擬仿真部分環(huán)節(jié)展示

晶體初篩 設(shè)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(jìn)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(chǔ)上，精細(xì)設(shè)置晶體生長條件，繼續(xù)觀察晶體的形狀與大小，得到高質(zhì)量晶體。

晶體衍射 使用X-射線衍射儀對晶體進(jìn)行衍射檢測，獲取衍射因子強(qiáng)度和相位。呈現(xiàn)衍射點(diǎn)的動態(tài)變化圖像，展示判斷衍射數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)構(gòu)解析 介紹CCP4 軟件操作界面，使用該模型進(jìn)行數(shù)據(jù)反演，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)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(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)。

3 教學(xué)應(yīng)用及評價

該蛋白質(zhì)晶體實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺已投入教學(xué)應(yīng)用。學(xué)生可利用電腦、智能手機(jī)等終端設(shè)備登錄實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺（https：／ ／xunifangzhen.nwafu.edu.cn／），獲取實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、熟悉實(shí)驗(yàn)虛擬流程并進(jìn)行虛擬操作。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)并提交實(shí)驗(yàn)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(xué)、生物技術(shù)和生物工程專業(yè)112 名學(xué)生的線上成績?yōu)闃颖具M(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析。學(xué)生初次實(shí)驗(yàn)操作線上成績整體呈偏負(fù)態(tài)分布，平均值為72.3 分，扣分點(diǎn)主要出現(xiàn)在結(jié)晶條件初篩模塊，該模塊使用儀器種類多、實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣，對基本操作規(guī)范要求高。經(jīng)過多次操作練習(xí)后，線上成績整體滿足正態(tài)分布，平均值提升至88.5 分。可見采用虛擬仿真教學(xué)模式，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范有較大幅度提高，對關(guān)鍵知識點(diǎn)的掌握程度也更加扎實(shí)，教學(xué)效果良好。建議進(jìn)一步推廣至生物醫(yī)學(xué)、植物保護(hù)和農(nóng)學(xué)等專業(yè)人才培養(yǎng)及相關(guān)領(lǐng)域的人員培訓(xùn)。

4 結(jié) 語

蛋白質(zhì)晶體實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)景展現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)晶及三維結(jié)構(gòu)解析的教學(xué)過程。學(xué)生通過對結(jié)晶條件初篩、條件優(yōu)化、晶體衍射和結(jié)構(gòu)解析等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作和學(xué)習(xí)，完成實(shí)驗(yàn)報告。教師通過實(shí)驗(yàn)綜合考查學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和實(shí)驗(yàn)報告情況并進(jìn)行評價。已有的應(yīng)用情況反映出教學(xué)效果良好。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生加深對蛋白質(zhì)晶體研究的認(rèn)識和理解，對相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的示范作用。