蛋白质组学分析仪器在本科实验教学中的应用与实践

◆姜丽艳 张艳 张爱军 杜映达 董洪举 李正强 高贵

作者：姜丽艳，吉林大学生命科学学院工程师，主要从事实验教学与大型设备管理工作；张艳、张爱军、杜映达、董洪举、李正强、高贵，吉林大学生命科学学院（130012）。

随着人类基因组计划的实施和推进，生命科学研究已进入后基因组时代，蛋白质组学的研究已经成为生命科学研究的主要内容之一[1]。蛋白质组学是利用各种蛋白质组学技术研究在特定的时间或环境下细胞或组织的基因组表达的全部蛋白质序列和功能。为了拥有更先进的蛋白质组学探测技术和方法，吉林大学生命科学公共技术平台在“211工程”的支持下新引进了双向凝胶电泳仪、近红外激光成像系统、质谱仪、超高效液相色谱、蛋白相互作用系统和X-Ray 晶体衍射仪等蛋白质组学分析仪器设备。先进的仪器设备可以提供更多的、更精确的蛋白质组学信息，增加科学分析的深度，提高科学研究的质量。但由于蛋白质组学分析仪器价值昂贵、操作复杂、台套数少和维修费用高等特点，致使这些大型仪器在培养本科生的创新意识、实践能力等方面没有发挥其应有的潜能[2]。

如何提高蛋白质组学分析仪器在本科实验教学中的利用率，实现科研、教学资源的共享，是高等学校急需面对的重要现实课题。本文以吉林大学生命科学学院为例，分析了国内大型仪器在本科实验教学中应用的现状和存在的主要问题，详细介绍了蛋白质组学分析仪器在本科实验教学中的应用和实践效果。

1 蛋白质组学分析仪器在开展本科实验教学中的应用现状

近年来，随着教育科研水平质量的提高以及国家和地方对高等教育投入的逐年增加，蛋白质组学分析仪器作为一种高水平的分析测试工具被越来越多的高校购置[3]。但国内高校普遍重视其科研功能的开发，在本科实验教学中，很多大型仪器只是以演示教学、软件操作的虚拟教学和大轮转的现场实验教学为主[4]，严重影响了学生创新能力的培养，分析其原因主要有以下几方面。

设备昂贵，运行与维修经费有限 蛋白质组学作为功能基因组学的重要支柱，已经成为新世纪生命科学研究领域的热门课题。蛋白质组学分析仪器均为国外最新研制设备，配备最前沿分析技术，购置成本昂贵。如双向凝胶电泳仪、超高效液相、近红外激光成像和蛋白相互作用系统价值均为数十万人民币，飞行时间质谱仪和X-Ray 晶体衍射仪价值甚至达数百万人民币。这些进口设备测试精密度高，维护、维修成本更高，远远超出本科实验教学经费的承担能力。而且如果在本科教学使用过程中损坏了这些仪器，就直接影响到科研工作的顺利进展，所以传统的教学方式即将此 类大型仪器设备只面向研究生科研工作开放使用，很少应用于本科实验教学中，影响了本科生实践能力和创新精神的培养，同时也降低了大型仪器设备的共享使用率[5]。

机时紧张，数据分析和处理周期长 由于蛋白质组学分析仪器均为“高、精、尖”设备，多数高校仅有单台（套）或几台（套）仪器，原本 科研需求 量就很大，再加之本科实验教学的学生人数多，致使在时间和场地上都很难满足本科实验教学的开课要求。而且像飞行时间质谱仪和X-Ray晶体衍射仪需要较长的样品准备和数据处理时间，需要占用大量的机时，无形中延长了实验教学的周期，不仅增加了教师的工作量，而且长时间的等待也会影响本科实验教学进度的正常进行。面对这些实际问题，很多高校将相关的实验项目演变为观摩性实验或演示性实验，致使学生对大型仪器设备产生疏远和恐惧心理，严重影响了大型仪器设备在本科实验教学中的潜能发挥[6-8]。

样品制备困难，仪器操作程序复杂 蛋白质组学分析仪器对样品的质量具有很严格的要求。如飞行时间质谱仪要求样品纯度为90%以上，测试前样品要进行严格的除盐和除杂处理；X-Ray 晶体衍射仪分析的对象是一粒蛋白质晶体，而且蛋白质的结晶过程要求较高水平的实验操作和技巧。另外，蛋白质组学相关设备的测试和分析软件都是英文版本的，学习和掌握需要经历很长的熟悉和练习过程。样品制备的繁琐过程和仪器操作程序的复杂，无形中限制了蛋白质组学分析仪器在本科实验教学中的应用，更限制了优质资源的共享使用。

2 蛋白质组学分析仪器在生命科学实验教学中的应用

为了充分发挥大型仪器设备在本科实验教学中的应用潜能，吉林大学生命科学学院依托国家级生物实验教学中心和生命科学公共技术平台，努力克服实际困难，为本科生开展了不同层次的大型仪器认知和应用实验课程。将大型仪器有计划地融入和贯穿到本科实验教学中，不但激发了学生的原始创新意识，而且提高了学生的专业技能，为科研和就业打下坚实的技术基础。

开展认知实训实验，激发学生实验创新意识 为了激发学生的实验创新意识，拓宽实验视野，吉林大学生命科学学院为本科一年级学生开展了大型仪器设备的认知和实训课程。其中，蛋白质组学分析仪器也按照学习的层次和难度，循序渐进地被引入，鼓励学生进入实验室与双向凝胶电泳仪、近红外激光成像系统和质谱仪等大型仪器设备进行零距离的接触，消除学生对贵重仪器的陌生感，让学生初步了解这些仪器的功能和用途。如利用双向凝胶电泳仪、近红外激光成像系统可以在整个基因组水平上检测蛋白质表达和分离情况，利用质谱仪可以完成蛋白质的鉴定，通过X-射线晶体衍射仪来获得蛋白质的结构等。再根据学生的知识背景逐渐向学生介绍蛋白质组学分析仪器的操作方法和样品准备，使学生对这类仪器有一个全面的认知，根据情况还可以延伸介绍相关领域的前沿技术。待时机成熟时，指导教师设置实验工艺路线，按照每组轮训的方式为学生开展专业的上机实训实验，让学生体会理论知识的实际应用。

通过开展蛋白质组学分析仪器的认知和实训课程，不仅能让学生了解蛋白质组学相关仪器的功能、用途和基本操作技术，而且能让学生感觉到蛋白质组学的神奇，激发学生学习蛋白质组学的兴趣，为后续的专业实验夯实技术基础。

延伸实验教学项目，拓展专业知识和技能 为了有效培养本科生的实践能力和创新精神，吉林大学生命科学学院在本科二年级生物化学基础实验课中开展基于双向电泳、质谱分析和X-Ray 晶体衍射的蛋白质组学综合性和研究性实验。传统的生物化学实验中有关蛋白质组学方面的实验内容仅是利用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分离蛋白质等，学生仅学习到有关蛋白的基础实验方法，实验内容单一[9-10]，远达不到培养创新人才的实验教学的目标。

尝试在该实验内容的基础上，延伸至质谱分析和X-Ray晶体衍射测试层面。即学生完成电泳实验后，每组学生随机从凝胶上选取4 ～6 个蛋白点做酶解，然后进行点靶，利用飞行时间质谱进样鉴定蛋白分子量和氨基酸序列；再选取结果好的蛋白进行蛋白质的晶体培养，利用X-Ray 晶体衍射分析蛋白结构。具体实验流程见图1。

双向凝胶电泳、质谱分子量鉴定、X-射线晶体衍射解析实验是一个综合性大实验，每个实验环节都紧密相连，涉及的实验内容比较多，实验步骤繁琐，对学生的实验操作技巧要求也比较高。为了合理安排实验进程，让学生以小组为单位准备样品，处理好的样品统一点靶，利用质谱检测分子量；同时还可以进行离子碎片的二级质谱测定，通过数据库进行存储、处理、对比和分析，鉴定蛋白的氨基酸序列。然后，选取高质量的蛋白晶体，利用X-射线晶体衍射分析蛋白的结构。在样品的准备过程中都有教师的细心指导，每台仪器都有相关实验技术人员进行培训和使用讲解。

通过有计划地将质谱和X-Ray 晶体衍射技术延伸入基础实验教学项目，将本科教学中简单的生物化学验证性实验变为蛋白质组学的综合性、研究性实验。学生不仅掌握了该类仪器设备的样品准备过程和详细的操作流程，而且对于提高蛋白质组学的实验技能具有重要意义。

开设创新实验，提高创新能力 为了充分调动学生的实验积极性，培养学生利用大型仪器独立组织和完成科研实验的能力，吉林大学生命科学学院开设了部分涉及蛋白质组学的设计创新实验课题，如“体外重组人DNA-PK 蛋白以及其特异抗体的制备”“类组蛋白的重组、表达、纯化及与重金属离子的相互作用的研究”等。设计创新实验项目题目新颖，紧跟蛋白质组学发展前沿，内容灵活多变，富有时代特点，并具有不同程度的难度和深度。学生针对自己的兴趣爱好选题，根据认知、实训实验和专业基础实验的知识积累，自行查阅资料，设计实验路线和方法，教师帮助审查学生方案的可行性。

为了更好地帮助学生完成设计创新实验，公共技术平台每学期循环举办相关大型仪器设备的功能介绍、应用讲座、操作培训，学生可根据自身选题内容，选择相关常用的蛋白质组学分析仪器进行二次系统培训。为了迎合学生实验时间的机动性，公共技术平台的所有蛋白质学分析仪器均全方位开放使用。

同时，吉林大学生命科学学院还开设了生物物理实验技术创新课程，主要介绍物理化学有关的实验技术，其中主要部分是介绍大型仪器设备的原理和使用方法，为学生的创新实验奠定一定的理论基础。通过创新实验的设计和完成，不仅提高了学生的动手能力和综合解决实际问题的能力，而且开拓了专业视野，更培养了创新思维。

3 教学效果分析

吉林大学生命科学学院依托国家级实验教学示范中 心和生命科学公共技术平台，尝试为学生开设多层次、多模式的蛋白质组学实验教学课程。目前，蛋白质组学分析仪器每年服务本科生教学实验400 人次，已开设创新实验项目约40 个，将蛋白质组学分析仪器融入本科实验教学中，可以让学生了解蛋白质组学分析仪器的基本原理，掌握蛋白质组学实验技能，切实提高学生的实践能力。有的学生甚至成为相关仪器公司的技术工程师，为就业打下良好的基础。

同时实现了蛋白质组学分析仪器的高层次开放共享，至今蛋白质组学分析仪器使用机时达1 万小时/年，测试样品数约2 万个/年，有效提高了优质资源的共享利用率。

4 结语

大型仪器设备面向本科生开放，是学科发展前沿对人才培养的要求，在培养复合型、创新型人才中发挥着重大作用。本科学生在校期间通过各种方式接触和使用这些设备，对于提高实验技能，开拓专业视野，培养创新思维具有重要作用；但如何有效将这种开放模式长期坚持下来，是一项比较艰巨的系统工程。建议学校增加国产设备的投入资金，出台相应的倾斜政策和鼓励制度，在教师和学生的相互配合下，逐步提高大型仪器在本科实验教学中的使用频率，培养学生的创业精神和创新意识，加强科研、教学优质资源的开放共享效率。

[1]尹稳,伏旭,李平.蛋白质组学的应用研究进展[J].生物技术通报,2014(1):32-38.

[2]程宝晶,徐良梅,李仲玉,等.大型仪器开放共享的探讨[J].实验室研究与探索,2010,29(7):334-335.

[3]朱平川,岑卫健,李楠.大型仪器平台应用于本科教学实验的探索[J].实验科学与技术,2012(10):119-121.

[4]林兴桃,王小逸,客慧明,等.大型仪器开放式实验教学与学生创新能力培养的探索与实践[J].实验技术与管理,2013,30(5):117-119.

[5]朱耕宇,陈雪萍.全面开放大型仪器支撑本科教学实验的改革[J].化工高等教育,2009(2):42-43.

[6]王晓岗,郝志显,攀雅娟.大型仪器教学功能的研究与探索[J].实验室科学,2012,5(15):188-190.

[7]黄小斌,朱志明.大型仪器设备管理使用的研究与实践[J].实验技术与管理,2009,26(9):171-172.

[8]陈玉霞,林峰,陈文,等.建设大型仪器设备平台，提高创新人才培养质量[J].实验技术与管理,2012,29(4):219-222.

[9]岑卫健,朱平川.基于双向电泳-MALDI 质谱分析的蛋白质组学本科教学实验[J].实验科学与技术,2014,12(2):35-37.

[10]汤海峰,王德利,孟威,等.大型仪器面向本科生开放过程存在的问题与解决对策[J].实验技术与管理,2013,30(6):205-207.