生物化学与生物技术综合实验教学平台建设探索

毕　群

(北京大学 生命科学学院, 北京　100871)



生物化学与生物技术综合实验教学平台建设探索

毕群

(北京大学 生命科学学院, 北京100871)

以现有的实验教学实践为基础,探讨了建设现代生物化学与生物技术综合实验教学平台的重要性。以培养学生缜密的科研思维和创新能力以及掌握现代的实验技术基础为目标,进行了建立完整的本科生综合开放性实验及科学研究训练系统的探索。

生物化学； 生物技术； 综合实验教学平台

生命科学自上个世纪末成为发展最为迅速的学科之后,目前仍然在高速发展。国家对于高层次、高素质生命科学人才的需求持续强烈,现代生物学科学实验技术日新月异,在人才培养中掌握综合性实验技术一直非常重要。

1　建设现代生物化学与生物技术综合实验教学平台的必要性

1.1生物学实验教学的模式和现状

目前包括生物化学在内的大部分生物学实验教学仍以基础实验为主,综合型实验课程和开放性实验课程较为缺乏。即便是有部分综合实验,其中各专业实验内容也互不相关,不同学科之间缺乏配合和关联性,学生不易融合各科知识和技术。另外,实验内容较为传统,与科研密切联系的实验较少,学生得不到自己分析问题并解决实际科研问题的能力的锻炼。实验教学内容滞后于科研的发展,生物学实验教学平台建设滞后,一定程度上影响了教学效果。因此迫切需要改变生物学实验教学的模式和现状,发展新的更贴近现代生命科学研究的生物学实验教学平台和体系[1-2]。

1.2发展新的生物化学和生物技术实验教学体系

生命科学在20世纪有了惊人的发展,生物化学是其中最活跃的分支学科之一。现在,生物化学已是发展生命科学各分支学科和生物工程技术的重要基础。而近年来,随着遗传学、基因重组技术和细胞生物学等的发展,现代生物化学和生物技术的内容进一步扩大。生物过程的研究和工业过程的建立所采用的技术更加先进,宏观的过程特性研究与微观的基因水平和细胞水平的特性研究更加紧密地结合起来,其成果对人类的生活产生了重大的影响。到21世纪,现代生物化学与生物技术迅猛发展并作出重大贡献的前景已得到广泛的认同,基因工程下游技术与基因克隆、工程菌发酵相结合,目前已经广泛应用于制药、食品等行业中。因此,从当今社会需求以及生命科学发展的角度出发,根据培养复合型人才的需要,我们认为在本科生实验教学中进行现代生物化学与生物技术综合实验教学平台建设,不仅可以使学生在理论上将生物化学与分子生物学、微生物和遗传学等学科知识进一步融会贯通,而且还能够使他们更了解生物化学和生物技术在实际生活中的应用,拓宽将来的科研和实践思路。

2　现代生物化学与生物技术综合实验教学平台构建的预期目标

2.1建立系统和全面的知识架构

生物科学、生物技术的进步和发展与基础领域生物化学的发展是不可分的,而现代生物化学在广度和深度上都有了很大的拓展,越来越体现出与众多其他分支学科的密切联系。显然,进行现代生物化学与生物技术综合实验教学平台的建设将使学生建立对生命科学更为系统和全面的知识架构,这对于提高学生的素质,使他们更加适应今后的学习和发展是必要的。

2.2完善综合实验训练模式

建立现代生物化学与生物技术综合实验教学平台完善了原来的综合实验训练模式,其中涉及多个学科的实验技术,各个实验之间紧密相连,每一部分实验结果都会直接影响最后的实验结果,这样就能使学生在实验过程中注意综合运用各学科相关知识,理性思维,理顺脉络,联系实际,拓宽思路,以达到培养训练学生分析问题和解决问题能力,增强创新意识,提高综合素质,系统地掌握生物学实验技术的目的。学生在这一过程中能更进一步地了解各个学科的前沿发展动态,关注学科研究中的热点问题,将现代生物化学和生物技术与解决生物学实际问题的能力训练有机结合。而解决实际问题的能力对学生一生的发展都是至关重要的[3]。

2.3开设探索性实验

在实验内容的设计上,倾向于鼓励学生可自己选择与课程内容相关的感兴趣的实验对象,设计其中某些流程，譬如诱导处理条件、洗脱条件等,将以往的验证性实验转变为探索性的实验。充分发挥学生的主观能动性,提供学生自己探索的机会，从而在实验技术的学习基础上,进一步培养对科学问题的探索精神,有助于学生形成初步的科研工作能力[4]。

3　现代生物化学与生物技术综合实验教学平台构建的实施

现代生物化学与生物技术综合教学平台构建中设计的实验课题需要有一定的基础,通过不同学科间的配合和设施的投入来实现。可以以分析对象为纽带,实验教学围绕科学问题,让学生直观地了解微生物学、生物化学、分子生物学等学科的基本知识和技能,形成带着问题去做实验并在其中寻找答案的思想。

3.1开放式综合科研训练模式的实验教学

北京大学生物实验教学中心生物化学实验室，立足于现有的完整的蛋白质分离纯化系统,结合本中心微生物实验室和分子生物学实验室的先进仪器设备和技术力量,尝试了开放式综合科研训练模式的实验教学方式,使学生在理论上将生物化学与分子生物学、微生物和遗传学等学科知识进一步融会贯通,更了解生物化学和生物技术在实际生活中的应用,拓宽了将来的科研和实践思路。具体思路是：首先让学生在分子生物学实验中通过目的基因的克隆构建工程菌,然后在微生物实验中进行工程菌的发酵和蛋白质的表达,再在生物化学实验中进行细胞破碎、蛋白质提取、分离纯化(其中包括超滤、等电点沉淀、盐析、层析等技术)、蛋白质的生物学活性鉴定以及蛋白质的浓缩冻干。选择的目标蛋白可以是酶类,譬如科研或企业中广泛应用的Taq酶、胰蛋白酶等,一方面适合进行生物学活性鉴定,另一方面学生本科实验的产品还可以在科研上用于PCR反应、质谱分析的前期样品消化等应用上,既节约了资源,又达到了使学生接受综合训练的目的。具体为学生开设了如下3个综合训练实验。

3.1.1PfuDNA聚合酶的克隆、表达、分离纯化及等点聚焦

该实验由学生构建带His-tag的重组质粒,然后进行发酵,表达出PfuDNA聚合酶(Taq酶的一种),并进行分离纯化,首先利用PfuDNA聚合酶耐热的特性通过加热进行初步纯化,然后进行层析,获得了有生物学活性的纯化蛋白并且对其进行等电聚焦等鉴定,从而实现了从分子克隆、细菌发酵至蛋白质分离纯化的完整的系统性实验教学体系(见图1)[5-7]。

3.1.2大豆胰蛋白质酶抑制剂的分离纯化及生物学活性鉴定

该实验基于“自主设计的开放式的”的原则,鼓励学生自己根据大豆胰蛋白酶的特性设计实验流程,采用不同的方式，譬如酸、离子交换柱、分子筛等一系列分离纯化方法，得到纯化的蛋白质并对其进行一系列的生物学活性分析,使实验更具有自主性、趣味性,更加有利于培养学生的科研能力[8-9]。

3.1.3胰蛋白酶的表达、分离纯化和性质鉴定

该实验利用胰蛋白酶的特性,利用微生物发酵表达菌液,通过细胞破碎、超滤、等电点沉淀及亲和层析等技术对胰蛋白酶进行提取和分离纯化,然后进行生物学活性鉴定以及蛋白质的浓缩冻干。所获得胰蛋白酶纯品还可在科研上用于质谱分析的前期样品消化等,既达到了使学生接受综合训练的目的,又节约了资源,具有很好的实用性[10-12]。

图1　Pfu DNA聚合酶的克隆、表达和分离纯化

上述3个实验内容的实施可以实现从分子克隆、工程菌发酵至蛋白质分离纯化于一体系的实验教学,使本科生综合实验训练更具有系统性、趣味性和实用性,促进学生对生物学各实验之间相互联系的理解,更有利于培养学生的动手能力。

3.2课堂之外的训练模式

3.2.1在科研实验室内设立本科生开放项目

可以在生物化学和生物技术相关的科研实验室内开放本科生科研项目,使学生能在高水平科研实验室内受到科学态度、科学思维和科学道德的熏陶。希望本科生能较好地掌握相应的现代生物学实验技术和方法,为研究生阶段的培养打下坚实基础。让学生在文献查阅、实验操作、结果分析以及科技论文写作、报告等方面受到比较严格、系统的科学训练。同时为学生创造条件与国际高水平实验室建立联系,在进行实质性合作中进一步受到科学研究的训练。鼓励学生在教师指导下向高水平的专业杂志投稿,发表自己的研究成果。

3.2.2暑期实践体系

在本科生教学体系中设立 “暑期实践体系”,可以与一些生物技术公司、企业(譬如制药厂)联合为本科生设立一些实践项目,目的在于为本科生提供一个了解现代生物化学及生物技术在社会生活中所扮演的不同角色的机会,帮助学生了解和掌握生命科学中所蕴含的知识、思维方式和工作方法,更好地认识社会,了解社会,体验社会,这不仅为学生将来进入基础研究领域发展奠定基础,同样也为将来进入企业、社会、个人创业等各个不同领域发展奠定基础。

4　现代生物化学与生物技术综合实验教学平台构建的效果

在现代生物化学与生物技术综合实验教学平台建设的探索过程中,我们发现这能够让低年级的学生较早近距离地了解到生命科学多个研究方向的主要内容及其重要意义。在教师指导下,本科学生可以在这样的环境中得到从文献查阅、科研选题、实验设计、实验操作、结果分析、图片和数据整理、论文撰写、论文答辩等多个环节的全面的科学研究思想和方法的训练。这样的训练实质上也是对学生实施个性化的科研训练教育,有利于学生创新思维的培养。在这个过程中,也发挥了各个学科的优势和教师的积极性,将实验教学与科研训练有机、紧密地结合,为培养研究型的生物科学和生物技术人才打下良好的基础。

5　结语

自上个世纪末起,生命科学一直在快速、持续发展。在可预期的几十年中,国家对于高素质生命科学人才的需求也会高速增长。因此,培养适合国家发展和产业需求的人才储备是国家现代化的重要战略措施。在近年的实验教学实践中,我们深切认识到:以科学问题为引导、以典型材料为对象、掌握多学科的现代生物学综合实验组合技术正在成为本科人才培养的必要环节。在构建现代生物化学和生物技术综合实验教学平台的过程中,在保证基本技能训练的基础上注意提高现代实验技术的比例,保持开设实验内容的先进性。综合实验内容来源于科研课题,启发了学生的学习自主性和创造性,取得非常好的效果。

References)

[1] 付坤,周晓勤,凌振宝,等.基于创新人才培养的高校工科类专业新常态实践教学探索[J].实验技术与管理,2015,32(10):18-21.

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[3] 夏正江. 个体发展的节律与因序而教 [J]. 教育研究与实验,2007(3):14-20.

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[12]郝福英,周先碗,朱玉贤. 基础分子生物学实验[M]. 北京:北京大学出版社,2010.

Exploration on establishment of biochemistry and biotechnology comprehensive experimental teaching platform

Bi Qun

(College of Life sciences,Peking University,Beijing 100871, China)

Based on current experimental teaching practices,the importance of establishment of modern biochemistry and biotechnology comprehensive experimental teaching platform is discussed.Integrative open experimental mode and scientific research training pattern are built up for undergraduate students to take serious scientific exercises and master modern technologies,and thus to improve their creativity.

biochemistry; biotechnology; comprehensive experimental teaching platform

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.005

2015-12-11

国家基础科学人才培养基金 (J1310033 )

毕群(1970-),女,浙江绍兴,理学博士,副教授,主要从事生物化学及分子生物学的研究与教学工作.

E-mail:biqunb@pku.edu.cn

Q642.0

A

1002-4956(2016)6-0013-04