“蛋白质工程”一节教学设计

汪 勇 （北京市第八中学 北京 100033）

《普通高中生物课程标准（实验）》中对“蛋白质工程”教学内容标准的表述是“简述蛋白质工程”。对教学的实施没有给出有针对性的建议。2018年颁布的《普通高中生物学课程标准（2017年版）》对“蛋白质工程” 的内涵及蛋白质工程与基因工程的关系进行了直接的界定，对学生的学习目标和教学方法也进行了直接的要求和提示，其内容标准的描述为：蛋白质工程是基因工程的延伸：概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质；举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造，生产目标蛋白的过程［1］。“蛋白质工程”是高中生物学教材《选修3 现代生物科技专题》中“基因工程”专题中的重要教学内容，是“基因工程在生产实践中的应用和发展前景”中的教学难点之一。在这部分内容的传统教学实践中，教师通常采用个别举例讲授的教学方法，不太注重学生对相关概念、原理和操作方法的深入理解和内化，往往导致学生对“蛋白质工程”概念的理解不到位，对其与基因工程的关系界定不清，对具体的操作方法和流程难以准确把握，因而难以在新的情境中运用相关原理和方法解决实际问题，对“蛋白质工程”的应用价值和发展前景也缺乏准确的定位［2-4］。

为贯彻落实新课程标准“教学过程重实践”的基本理念，高度关注学生学习过程中的实践经历，强调学生学习的过程是主动参与的过程，采用“科学—技术—社会”（STS）的教学策略，注重使学生在现实生活的背景中学习生物学，通过探究性学习活动，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力。

学生在学习了基因工程的原理和操作步骤之后，比较清楚利用转基因技术在受体生物和受体细胞中表达目的基因的原理和方法，但对于复杂蛋白质的转基因技术生产，以及通过人为手段改变基因结构，从而生产自然界不存在的蛋白质这些技术流程并不了解。本节课由胰岛素的作用和传统生产方式的局限引入话题，通过资料分析和小组讨论等方式，引导学生运用已学习的基因工程和遗传分子基础的相关原理和方法，解决胰岛素生产上的工程问题，形成“蛋白质工程是基因工程的延伸”的核心概念，学习蛋白质工程应用于实际的方法和实例。

1 教学目标

1）概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质；举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造，生产目标蛋白的过程；理解蛋白质工程是基因工程的延伸。

2）提高分析资料，作出合理推测和判断的能力；尝试基于已有知识和新信息，利用基因工程的原理和方法解决蛋白质类药物生产的实际问题。

3）关注基因工程在药物生产中的实际应用；认同基因工程和蛋白质工程等生物技术的应用价值和发展前景。

2 教学重、难点

1）重点：蛋白质工程的原理和操作流程。

2）难点：蛋白质工程的操作流程。

3 教学过程

3.1 课堂引入 通过展示早期糖尿病人照片引发学生关注，由注射胰岛素是Ⅰ型糖尿病的重要治疗措施引入课题。向学生展示资料“从动物胰脏提取胰岛素有产量低、价格奇高、降糖效果不稳定、过敏、感染动物传染病等各种缺点［5］”，以“如何解决这些问题？”引发学生思考和讨论。

3.2 探讨重组人胰岛素的工业生产方法 通过依次进行、层层深入的3 个学生小组活动引导学生探讨重组胰岛素的工业生产方法和流程。

活动1：讨论解决传统胰岛素生产诸多问题的多种方案。学生讨论说出人工合成、猪胰岛素转化、基因工程生产、构建杂交瘤细胞系生产等方案。引导学生从可行性和经济性2 个方面对不同的方案进行分析比较，最终指向基因工程生产的路径。

活动2：讨论并列出基因工程生产人胰岛素的操作流程。通过问题串：如何用基因工程生产人胰岛素？选择哪种基因？如何获取目的基因？导入什么受体细胞表达？有哪些基本操作步骤？人胰岛素基因导入大肠杆菌如何实现正常表达？应导入完整的基因吗？应选择什么样的载体？引导学生思考的重点。学生讨论后说出选择人胰岛素基因、多种方法获取目的基因、导入细菌表达和基因工程的4 个基本操作步骤，指出应导入只含外显子的基因片段，选择含有原核基因启动子的表达载体。

活动3：讨论重组人胰岛素的生产方式。向学生展示“人胰岛素合成和加工成熟的过程示意图”，通过问题：2 条肽链的人胰岛素是如何用基因工程生产的？引发学生思考，通过讨论说出A、B 链分别表达后加工、胰岛素原表达后酶切等合理的方法。教师结合示意图补充讲解2 种重组人胰岛素生产的过程。

3.3 探讨通过改造基因改造蛋白质的原理和操作流程 向学生展示新的资料“人胰岛素易形成二聚体，降低作用效果。二聚体的形成与B28 位脯氨酸有直接关系”，引发学生新的思维冲突，“如何减少二聚体的形成？如何替换肽链内部特定的氨基酸？没有合适的蛋白酶切割怎么办？”随后通过2 个小组活动探讨通过改造基因改造蛋白质的原理和操作流程。

活动4：讨论改造蛋白质序列和结构的方案。学生思考讨论后能说出蛋白酶切割、在提示下说出通过改造或人工合成基因来生产新蛋白质的方案。向学生展示“基因定点突变-重叠延伸PCR 法示意图”，教师举例说明基因定点突变的方法，让学生直观了解改造基因的方法实例。

随后向学生展示“多种重组胰岛素的列表”并补充介绍丙糖磷酸异构酶、酪氨酰tRNA 合成酶、枯草杆菌蛋白酶活性中心、人-鼠嵌合抗体等4种蛋白质工程应用实例，在充分举例的基础上，让学生认识到通过蛋白质工程改造蛋白质的个别氨基酸或结构域，能实现增强热稳定性、提高活性、改变专一性、减少排异性等方面的作用［6］，关注基因工程在药物生产中的实际应用，认同基因工程和蛋白质工程等生物技术的巨大应用价值。

活动5：讨论总结改造蛋白质的操作流程。学生讨论总结说出改造蛋白质的大致操作流程。教师总结蛋白质工程的原理和操作流程，形成板书，帮助学生形成完整深入的有关蛋白质工程的大概念。

3.4 探讨从头合成蛋白质的方法，总结蛋白质工程 通过问题“利用蛋白质工程的原理和操作方法，能否合成全新的蛋白质？”引发学生的创造性思维和热情，通过小组合作的活动探讨从头合成蛋白质的方法。

活动6：讨论合成全新蛋白质的方法。学生在思考、讨论后能说出根据已有的蛋白质结构与功能关系的数据，直接设计新蛋白质，然后利用蛋白质工程的方法实现。

教师以美国生物科学家David Baker 研究探索的“死星”蛋白为例［7］，介绍从头合成蛋白质的方法思路，结合历史上第1 个全新合成的蛋白质（1988年杜邦公司）的实例［6］，总结蛋白质工程的实质（改造基因的基因工程——第2 代基因工程）、概念（根据需求，对蛋白质结构进行分子设计与改造，制造出自然界原本不存在的新蛋白）、理论基础（中心法则、氨基酸序列决定空间结构）、前提条件、技术手段和操作流程（图1）。

图1 蛋白质工程的前提条件、技术手段和操作流程

4 教学反思

本节课在引导和组织学生进行探究性学习活动时，注重为学习创设与社会紧密联系的情境，由胰岛素的作用和传统生产方式的局限引入话题，教学设计有效地贯彻实施了STS 的教学策略，为学生提供了尝试基于已有知识和新信息解决真实问题的机会。教师对资料进行重组，通过6 个层层递进的小组活动，结合精心设计的问题串的引导，为学生搭建了适宜的思维阶梯，让学生之间在充分思考的基础上讨论、交流和生成。学生的参与度和接受度都较高。针对每一个学习任务和问题，学生都能有丰富的反馈和生成。