“基因工程”教学中模型的制作与应用

张姝玉 （北京市第一七一中学 北京 100013）

基因工程是按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA 重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品［1］。“基因工程”的教学内容包括：原理、技术保证、基本操作程序及应用。教学重点是学生能阐明DNA 重组技术实现的技术保证，需要限制性核酸内切酶、DNA 连接酶和载体3 种基本工具；能阐明基因工程的基本操作程序主要包括获取目的基因、利用限制酶和DNA连接酶构建基因表达载体、将目的基因导入受体细胞、目的基因及其表达产物的检测鉴定。

基因工程是在DNA 分子水平上进行设计和施工，对于学生来讲比较抽象，较难理解。因此，在中学生物学教学的实践中，构建生物学模型对学生系统、完整地学习和理解新知识，并运用生物学模型解决生物学问题起到了事半功倍的作用。物理模型可模拟客观事物的某些功能和性质。在高中生物学课程中常使用的物理模型包括细胞结构模型、细胞膜结构模型和DNA 分子双螺旋结构模型等，能使研究对象可视化、简洁化，既便于理解、促进研究，又可清晰地描述研究成果，从而提高教师的教学质量和学生的学习效果。

1 模型制作

本模型是针对人教版选修3 的专题1“基因工程”中编排的一个模型模拟操作“重组DNA 分子的模拟操作”进行了改进。原模型模拟操作的设计目的是帮助学生理解EcoRI 的功能，识别GAATTC 序列，并在GA 之间进行切割；同时利用2 个纸板的剪切与拼接，帮助学生理解不同的DNA 分子间的重组的操作过程。改进后的模型模拟操作，通过优化模型本身，能在实际教学中帮助学生更准确地理解限制性核酸内切酶的作用位点，并更深入理解提高重组DNA 比例的方法和原因。

1.1 第1 种模型改进方法 在教材纸板模型设计中加入磷酸和脱氧核糖（图1）。

图1 重组DNA 分子的模拟操作模型纸板1

1）模型制作中用到的材料用具：印有图1的纸板、剪刀、小订书器。

2）模型的使用方法：

第1 步：前期准备。先将图1中上面的纸条用透明胶带首尾连接成环，模拟常用的基因载体——质粒。

第2 步：用剪刀（代表EcoRI）对质粒模型和含目的基因的DNA 片段进行切割。将环型的质粒切成线型，并在两侧都形成一段黏性末端；将含目的基因的DNA 片段切下来，并在两侧也形成一段黏性末端。

第3 步：将切下的含有目的基因的DNA 片段重组至质粒的切口处，用订书器（代表DNA 连接酶）将切口连接起来，订书钉代表新形成的磷酸二酯键。这样就完成了一个重组DNA 分子的模型制作。

1.2 第2 种模型改进方法 此改进是第1 种模型改进的升级版，在加入磷酸和脱氧核糖的基础上，对纸板中的碱基序列重新进行了调整（图2）。由于序列的重新调整，需要在材料用具中用到2把剪刀，分别代表EcoRI 和SamI。

图2 重组DNA 分子的模拟操作模型纸板2

模型的使用方法与第1 种方法基本相同，其升级步骤是：第2 步改为先用剪刀1（代表EcoRI）对质粒模型和含目的基因的DNA 片段进行切割。再用剪刀2（代表SamI，识别CCCGGG 序列，在CG 之间进行切割）对质粒模型和含目的基因的DNA 片段进行切割。这样就能在质粒两侧和含目的基因的DNA 片段的两侧形成不同的末端。

此改进模型的创新点：

1）纸板DNA 分子模型中不仅画出了碱基，还画出了磷酸和脱氧核糖。这样能帮助学生不仅理解EcoRI 能识别GAATTC 序列，在GA 之间进行切割；同时能更准确理解断裂的是哪一个磷酸二酯键。

2）用订书钉代替教材模型中的胶带，更具体形象地模拟了磷酸二酯键的形成，操作上也更简洁方便。

3）第2 种模型改进借鉴了工程学防呆理念，可使目的基因与载体定向连接。完成模型的制作后，学生会发现含目的基因的片段和质粒间只能有一种连接方法，避免了目的基因的片段反向连接在质粒上，同时避免了质粒和含目的基因的片段DNA 的自身连接，提高了重组DNA 的比例。

2 模型应用

第1 种改进的模型可应用于“DNA 重组技术的基本工具”一节的教学。在学习了限制性核酸内切酶、DNA 连接酶、载体的作用后，让学生按照上述的操作步骤动手参与模型制作。此模型制作的目的是让学生直观理解基因工程中限制性核酸内切酶和DNA 连接酶的作用、作用特点、结果及酶的作用位点。

第2 种改进的模型可应用于“基因工程的基本操作程序”一节教学。在基因工程的第2 步“基因表达载体的构建”的教学中，按上述步骤进行模型制作，学生不仅能直观理解限制酶和DNA 连接酶的作用等知识点，还能认识到用相同2 种限制酶处理质粒和含目的基因的片段，可提高正确的重组质粒的比例。

此2 种改进方法在实际教学中可单独或联合使用，利于教学中重点、难点的突破。