肽聚糖的生物合成虚拟仿真实验设计及实践

邓云霞, 王 露, 杨雪霞, 曹张军, 张兴群

(东华大学 生物与医学工程学院, 上海 201620)

由虚拟实验台、虚拟实验材料库和开放式实验室管理系统等核心要素构成的虚拟仿真实验平台为在虚拟实验条件下开展各种教学实验项目提供了交互性能良好的实验环境,使学生可不受时间和空间限制操作平台内各虚拟实验的设备及对象,实现了拓展课堂教学内容、提升实验教学质量的目的[1]。同时,线上虚拟仿真实验教学项目融合实验项目、计算机系统和信息、网络通信等技术,实现开放式教学,这符合新时代中国特色高等教育发展对于教育数字化的建设要求[2-3]。学生可以不受时间、空间、成本、安全性等因素限制,在逼真的实验环境中在线完成全部实验操作。

微生物结构大分子肽聚糖是大多数原核微生物细胞壁特有的具有重要生理功能的大分子聚合物[4-8]。肽聚糖也是许多重要抗生素的作用靶点和引起抗生素针对微生物毒力呈现强大选择性的原因[9]。与肽聚糖合成相关的酶分子、基因等均是生命科学领域的研究热点[10-15]。肽聚糖合成过程包括 “三阶段”即二十余步反应,相关反应依次发生在细胞质、细胞膜内部和细胞膜外“三空间”。但肽聚糖合成过程的步骤多,参与反应的底物、酶分子及发生场所复杂,是教学的重点和难点。传统教学过程中,学生只能根据教材和图片对相关知识进行平面认知,这样不利于学生想象力和创造力的培养。因此,以声图并茂、虚实结合方式构建基于虚拟仿真实验平台的微生物结构大分子肽聚糖生物合成实验项目,将微观世界的反应直观地展现在虚拟实验中,与抽象世界建立链接,提高了实验教学效果,优化并拓展了实验教学资源。此外,该项目还通过多视点、多感官过程增强了学生研究式学习的兴趣,提升了学生自主学习的积极性,也有助于学生实践能力、创新能力和科学素养的培养。

一、教学目标与设计思路

1.教学目标

(1)理论知识方面的目标:学生借助虚拟仿真实验的直观学习,可以深刻理解并掌握肽聚糖合成的三个阶段的全部知识点。

(2)实践创新能力方面的目标:通过对革兰阳性菌和革兰阴性菌细胞壁结构差异及多种抗生素作用机理的深入学习,引导学生思考滥用抗生素的危害和抗超级病原菌药物研发的切入点,以拓展学生视野、提高学生创新能力。

(3)素质培养方面的目标:虚拟仿真实验以微观世界的生物化学反应为实验对象,使学生在获取知识的同时,激发其自身学习热情,强化其团队意识和合作能力。

2.设计思路

“微生物学实验”是生物学专业的一门基础实验课程,在提升学生的专业认识、专业素养、动手能力以及强化基础理论的学习上起重要的作用。“微生物学实验”课程主要是配合理论课程的教学内容,结合学校自身的条件开始相关实验。实验具有常规性、可操作性和直观性的特点:(1)所需的实验设备和装置简单、易于操作,一般的学校实验室都具有开设条件;(2)学生进行实验操作方便,没有安全风险;(3)实验后结果立即可见。但有些课程内容因过程复杂或材料难得,很难在常规的实验中开展,这就使得目前的“微生物学实验”内容有很大的局限性。如微生物细胞壁结构成分肽聚糖是大部分原核微生物细胞壁的特有成分,在维持细胞的形态及存活、物质交换、耐药性、抗原性等方面发挥重要作用,也是青霉素、万古霉素、环丝氨酸和杆菌肽等重要抗生素的作用靶点。肽聚糖结构复杂,合成步骤为Park核苷酸合成、肽聚糖单体合成、多糖链的伸长和交联3个阶段。参与肽聚糖合成的底物和酶分子复杂[7-9],是“微生物学”的重要内容之一,而且其生物化学反应通过常规的实验是无法实现的。

在不断加强理论教学水平和提高教学效果的前提下,强化实践教学是近几年“微生物学”课程改革的关键。传统的“微生物学实验”课程是以实验室为平台来完成,如果没有实验室和相应的仪器设备等,课程是无法完成的。全球新冠疫情的暴发,导致部分学生不能在实验室开展实验,针对这一问题,“微生物学实验”课程实施了线下线上混合式教学。网上虚拟仿真实验不仅可以弥补远程教育和不能现场实验的不足,还能较好地帮助老师和学生完成教与学的任务。

为了生动还原微生物细胞内重要结构大分子肽聚糖的生物合成反应,本研究设计通过三维虚拟仿真技术,从宏观角度使用Blender建模软件将抽象的分子转化为简易的可视化三维对象,从微观角度利用Chem3D专业绘图工具绘制三维结构式,再将其生成大分子的3D模型;最后通过Unity引擎渲染微生物分子,将抽象的微生物理论知识通过三维可视化交互转变。虚拟元素涉及实验所需的场所细胞层面细胞质、细胞膜磷脂双分子层,以及所有生物化学反应所需要的底物分子、酶分子、相应产物的仿真等。以细胞质阶段合成Park核苷酸为例,主要涉及葡萄糖、己糖激酶、果糖-6-磷酸、磷酸己糖异构酶、葡萄胺-6-磷酸合酶、氨基葡萄糖-6-磷酸乙酰转移酶、磷酸葡糖胺变位酶、1-磷酸-N-乙酰葡糖胺、三磷酸尿苷、UDP-N-乙酰葡糖胺、磷酸烯醇式丙酮酸、UDP-N-乙酰胞壁酸等约45种底物分子、酶分子及相应产物的仿真。在高度仿真的虚拟实验环境中,通过人机交互使学生完整地在线完成肽聚糖生物合成各个阶段的实验操作。

二、在线教学平台的构建及实施

1.虚拟仿真教学平台的构建

肽聚糖生物合成虚拟仿真实验平台内容由项目简介、虚拟仿真资源、实验报告、学习记录、综合成绩五部分组成。项目简介部分含有项目介绍、教学申报视频和引导视频(图1),其中:教学申报视频重点介绍虚拟仿真实验课程的整体情况,包括实验特色、技术手段及未来规划等;教学引导视频主要介绍虚拟仿真实验课程的基本情况,包括实验名称、实验目的、实验原理、实验内容、实验步骤等,便于使用者通过引导视频自主开展实验。

图1 教学申报视频、引导视频截图

虚拟仿真资源部分可通过账号进入实验平台,选择“学习模式”(不计算成绩、不生成实验报告)或“考核模式”进入实验操作。肽聚糖生物合成虚拟仿真实验共有21个交互性操作步骤,其中包括10个选择题(从题库随机抽取)。交互步骤涉及生物化学反应,抗生素的作用位点、作用方式原理及交互,革兰阴性和革兰阳性菌细胞壁差异及相关知识点测试等。

学习记录部分可查看学生的学习时间、次数、分数,了解学生的学习情况及其对知识的掌握情况。综合成绩可得到学生的最终实验成绩,并作为考核的一项指标。实验结束后形成实验报告,实验报告会对每一步骤进行评分,以便教师根据报告查看学生掌握情况。

2.实验教学过程

学生进行虚拟仿真实验操作前,教师可现场进行实验原理、软件操作培训,指导学生在虚拟平台上自主完成实验原理、实验操作、项目介绍、教学引导视频学习;实验系统会对每个阶段的实验结果进行自动评价,包括肽聚糖合成细胞质阶段、细胞膜阶段、细胞膜外阶段,且由题库自动生成测试题目,同时结合实验报告等进行总体实验评价。系统会根据预设的实验步骤和标准进行评判,实时提示用户错误的实验操作和实验结果,并给出正确建议,帮助学生发现并纠正错误。在此过程中,在线教学团队需提供课前、课中、课后在线答疑;系统自动记录学生上课、操作情况、已服务学生人次数等。

学生按照虚拟实验项目中的要求逐步完成虚拟仿真实验。在教师端,教师可实时在线监测学生的实验进度及其对应知识的掌握情况,并根据实验报告系统评估学生的实验完成效率和完成效果。另外,软件还可统计实验项目的社会服务效果,评价实验项目的示范性和实用效果。

学生也可以根据自身的掌握情况,自主安排时间在虚拟软件上学习训练,将学过的理论知识与实践操作训练融会贯通,达到切实掌握相关知识的目的。在训练过程中,学生的实践能力、科研素养、自我学习能力得到很大提升,教师的实验教学效果也大大提高。

3.实验方法

虚拟仿真实验以细胞质、细胞膜为化学反应场所,通过选择合适的底物和酶分子不断生成产物。进入实验系统界面后,学生可根据提示查看实验目的、实验原理、参考文献等。实验过程有具体的步骤引导及操作注意事项提示,具体每步实验操作的结果都被记录。若选错或少选底物和酶分子,反应都无法进行。如,选择N-乙酰葡糖胺-1-磷酸、UDP-N-乙酰焦磷酸化酶,无法生成N-乙酰葡糖胺-UDP、焦磷酸,系统则会扣除相应的实验分数,每一步操作正确则会生成正确的产物,最终合成完整的细胞壁。十一异戊二烯-PP-二糖-五肽的合成需要先合成D-丙氨酰-D-丙氨酸、Park核苷酸等底物分子,如图2所示。学生选择相应的底物、酶分子生成相应的产物,可同时展示其三维分子结构(可放大、旋转)。

图2 十一异戊二烯-PP-二糖-五肽的合成过程及三维分子结构

抗生素的作用位点交互实验操作如图3所示,包括环丝氨酸、糖肽抗生素万古霉素、杆菌肽、β-内酰胺类抗生素青霉素。学生在操作时,选择相应的底物、酶分子,反应正常进行;选择抗生素物质,则反应终止。

图3 4种抗生素的作用位点及交互

细胞壁的交联过程如图4所示。由图4可知:由焦磷酸类脂载体运来的双糖肽插入细胞壁生长点,作为引物的肽聚糖骨架(至少含6～8个肽聚糖单体分子),通过转糖基作用使多糖链延伸一个双糖单位;通过转肽酶的转肽作用使相邻多糖链交联-转肽时产生D-丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断裂,释放出1个D-丙氨酰残基,倒数第二个D-丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键,从而实现交联。反应所用到的化合物结构复杂,用文字描述则学生难于理解、想象,但人机交互操作可展现细胞壁交联的立体过程,反应中用到的物质结构、反应位点更容易被学生理解和掌握。

图4 细胞壁的交联过程

4.教学效果

本研究构建的虚拟仿真实验知识系统科学,仿真资源配置合理全面。学生通过Park核苷酸的合成过程,掌握肽聚糖单体合成过程中重要的底物分子、酶分子及抗生素环丝氨酸的作用位点和方式;通过十一异戊二烯的循环,掌握肽聚糖亚单位、五肽链的生成及抗生素杆菌肽的作用位点和方式;通过多糖链的伸长和交联,掌握肽桥的生成、转糖基转肽作用及抗生素万古霉素/青霉素等的作用位点和方式。此外,在开展实验过程中,学生可对实验过程中遇到的问题进行讨论,也可根据实验情况开展多次操作练习,并对实验教学效果给出一致好评。这不仅为“微生物学实验”课程教学提供了一个很好的实训平台,有利于学生专业实践能力得到进一步提升,更为以后拓展虚拟仿真实验内容、建设更全面的“微生物学”虚拟仿真实验教学系统奠定了坚实的基础。

三、实验特色与创新

(1)本研究项目把不可能在实验室完成的实验变为可能,将微观世界的反应在虚拟实验中实现,解决了特殊实验在普通教学实验室无法实现的问题。特别是针对微生物细胞壁结构中大分子肽聚糖合成复杂且难以开展实验的情况,将肽聚糖的生物合成过程通过虚拟仿真实验形式转化为教学资源。这不仅克服了传统实验课堂教学因场地、设备、成本、安全性等限制而“做不到、做不好、做不了、做不上”的问题,还较好地完成了实验教学,强化了学生对相应知识点的理解。

(2)本研究突破了“微生物学实验”只能在线下实验室开展的局限性,拓宽了“微生物学实验”教学的形式。通过模拟仿真实验,学生可以借助网络开展实验,且实验的操作不局限于具体的时间、地点,保证了实验教学的正常开展。

(3)本研究把新的技术手段引入实验教学,有利于培养学生的创新精神和创新意识。学生在一门课程中不但体验了不同的教学方式,而且体验了技术进步带来的便捷性。这更有利于学生创新思维的形成。

四、结语

肽聚糖的生物合成虚拟仿真实验可以作为“微生物学实验”“生物化学实验”等基础实验课的拓展内容,与其他在实验室中完成的实验相互补充,最大程度地发挥了综合性实验在培养学生创新能力中的作用。本虚拟仿真实验研究注重相关知识的严密性、系统性、完整性和逻辑性,强调相关知识的实用性和时效性,注重思辨内省与实证外求、整体综合与部分分析、目标结果与过程方法的统一。同时,其形式上有利于学生主动求知,实现了由“以教为主”向“以学为主”、由以“知识传授为主”向“能力培养为主”的转变,有利于推动双一流背景下高校实验教学的开放共享。