树立医学生的科学自信*——以抗击新冠疫情期间国内科学家在结构生物学领域取得的成果为例

新吉乐 张欣翼 黄睿 邹玉玺 时博 卢萍 马利刚 郑晓珂

河南中医药大学医学院 郑州 450046

0 引言

随着国内科研水平的提高，国内科学家在医学和生命科学领域取得了世界领先的成就。这为广大医学生树立科研自信奠定了基础。为了在大学课堂树立医学生的科学自信，本文发掘了在抗击新型冠状病毒肺炎过程中，中国科学家取得的结构生物学成果，分析其中的科学意义、自主创新精神等元素，用于后期医学院生物化学与分子生物学教学中的课程思政，培养广大医学生的自主创新精神，帮助他们树立科学自信。

2019 年12 月开始暴发的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情蔓延到中国所有省区以及多个国家和地区，对经济社会发展和人民群众生命财产安全造成了严重威胁。在抗击疫情的一线，除了医护人员和疾控人员之外，还有广大科研人员。广大科研人员的工作对新冠疫情的认识、预防和治疗起到了重要的推动作用。特别是在对新型冠状病毒（2019-nCoV）关键致病酶的空间结构解析方面取得了重大突破，为今后的药物筛选铺平了道路。这些成果是树立本土科研人员和医学生科学自信和自主创新精神教学课程思政的重要素材。

从知识传播的角度讲，生物化学和分子生物学教学过程中涉及的结构生物学内容极少。目前，医学院普遍使用《生物化学与分子生物学》（人民卫生出版社，第9 版）作为生物化学与分子生物学教学教材。其中，“常用分子生物学技术的原理及其应用”中的“蛋白质空间结构分析”部分只对X 射线衍射、核磁共振、冷冻电镜等极具影响力的结构生物学方法作了简单介绍[1]。通过目前的教学手段，医学生无法体会结构生物学在医学和生命科学领域中产生的重大作用和意义。为了让广大医学生深入认识疾病的发病机理和相关药物发现的过程，提升学生的自主创新精神，激发广大学生的科学自信，乃至文化自信，本文主要介绍国内科学家在新型冠状病毒肺炎防治过程中获得的结构生物学成果，发掘其中的思政课程素材，以期服务于教学实践。

1 医学生学习结构生物学知识的必要性

小分子药物是目前疾病治疗的主要工具。这些化合物分子量较低，很容易渗透细胞膜，通过靶向于重要蛋白质影响细胞通路，从而发挥药理学作用。尽管许多生物物理和生化方法能够阐明小分子与其靶标分子的相互作用，但结构生物学是确定靶标和小分子化合物相互作用最有力的工具[2]。也就是说，可以利用结构生物学方法，即X 射线衍射晶体学、冷冻电镜、核磁共振（NMR）等技术将小分子和蛋白质结合的细节进行“摄影”，从而从原子水平揭示小分子的作用机制。活性小分子可以通过基于靶点的药物设计获得。在设计小分子之前，需要通过结构生物学手段解析各类蛋白质靶点的三维结构，再将这些结构上传至开源数据库，如Protein Data Bank。药物化学家需要依赖计算机手段进行合理的药物设计，开发无毒、安全和有效的化合物，而不是通过传统组合化学方法大量合成化合物，再经过靶点识别、靶点验证、分析开发、命中识别、先导化合物的发现、先导化合物优化、候选选择和后期开发等漫长过程。因此，无论是揭示小分子如何作用于靶点，还是基于靶点的小分子发现，均需要结构生物学的支持才能实现。

以上介绍侧重药物开发的过程。那么对于发病机制研究，结构生物学是否也起重要作用呢？这样的方法对于临床医学专业学生意义如何？事实上，疫情初期，中国科学家就是通过结构生物学手段揭示了新型冠状病毒发病机制。例如，本文提到的饶子和团队解析的3CL 水解酶结构以及西湖大学周强课题组解析的人ACE2 全长结构等。我国科学家基本上揭示了新型冠状病毒肺炎侵袭人肺部细胞的整个过程。

综上所述，无论是药物开发还是揭示疾病的发病机理，均需要结构生物学手段。但从医学院本科阶段的生物化学教学来看，较少涉及甚至不涉及该领域的介绍。目前，结构生物学相关技术在不断发展中。例如，近两年冷冻电镜技术得到的蛋白质分辨率大大提高，大有替代X 射线衍射技术的可能。而过去，X 射线衍射技术是结构生物学领域的主流。因此，从培养医学生的角度，教学内容应不断改变，以适应时代和科学技术的发展。

2 国内科学家抗击新型冠状病毒肺炎期间取得的结构生物学成果

新型冠状病毒肺炎肆虐初期，我国科学家在新型冠状病毒结构生物学方面取得的相关成果如表1所示。

3 体现科学自信的思想政治元素

结构生物学属于生命科学与医学研究领域的制高点。在新型冠状病毒肺炎肆虐初期，我国科学家就是通过自主创新精神攻克了一个个结构生物学难题，解释了新型冠状病毒肺炎的发病机制。在解决难题的过程中，我国科学家还展现了团队合作精神、解决问题的思路和方法、大局观。这些精神对于取得科研成果、回报社会来说，是缺一不可的。体现这些精神的事件是教学过程中很好的思政元素，有利于帮助学生树立榜样，也有利于树立医学生对中国科学的自信。体现科学自信的思想政治元素如表2 所示。

4 建议和展望

想要帮助医学生树立科学自信，教师本身要讲好科学精神，更要讲好科学，这是树立学生科学自信的不易之处。在教学过程中，还发现了一些问题需要解决，需要一些技术手段来把握好科学和科学精神之间的关系，对教学过程加以改进。这些问题的解决方案包括：合理运用蛋白质数据库中的数据，将其运用于教学设计和课件；启动药物发现史课程建设；建设基本的结构生物学实验教学平台，如基因的克隆和表达、纯化；建设结构生物学科研平台，如X 射线衍射平台、共晶机器人，特别是冷冻电镜；加快虚拟筛选、药物设计学软件平台的购买和使用；与国内外著名制药企业交流合作，解决遇到的实质性问题。