生物工程专业虚拟仿真实验的建设与应用

摘 要 虚拟仿真技术在高等院校教学中的应用日益广泛，突破了传统实验教学无法开展大型实验的限制。在此背景下，设计并开发地黄内生放线菌及代谢物分离鉴定的虚拟仿真实验，真实还原从地黄中筛选内生放线菌，以及分离和鉴定活性菌株代谢物的实验过程。将虚拟仿真技术引入生物工程专业的实验教学，通过虚实结合显著提高了实验教学效果，有利于培养学生的科研思维和实验操作能力。

关键词 生物工程；虚拟仿真实验；实验教学

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）19-00-04

0 引言

目前，我国高校正在大力推进新工科建设，一方面主动建立和发展新兴工科专业，另一方面推动现有工科专业的改革和创新。工科专业的改革和创新不仅要求有新的教学理念、教学模式，还需要和当地的产业的需求一致，深化校企合作，提高学生的就业和创业能力，培养一大批具有较强技术能力和工程实践能力的专业人才，满足产业发展需求[1]。这对中医药大学的生物工程、制药工程等工科专业的建设和改革提出了新的挑战。

2021年12月，国家发展和改革委员会专门印发

了《“十四五”生物经济发展规划》，提出发展面向人民生命健康的生物医药[2]。在“十四五”开局之年，多个省市将生物医药产业纳入“十四五”发展规划，加强企业与高校合作，引导企业突破核心技术，依托重大科技专项等加快关键核心技术攻关，解决“卡脖子”问题，为构建现代化经济体系、推动经济高质量发展提供有力支撑。因此，中医药大学的生物工程、制药工程等专业必须加快改革和创新的步伐，为生物医药经济的发展培养高质量的创新型、复合型、应用型人才。

根据国家生物经济发展的需要，河南中医药大学以新工科建设和改革为契机，在药学院国家级特色专业——制药工程专业和省级特色专业——生物工程、中药制药专业的基础上，设计和开发了“地黄内生放线菌及代谢物分离鉴定的虚拟仿真实验”，在生物工程、制药工程和中药制药三个专业的专业基础课工业微生物中开设[3]。本实验采用虚拟仿真技术，构建高自由度的三维实验场景，并结合真实实验室内观摩教师现场示教，虚实结合，培养学生的实验操作和科学思维能力，使学生掌握植物体内生放线菌及代谢物分离、鉴定的实验方法和意义，加深学生对生物技术理论以及实践应用的理解。

1 虚拟仿真实验背景

地黄是中医临床常用的传统药材，也是著名的四大怀药之一，具有滋阴补肾、生精补髓、清热生津、降血糖和增强免疫力等功效。植物内生菌能够产生与宿主相同或相似的生理活性物质，有抗菌、抗肿瘤、杀虫、免疫抑制、抗氧化等生物学活性。根据已有报道，从内生菌中发现新活性化合物的比例高达51%，因此，利用植物内生菌筛选高效、新颖、低毒的抗菌活性物质潜力巨大，这些特性使得植物内生菌成为医药、农业、化学品等研究的热点。通过筛选地黄的内生放线菌，获得具有生物活性的放线菌菌株，并分离和鉴定活性菌株的代谢产物，旨在发现与地黄中化合物结构一致或类似的化合物，为解决中药材生长周期长，受环境限制及化合物提取困难等问题奠定基础[4]。

地黄作为传统中药材，从地黄中筛选并鉴定内生放线菌及代谢物，是深入开发、利用、保护地黄资源的重要手段，但实验周期长、成本高、过程烦琐，在传统的实验教学中无法完成整个实验过程。在活性化合物鉴别方面，涉及很多分析化合物结构的仪器，在传统教学模式下学生很难接触并使用这些仪器，如质谱仪、核磁共振仪、圆二色谱仪等，通过虚拟仿真操作，学生可以体验实验过程，学习这些仪器的具体操作，并且可以反复练习，培养学生科研思维和实际动手能力。充分发掘虚拟仿真实验平台的技术优势，使学习更加深入，有利于充分调动学生自主学习的积极性，将自主学习和研究性学习有机结合。通过本虚拟仿真实验项目的学习，结合真实实验室中的学习，让学生掌握生物技术在中医药领域的最新研究方法，为生物医药行业发展培养具有创新精神和创新能力的复合型人才。

2 虚拟仿真实验模块建设

2.1 实验总览

地黄内生放线菌及代谢物分离鉴定的虚拟仿

真实验的网址为（https：//www.ilab-x.com/details/

page？id=6892&isView=true），页面展示包括项目申报书、简介视频、引导视频、理论学习和仿真训练（见图1）。本虚拟仿真实验以真实的实验操作为依据，高度还原实验过程的具体步骤和环节。理论学习模块提供实验需要的实验技术相关原理和资料供学生自主学习，如菌种纯化、筛选、菌丝培养，以及分子生物学技术（DNA提取、琼脂糖凝胶电泳、PCR、DNA体外重组等）。仿真训练包含整体实验设计、放线菌菌种分离、放线菌菌种纯化、活性放线菌筛选、活性放线菌鉴定、活性化合物分离、活性化合物鉴定，学生以第一视角查阅文献资料，设计实验方案，实施实验操作，数据结果分析，最后完成实验报告。

2.2 菌种分离模块

地黄内生放线菌菌种较多，利用特定的选择性分离培养基可以分离出多种放线菌，将样品植株经消毒之后，研磨成匀浆，取200 µL涂布在特定培养基上，培养两周之后即可长出不同表型的放线菌菌落（见图2）。本模块包括放线菌菌种分离实验设计、实验前准备、菌种分离。在实验设计部分，一共有七个实验步骤（植株室温放置、植株蒸馏水清洗、植株烘干、表面消毒、滤纸包裹干燥、研磨成浆、研磨液稀释培养），让学生根据实验讲义将实验步骤拖到正确的位置上。然后进入实验前准备，学生配制好相应试剂和培养基后放到灭菌锅里，选择灭菌参数，在121 ℃下灭菌30 min后，转移至超净台

下进行实验操作。实验准备完成后，根据提示的实验步骤，开始进行菌种分离的操作。

2.3 菌种纯化及活性菌株筛选模块

通过倒平板、触碰放线菌菌落、点板、封平板培养等操作，对放线菌菌种进行分离纯化操作。获得无污染的单菌落后，通过初筛倒平板、初筛点样、初筛封平板培养、贴菌饼等步骤对活性菌株进行筛选，使用十字交叉的方法筛选出具有抗病原真菌的活性放线菌菌株。

2.4 活性放线菌鉴定模块

本模块的内容是对已纯化和筛选得到的放线菌菌株进行鉴定，主要是分子生物学实验技术，包括活性菌株种子扩大培养、DNA提取、琼脂糖凝胶电泳、PCR扩增、PCR产物纯化、PCR产物连接、连接产物转化、大肠杆菌重组子鉴定等八个操作步骤，如图3所示。

对已纯化的放线菌菌株扩大培养后，提取放线菌的基因组DNA，利用琼脂糖凝胶电泳和紫外分光光度计检测基因组DNA的完整性和纯度。通过设计引物，PCR扩增放线菌的16S rDNA片段，PCR结束后，电泳检测PCR产物。用PCR产物纯化试剂盒纯化PCR产物，把纯化的PCR产物连接至pMD19-T克隆载体，通过热击转化法把连接产物转化到大肠杆菌，然后把大肠杆菌均匀涂布在含有氨苄西林抗生素的LB培养基上，放置在37 ℃培养箱中过夜培养。第二天，用菌落PCR鉴定含有放线菌16S rDNA片段的大肠杆菌克隆，通过基因测序得到纯化的放线菌中16S rDNA片段序列，并与数据库进行比对，从而最终确定该放线菌的种类。

2.5 活性化合物的分离与鉴定模块

活性化合物的分离模块包括活性菌种扩大培养和发酵培养。首先将鉴定得到的活性放线菌菌株在平板上划线培养，获得孢子后将孢子接种到种子培养基中，生长两天后获得种子液。将种子液接种到多种不同的发酵培养基中，进行发酵培养，获得发酵液后，将发酵液离心获得上清液和沉淀物，沉淀物用甲醇提取。将上清液和沉淀物分别利用病原真菌进行平板对峙实验，从而筛选出最适的发酵培养基，使用最适培养基在30 L发酵罐中发酵培养，最终获得活性放线菌菌株的发酵液。

活性化合物的鉴定模块包括化合物的提取、质谱鉴定、紫外分光光度计测定、红外光谱仪测定、核磁共振波谱检测等实验步骤。将活性放线菌的发酵液通过离心获得上清液和沉淀物，沉淀物用甲醇提取，将甲醇提取液及上清液合并浓缩后，上大孔吸附树脂柱，依次用不同浓度乙醇—水梯度洗脱得各洗脱部位，浓缩干燥。各部位用甲醇溶解，硅胶拌样后按一定比例上硅胶柱，用不同配比的二氯甲烷—甲醇溶液梯度洗脱分别得到流份1和流份2，两个流份浓缩再采用硅胶柱、凝胶柱、反相硅胶等进行分离纯化得到单体化合物。化合物的结构鉴定首先采用质谱检测，确定化合物的分子量、分子式以及分子碎片结构，然后采用紫外分光光度计测定化合物的紫外光谱确定共轭体系，采用红外光谱仪测定化合物的红外光谱确认功能基团及芳环取代类型，最后用核磁共振仪测定核磁共振波谱确认化合物分子中有关氢及碳原子的类型、数目、互相连接方式、构型、构象等结构信息，采用旋光仪测定化合物的旋光值，化合物的绝对构型由圆二色谱仪的科顿效应来确定，最终鉴定得到化合物的结构。

3 虚拟仿真实验的具体实施

充分利用虚拟仿真实验的优势，遵循虚实结合的原则，采用线上线下相结合的混合式教学方法，预习、学习、实验、答疑、考核全程覆盖，形成完整的教学过程，共12学时，具体实施过程如下。

3.1 自主学习

学时为1学时，要求学生在进行虚拟仿真实验之前，预习实验讲义、微课视频等，进行理论学习，包括地黄的基本知识，放线菌的定义、用途、分类，常见植物内生放线菌的分离方法，以及活性化合物的分离鉴定方法和相关仪器的介绍。预习完成后，软件会自动对学生的预习效果进行考核，并对预习过程中的学习数据进行统计。

3.2 设计实验方案

学时为1学时，学生以第一人称视角查阅文献资料，设计实验方案，实施实验操作，数据结果分析，最后完成实验报告。

3.3 虚拟仿真训练

学时为6学时，虚拟仿真训练模块包括整体实验方案设计、放线菌菌种分离、菌种纯化、活性放线菌筛选、活性放线菌鉴定、活性化合物的分离和鉴定等实验步骤。学生通过校园网进入该虚拟仿真实验所在网络登录系统后，可以参考系统内的实验讲义以及理论知识点内容，尝试进行虚拟实验操作。学生通过交互界面进行虚拟仿真实验，每个实验环节设置知识点的考核，学生通过知识点的考核后，可以继续进行虚拟仿真实验操作。学生在虚拟仿真实验学习过程中如果操作错误，可以重新复习理论学习模块里的知识点和实验讲义，学习正确操作步骤，加深对实验内容的认识。

3.4 实践学习，虚实结合

本环节2学时，虚拟仿真实验结束后，结合学生在真实实验室内的学习，采用虚实结合，以虚补实的实验方法，提高教学效率，使学生在同等的时间内获得更为丰富的学习信息，提高实验成功率，提高学生学习成就感。

3.5 项目考核

本环节2学时，要求学生能够独立完成虚拟仿真实验操作，并在操作过程中回答配套的问题。系统会记录学生的答题情况，并计入考核系统，在实验结束后，综合实验操作过程和答题情况，给出仿真实验的考核分数。虚拟仿真实验考核的分数占总成绩的50%；虚拟仿真实验和真实实验结束后，要求学生完成实验报告，指导教师根据实验报告的完成情况进行评分，占总成绩的40%；同时，要求学生在讨论区提出不少于两个有效问题，占总成绩的5%。学生使用本虚拟仿真实验软件后，提交使用过程中遇到的问题，为本软件后期修改提供好的建议，占总成绩的5%。

4 结束语

基于学生已学过的工业微生物、分子生物学和天然药物化学的理论知识和实验技术，本虚拟仿真实验真实还原了从地黄中分离纯化内生放线菌，以及代谢物分离鉴定的实验场景和实验过程。突破了传统实验教学过程中无法开展的相关实验以及学生无法接触复杂、精密大型仪器的限制，拓展了实验教学内容，有利于中医药院校生物工程、制药工程、中药制药等工科专业的学生掌握生物制药的理论知识和实验技能。在虚拟仿真实验操作步骤的提示下，学生独立完成地黄内生放线菌的筛选和代谢物化学结构的鉴定，加深学生对菌种分离纯化，分子生物学实验技术，以及质谱仪、核磁共振仪的认识，提高学生的学习积极性。但必须认识到虚拟仿真实验不能代替真实实验操作，以真实实验为主，虚拟仿真实验为辅，虚实结合、相互补充，才能达到更好的教学效果[5]。

本虚拟仿真实验已在河南中医药大学生物工程和中药资源与开发本科班的实验教学中应用，教学结果显示：进行线上虚拟仿真实验教学，能够提高学生的学习兴趣和独立进行实验操作与实验设计的能力，取得了良好的效果，为生物工程专业培养创新型、复合型、应用型人才奠定了坚实基础。

5 参考文献

[1] 朱学伸，秦城，赵倩，等.新工科背景下的生物制药专业建设实践[J].高校生物学教学研究（电子版），2021，11（5）：12-16.

[2] 董俊彤.多项中医药内容纳入《“十四五”生物经济发展规划》[J].中医药管理杂志，2022，30（10）：2.

[3] 何海荣，杜鹏强，安娜，等.虚拟仿真技术在工业微生物实验教学中的应用探索[J].教育现代化，2021，8（44）：1-4.

[4] 黄家锐，杜鹏强，李文均，等.地黄内生放线菌的分离及地黄轮纹病拮抗菌Streptomyces folium leaf-16的新种鉴定[J].微生物学报，2022，62（12）：4953-49

63.

[5] 陈晓兵，于坤，肖绍章，等.利用虚拟仿真技术培养大学生创新能力的路径研究[J].中国信息技术教育，2022（5）：104-107.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0

*项目来源：河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目（基金编号：2019GGJS115、2021GGJS086）；河南省研究生优质课程项目（基金编号：YJS2022KC23）；河南中医药大学教育教学改革研究与实践项目（基金编号：2019JX29）。

作者简介：赵乐、郑晓珂，博士，教授；何海荣、马利刚，博士，副教授；时博，通信作者，副教授。