“模拟操作重组DNA分子”的教学实践

文件编号： 1003 - 7586（2016）06 - 0017 - 03

在新课标教材《选修3・现代生物科技专题》的“基因工程”一章中，不同版本的教材都设计了一个模拟操作。人教版为“重组DNA分子的模拟操作”，苏教版为“模拟限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用过程”。笔者整合了不同版本的教材内容，指导学生进行了一次有意义的教学实践。

1 教学分析

在DNA分子水平上进行设计和施工的基因工程技术是由“分子工具”的突破开始的，因此基因工程专题根据学生的认知规律首先介绍了DNA重组技术的基本工具，涉及准确切割DNA的“手术刀”、将DN段连接起来的“缝合线”、将体外重组的DNA导入受体细胞的“运输工具”。但由于这三种“分子工具”非常微观、抽象、复杂，所以成为教学的难点，而理解它们的结构与功能基础基因工程基本操作程序的学习是后续，因此这也是本专题的教学重点之一。为突破这个难点，并及时反馈学生对重点知识的掌握情况，教师组织学生进行“重组DNA分子的模拟操作”实验就具有重要的意义。

在模拟实验中，教师引导学生借助模型化方法，将DNA和“分子工具”放大，亲自动手对DNA分子进行“剪切”和“拼接”，模拟制备重组DNA的过程。在体验建模的过程中，教师注重激发学生的学科兴趣。模拟活动之后，教师组织学生讨论，引导分析建模过程，从而提升学生的建模思维和建模能力。同时教师将重难点知识设计为相关的问题，引发学生的思考，让其尝试应用所学知识解决问题，从而突出重点、突破难点，并及时反馈信息，为基因工程基本操作程序的教学设计提供依据。这样的建模活动将实现学生知识、能力、情感、态度与价值观的进一步提升。

2 实验目的

（1） 模拟制备重组DNA分子的操作过程；

（2） 分析制备重组DNA分子的模型，理解基因工程的基本原理；

（3） 体验制备重组DNA分子的过程，激发热爱生物科学技术的情感。

3 实验原理

基因工程是指在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞，并使重组基因在受体细胞中表达，产生人类需要的基因产物的技术。因而，基因工程又称为重组DNA技术。在体外重组DNA分子，至少需要三种工具，即“分子手术刀”――限制性核酸内切酶、“分子缝合针”――DNA连接酶和“分子运输车”――基因载体。

4 材料用具

白色纸条（3 cm×30 cm）、红色纸条（3 cm×10 cm）、剪刀、透明胶带、深色胶带（蓝色或绿色）等。

5 实验步骤

将红色纸条用透明胶带首尾相连，粘成圆环形，代表细菌的质粒（图1）。白色纸条代表含有目的基因的DN段。

假设每组学生只有一种限制酶（EcoRI限制酶或AluⅠ限制酶）和一种DNA连接酶（E・coliDNA连接酶或T4DNA连接酶）。

（注：EcoRI限制酶能识别GAATTC序列，并在G-A之间切割产生黏性末端；AluⅠ限制酶能识别AGCT序列并在G-C之间切割产生平口末端。E・coliDNA连接酶只能将双链DN段互补的黏性末端之间连接起来，不能连接平末端，T4DNA连接酶既可以连接黏性末端，又可以连接平末端，但连接平末端的效率较低。）

从白色纸条的2条DNA链上分别找出所选的限制酶所识别的核苷酸序列，画虚线表示中心轴线的位置，画箭头（“”和“”）标注酶切位点，用剪刀正确地“切割”DNA，从而获得目的基因。

用同样的方法剪切质粒（图2和图3）。

把白色纸条和红色纸条上配对的黏性末端或平末端用深色胶带粘在一起，使目的基因插入质粒中，获得重组DNA（图4和图5）。

6 注意事项

选择一种限制性核酸内切酶，一定要正确识别其特定序列，并且在识别的位点“切割”DNA分子。

选择恰当的DNA连接酶连接DNA分子形成重组DNA分子。图4所示为先用EcoRI限制酶切割，再用E・coliDNA连接酶连接形成重组质粒。图5为先用AluⅠ限制酶切割后，再用T4DNA连接酶连接形成重组质粒。

注意安全使用剪刀。

7 讨论与体会

本模拟操作是一次非常有益的教学尝试，它将微观的过程直观呈现出来，有利于学生深入理解基因工程的原理。

7.1 教学材料的改进与准备

不少教材选用的是两种颜色（如绿色和粉红色）的等宽硬纸板，然后让学生在硬纸板上依次等距离写上字母（字母要清晰、工整）。由于学生用笔所写的字母根本不可能大小一致，所以碱基要实现互补配对就比较难。因此，做出的纸带也就缺乏科学性和可行性。为此做如下改进：

将“硬纸板”改为“A4纸”，同时将“绿色和粉红色”改为“白色和红色”。因为硬纸板比较难打印，而A4纸打印非常方便。为了节约起见，含有目的基因的片段采用白色纸油印的方式，质粒采用红色纸打印。

重新设计DN段。不少教材中设计的DN段只有1个酶切位点，不能切割出两端具有黏性末端的DN段，也不能被多种限制酶所识别切割，为此作如下改进。教师需要预先将模拟的DN段放大成小二字号，另外在字母的外侧各加上一条黑线代表DNA分子的基本骨架。用白色A4纸一页（横向）打印4条带有目的基因的DNA分子，用红色A4纸一页（纵向）打印6条质粒DNA分子（图6），然后裁成等宽的纸条即可。这样既可降低实验操作的难度，也减轻了学生的负担。

改进工具，将教材中的“透明胶带”改为“深色的胶带”，如“蓝色或绿色胶带”。当教师把学生所得的实验结果用实物投影仪进行投影时，若学生用“透明胶带”，所粘贴的位置显示不出来，学生所粘贴的位置是否正确也就很难看清楚，教学效果比较差。改用“蓝色或绿色胶带”后，投影效果就非常明显了。

7.2 组织教学策略

教师可根据学生的情况，采用不同的方式实施上述实验。如果学生自学能力比较强，教师可将该实验任务课前交给学生，然后指导学生阅读教材和实验指导后，课后合作完成；课上学生交流汇报实验结果，分析模拟操作。如果学生主动学习能力不是很强，实验可在学习基因工程操作的基本工具时同时进行，学生边做边学。

教师依据模拟实验的操作情况，可以提出以下问题供学生思考与讨论：

解释模型，把制备重组DNA分子的实际步骤和模拟实验中的各个步骤联系起来，思考模型中各个术语所对应的步骤或物体，完成表1。

用剪刀剪切目的基因和用限制性核酸内切酶剪切有什么区别？（限制性核酸内切酶能自己识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每条链定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂。而模拟实验中的剪刀除了模拟剪切磷酸二酯键外，还剪切了DNA双链碱基之间的氢键。）

在实验中，你所用的限制酶和DNA连接酶分别是什么？切割两种DNA分子你使用了同一种限制性核酸内切酶吗？为什么？（学生根据所选择的限制酶和DNA连接酶的实际情况填写。切割两种DNA分子需要使用同一种限制性核酸内切酶，因为使用同一种限制性内切酶产生同样的黏性末端，才能连接成重组DNA分子。）

DNA连接酶的作用是什么？检查你所制作的重组DNA，DNA连接酶的作用是否表示正确？（DNA连接酶的作用是恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。检查模型中DNA连接酶的作用是否表示正确，主要是要看胶带粘贴的位置。）

7.3 实验评价

本实验注重实验操作过程的评价，小组之间可以相互比较，也可利用投影展示各组实验的结果，从以下几方面进行评价。

7.3.1 是否正确“识别”特定的核苷酸序列

根据所选的限制性核酸内切酶的特点，在含有目的基因的片段和质粒上找出其特定的核苷酸序列，画虚线表示中心轴线的位置，画箭头（“”和“”）标注酶切位点。

7.3.2 是否完成对目的基因和质粒的“切割”

用剪刀正确地“切割”DNA，从而获得目的基因和质粒片段。

7.3.3 是否进行正确的“拼接”

检查实验结果，主要看胶带粘贴的位置，判断DNA连接酶的作用是否表示正确。

为了检验这一模拟实验的效果，可用两个同等程度的班级进行对照实验，然后用同样的习题进行后测，比较实验班与对照班的正确率。

实践证明，采用模拟实验的班级，对基因工程中限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用理解得更为深入，学习效果更好。

参考文献：

[1] 蒋丹.“重组DNA分子的模拟操作”实验的优化教学设计[J].生物学教学，2011，36（8）.

[2] 林维哆.“重组DNA分子的模拟操作”实验的改进[J].教学仪器与实验，2006，22（10）.