“模擬操作重組DNA分子”的教學實踐

郭軍英

文件編號： 1003 - 7586（2016）06 - 0017 - 03

在新課標教材《選修3·現代生物科技專題》的“基因工程”一章中，不同版本的教材都設計了一個模擬操作。人教版為“重組DNA分子的模擬操作”，蘇教版為“模擬限制性核酸內切酶和DNA連接酶的作用過程”。筆者整合了不同版本的教材內容，指導學生進行了一次有意義的教學實踐。

1 教學分析

在DNA分子水平上進行設計和施工的基因工程技術是由“分子工具”的突破開始的，因此基因工程專題根據學生的認知規律首先介紹了DNA重組技術的基本工具，涉及準確切割DNA的“手術刀”、將DNA片段連接起來的“縫合線”、將體外重組的DNA導入受體細胞的“運輸工具”。但由于這三種“分子工具”非常微觀、抽象、復雜，所以成為教學的難點，而理解它們的結構與功能基礎基因工程基本操作程序的學習是后續，因此這也是本專題的教學重點之一。為突破這個難點，并及時反饋學生對重點知識的掌握情況，教師組織學生進行“重組DNA分子的模擬操作”實驗就具有重要的意義。

在模擬實驗中，教師引導學生借助模型化方法，將DNA和“分子工具”放大，親自動手對DNA分子進行“剪切”和“拼接”，模擬制備重組DNA的過程。在體驗建模的過程中，教師注重激發學生的學科興趣。模擬活動之后，教師組織學生討論，引導分析建模過程，從而提升學生的建模思維和建模能力。同時教師將重難點知識設計為相關的問題，引發學生的思考，讓其嘗試應用所學知識解決問題，從而突出重點、突破難點，并及時反饋信息，為基因工程基本操作程序的教學設計提供依據。這樣的建模活動將實現學生知識、能力、情感、態度與價值觀的進一步提升。

2 實驗目的

（1） 模擬制備重組DNA分子的操作過程；

（2） 分析制備重組DNA分子的模型，理解基因工程的基本原理；

（3） 體驗制備重組DNA分子的過程，激發熱愛生物科學技術的情感。

3 實驗原理

基因工程是指在體外通過人工“剪切”和“拼接”等方法，對生物的基因進行改造和重新組合，然后導入受體細胞，并使重組基因在受體細胞中表達，產生人類需要的基因產物的技術。因而，基因工程又稱為重組DNA技術。在體外重組DNA分子，至少需要三種工具，即“分子手術刀”——限制性核酸內切酶、“分子縫合針”——DNA連接酶和“分子運輸車”——基因載體。

4 材料用具

白色紙條（3 cm×30 cm）、紅色紙條（3 cm×10 cm）、剪刀、透明膠帶、深色膠帶（藍色或綠色）等。

5 實驗步驟

將紅色紙條用透明膠帶首尾相連，粘成圓環形，代表細菌的質粒（圖1）。白色紙條代表含有目的基因的DNA片段。

假設每組學生只有一種限制酶（EcoRI限制酶或AluⅠ限制酶）和一種DNA連接酶（E·coliDNA連接酶或T4DNA連接酶）。

（注：EcoRI限制酶能識別GAATTC序列，并在G-A之間切割產生黏性末端；AluⅠ限制酶能識別AGCT序列并在G-C之間切割產生平口末端。E·coliDNA連接酶只能將雙鏈DNA片段互補的黏性末端之間連接起來，不能連接平末端，T4DNA連接酶既可以連接黏性末端，又可以連接平末端，但連接平末端的效率較低。）

從白色紙條的2條DNA鏈上分別找出所選的限制酶所識別的核苷酸序列，畫虛線表示中心軸線的位置，畫箭頭（“↓”和“↑”）標注酶切位點，用剪刀正確地“切割”DNA，從而獲得目的基因。

用同樣的方法剪切質粒（圖2和圖3）。

把白色紙條和紅色紙條上配對的黏性末端或平末端用深色膠帶粘在一起，使目的基因插入質粒中，獲得重組DNA（圖4和圖5）。

6 注意事項

選擇一種限制性核酸內切酶，一定要正確識別其特定序列，并且在識別的位點“切割”DNA分子。

選擇恰當的DNA連接酶連接DNA分子形成重組DNA分子。圖4所示為先用EcoRI限制酶切割，再用E·coliDNA連接酶連接形成重組質粒。圖5為先用AluⅠ限制酶切割后，再用T4DNA連接酶連接形成重組質粒。

注意安全使用剪刀。

7 討論與體會

本模擬操作是一次非常有益的教學嘗試，它將微觀的過程直觀呈現出來，有利于學生深入理解基因工程的原理。

7.1 教學材料的改進與準備

不少教材選用的是兩種顏色（如綠色和粉紅色）的等寬硬紙板，然后讓學生在硬紙板上依次等距離寫上字母（字母要清晰、工整）。由于學生用筆所寫的字母根本不可能大小一致，所以堿基要實現互補配對就比較難。因此，做出的紙帶也就缺乏科學性和可行性。為此做如下改進：

將“硬紙板”改為“A4紙”，同時將“綠色和粉紅色”改為“白色和紅色”。因為硬紙板比較難打印，而A4紙打印非常方便。為了節約起見，含有目的基因的片段采用白色紙油印的方式，質粒采用紅色紙打印。

重新設計DNA片段。不少教材中設計的DNA片段只有1個酶切位點，不能切割出兩端具有黏性末端的DNA片段，也不能被多種限制酶所識別切割，為此作如下改進。教師需要預先將模擬的DNA片段放大成小二字號，另外在字母的外側各加上一條黑線代表DNA分子的基本骨架。用白色A4紙一頁（橫向）打印4條帶有目的基因的DNA分子，用紅色A4紙一頁（縱向）打印6條質粒DNA分子（圖6），然后裁成等寬的紙條即可。這樣既可降低實驗操作的難度，也減輕了學生的負擔。

改進工具，將教材中的“透明膠帶”改為“深色的膠帶”，如“藍色或綠色膠帶”。當教師把學生所得的實驗結果用實物投影儀進行投影時，若學生用“透明膠帶”，所粘貼的位置顯示不出來，學生所粘貼的位置是否正確也就很難看清楚，教學效果比較差。改用“藍色或綠色膠帶”后，投影效果就非常明顯了。

7.2 組織教學策略

教師可根據學生的情況，采用不同的方式實施上述實驗。如果學生自學能力比較強，教師可將該實驗任務課前交給學生，然后指導學生閱讀教材和實驗指導后，課后合作完成；課上學生交流匯報實驗結果，分析模擬操作。如果學生主動學習能力不是很強，實驗可在學習基因工程操作的基本工具時同時進行，學生邊做邊學。

教師依據模擬實驗的操作情況，可以提出以下問題供學生思考與討論：

解釋模型，把制備重組DNA分子的實際步驟和模擬實驗中的各個步驟聯系起來，思考模型中各個術語所對應的步驟或物體，完成表1。

用剪刀剪切目的基因和用限制性核酸內切酶剪切有什么區別？（限制性核酸內切酶能自己識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷裂。而模擬實驗中的剪刀除了模擬剪切磷酸二酯鍵外，還剪切了DNA雙鏈堿基之間的氫鍵。）

在實驗中，你所用的限制酶和DNA連接酶分別是什么？切割兩種DNA分子你使用了同一種限制性核酸內切酶嗎？為什么？（學生根據所選擇的限制酶和DNA連接酶的實際情況填寫。切割兩種DNA分子需要使用同一種限制性核酸內切酶，因為使用同一種限制性內切酶產生同樣的黏性末端，才能連接成重組DNA分子。）

DNA連接酶的作用是什么？檢查你所制作的重組DNA，DNA連接酶的作用是否表示正確？（DNA連接酶的作用是恢復被限制酶切開的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵。檢查模型中DNA連接酶的作用是否表示正確，主要是要看膠帶粘貼的位置。）

7.3 實驗評價

本實驗注重實驗操作過程的評價，小組之間可以相互比較，也可利用投影展示各組實驗的結果，從以下幾方面進行評價。

7.3.1 是否正確“識別”特定的核苷酸序列

根據所選的限制性核酸內切酶的特點，在含有目的基因的片段和質粒上找出其特定的核苷酸序列，畫虛線表示中心軸線的位置，畫箭頭（“↓”和“↑”）標注酶切位點。

7.3.2 是否完成對目的基因和質粒的“切割”

用剪刀正確地“切割”DNA，從而獲得目的基因和質粒片段。

7.3.3 是否進行正確的“拼接”

檢查實驗結果，主要看膠帶粘貼的位置，判斷DNA連接酶的作用是否表示正確。

為了檢驗這一模擬實驗的效果，可用兩個同等程度的班級進行對照實驗，然后用同樣的習題進行后測，比較實驗班與對照班的正確率。

實踐證明，采用模擬實驗的班級，對基因工程中限制性核酸內切酶和DNA連接酶的作用理解得更為深入，學習效果更好。

參考文獻：

[1] 蔣丹.“重組DNA分子的模擬操作”實驗的優化教學設計[J].生物學教學，2011，36（8）.

[2] 林維哆.“重組DNA分子的模擬操作”實驗的改進[J].教學儀器與實驗，2006，22（10）.