開放性基礎醫學實驗教學促進醫學生專業能力的培養——以適應性進化技術改造有機磷降解菌為例

辛暨麗 楊丹聃 張連芝 張紅 薛百功

(1吉林大學基礎醫學院，吉林 長春 130021；2吉林大學第一醫院眼科)

以學生發展為中心，通過教學改革促進學習革命，開放性實驗教學是高校素質教育深化改革的重要課題〔1〕。進化生物學在很多領域有效地解決了當今重大疑難疾病治療的世界性難題，其廣泛地利用相鄰學科的成就，在技術方法上是博采眾長，因此十分適宜開放性實驗教學〔2〕。讓學生在教師的指導下閱讀文獻、獨立設計實驗、操作實驗、分析實驗結果，幫助學生掌握科研技能，進而形成嚴謹的科學思維〔3〕。

1 實驗方案的確定

在微生物進化過程中，選擇壓力的存在可以保證微生物在與選擇壓力的相互作用下，菌種的隨機變異實現定向淘汰，與環境相適應的基因型得以保存，特別是在人工選育過程中，通過人工施加定向的選擇壓力，使微生物沿著所需的方向的進化，從而獲得目標性狀的菌種。目前實驗室最常用的適應進化方法是在特定條件(給予選擇壓力)下將微生物連續傳代培養，通過菌株自發突變的不斷富集，獲得適應特定條件的表型或生理性能。本實驗預期將改良具有降解農藥的菌株，以期獲得降解能力更強的菌株。適應性進化又稱定向進化“實驗室進化或馴化”，是目前備受矚目的菌種改良技術，能夠使菌株在較短的時間內有效地改變菌株的某些表型或生理特性(如菌體生長速度，底物消耗速度，耐受高溫 高低pH值及不同有機溶劑等)，并且基本不會影響除目的表型外的其他優良性狀〔4〕。采用分組制，每組4～5人，共分6～7組，每個小組由組長負責組織組員進行實驗的開展。學生在指導教師的指導下掌握查閱資料、確定實驗計劃、設計實驗、實踐操作、分析解決問題、撰寫論文的能力。

2 實驗儀器及實驗過程

儀器包括超凈工作臺、搖床、培養箱、顯微鏡、分光光度計、滅菌鍋、恒溫干燥箱、恒溫水浴鍋、酸度計、離心機、移液器、培養皿、三角瓶、槍頭、各種培養基所需試劑，顯色試劑、菌種及農藥底物。以泛氧副球菌為出發菌株，以O,O-二甲基-O-(2,2-二氯乙烯基)磷酸酯(DDVP)為底物，添加濃度為最低抑菌濃度，添加時間為菌株的對數生長期，以1%的比例在液體培養基中不斷轉接，直至篩選出降解DDVP最高的菌株為止。①測得菌株最低抑菌濃度：菌株在最低抑菌濃度下，菌株突變率最高。通過測量OD值來確定最低抑菌濃度。隨著DDVP濃度增加，OD值逐漸降低，通過對不同濃度DDVP培養1 d，2 d，3 d，制得OD值與DDVP濃度曲線，3條曲線的第一個交點即為最低抑菌濃度。②菌株的生長曲線測定。OD值和培養時間制得曲線，曲線平緩之前即為最佳轉接時間。③進行傳代培養：加入最低抑菌濃度的DDVP，并且測定DDVP降解率，得出最佳降解率及其所需要傳代時間(或傳代次數)。④篩選：在降解率最高時，進行涂布，平板劃線，單菌落篩選，逐一測定每株菌的DDVP降解率。⑤穩定性的測定：對所得菌種進行連續四至六代培養，隨后測定DDVP降解率。來確定降解率這一特性是否能穩定遺傳。⑥菌種檢測：進行細胞形態觀察，活菌數的測定，菌活力檢測。⑦脅迫條件的改變：在進行到第6步后，將得到的優良菌種接種在新培養基中。培養基除DDVP濃度增加，其余條件不變。⑧重復④～⑦步驟。直到篩選出能夠耐受最高DDVP濃度的菌株。⑨基因組測序分析。開放性實驗結果的評價。

3 效 果

在本實驗中學生掌握了①設計適應性進化的環境條件；②掌握微生物降解磷的檢測方法；③掌握對進化微生物的鑒定檢測方法；④分析原始菌株和進化后菌株的比較分析。試驗后各組需提交實驗記錄和分析報告，總結實驗中的收獲及存在的問題，指導教師根據反饋意見改進實驗。

綜上，我國高校人才培養重要目標之一是培養創新型人才,推動探究式學習，提高學生分析解決問題的能力，開放型實驗為學生提供了一個開放、自由的實驗環境，培養了學生的創新能力、實踐能力和科學素養。本實驗融合了細胞生物學、生物化學、微生物學等多學科的原理和操作技術，切實提高學生的實驗素質和實操能力,培養學生創造性的科學思維和嚴謹的學習態度,最大限度地利用實驗室資源,充分發揮實驗室在實施素質教育中的重要作用,使其更好地為學生服務。