肽聚糖的生物合成虛擬仿真實驗設計及實踐

鄧云霞, 王 露, 楊雪霞, 曹張軍, 張興群

(東華大學 生物與醫學工程學院, 上海 201620)

由虛擬實驗臺、虛擬實驗材料庫和開放式實驗室管理系統等核心要素構成的虛擬仿真實驗平臺為在虛擬實驗條件下開展各種教學實驗項目提供了交互性能良好的實驗環境,使學生可不受時間和空間限制操作平臺內各虛擬實驗的設備及對象,實現了拓展課堂教學內容、提升實驗教學質量的目的[1]。同時,線上虛擬仿真實驗教學項目融合實驗項目、計算機系統和信息、網絡通信等技術,實現開放式教學,這符合新時代中國特色高等教育發展對于教育數字化的建設要求[2-3]。學生可以不受時間、空間、成本、安全性等因素限制,在逼真的實驗環境中在線完成全部實驗操作。

微生物結構大分子肽聚糖是大多數原核微生物細胞壁特有的具有重要生理功能的大分子聚合物[4-8]。肽聚糖也是許多重要抗生素的作用靶點和引起抗生素針對微生物毒力呈現強大選擇性的原因[9]。與肽聚糖合成相關的酶分子、基因等均是生命科學領域的研究熱點[10-15]。肽聚糖合成過程包括 “三階段”即二十余步反應,相關反應依次發生在細胞質、細胞膜內部和細胞膜外“三空間”。但肽聚糖合成過程的步驟多,參與反應的底物、酶分子及發生場所復雜,是教學的重點和難點。傳統教學過程中,學生只能根據教材和圖片對相關知識進行平面認知,這樣不利于學生想象力和創造力的培養。因此,以聲圖并茂、虛實結合方式構建基于虛擬仿真實驗平臺的微生物結構大分子肽聚糖生物合成實驗項目,將微觀世界的反應直觀地展現在虛擬實驗中,與抽象世界建立鏈接,提高了實驗教學效果,優化并拓展了實驗教學資源。此外,該項目還通過多視點、多感官過程增強了學生研究式學習的興趣,提升了學生自主學習的積極性,也有助于學生實踐能力、創新能力和科學素養的培養。

一、教學目標與設計思路

1.教學目標

(1)理論知識方面的目標:學生借助虛擬仿真實驗的直觀學習,可以深刻理解并掌握肽聚糖合成的三個階段的全部知識點。

(2)實踐創新能力方面的目標:通過對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌細胞壁結構差異及多種抗生素作用機理的深入學習,引導學生思考濫用抗生素的危害和抗超級病原菌藥物研發的切入點,以拓展學生視野、提高學生創新能力。

(3)素質培養方面的目標:虛擬仿真實驗以微觀世界的生物化學反應為實驗對象,使學生在獲取知識的同時,激發其自身學習熱情,強化其團隊意識和合作能力。

2.設計思路

“微生物學實驗”是生物學專業的一門基礎實驗課程,在提升學生的專業認識、專業素養、動手能力以及強化基礎理論的學習上起重要的作用。“微生物學實驗”課程主要是配合理論課程的教學內容,結合學校自身的條件開始相關實驗。實驗具有常規性、可操作性和直觀性的特點:(1)所需的實驗設備和裝置簡單、易于操作,一般的學校實驗室都具有開設條件;(2)學生進行實驗操作方便,沒有安全風險;(3)實驗后結果立即可見。但有些課程內容因過程復雜或材料難得,很難在常規的實驗中開展,這就使得目前的“微生物學實驗”內容有很大的局限性。如微生物細胞壁結構成分肽聚糖是大部分原核微生物細胞壁的特有成分,在維持細胞的形態及存活、物質交換、耐藥性、抗原性等方面發揮重要作用,也是青霉素、萬古霉素、環絲氨酸和桿菌肽等重要抗生素的作用靶點。肽聚糖結構復雜,合成步驟為Park核苷酸合成、肽聚糖單體合成、多糖鏈的伸長和交聯3個階段。參與肽聚糖合成的底物和酶分子復雜[7-9],是“微生物學”的重要內容之一,而且其生物化學反應通過常規的實驗是無法實現的。

在不斷加強理論教學水平和提高教學效果的前提下,強化實踐教學是近幾年“微生物學”課程改革的關鍵。傳統的“微生物學實驗”課程是以實驗室為平臺來完成,如果沒有實驗室和相應的儀器設備等,課程是無法完成的。全球新冠疫情的暴發,導致部分學生不能在實驗室開展實驗,針對這一問題,“微生物學實驗”課程實施了線下線上混合式教學。網上虛擬仿真實驗不僅可以彌補遠程教育和不能現場實驗的不足,還能較好地幫助老師和學生完成教與學的任務。

為了生動還原微生物細胞內重要結構大分子肽聚糖的生物合成反應,本研究設計通過三維虛擬仿真技術,從宏觀角度使用Blender建模軟件將抽象的分子轉化為簡易的可視化三維對象,從微觀角度利用Chem3D專業繪圖工具繪制三維結構式,再將其生成大分子的3D模型;最后通過Unity引擎渲染微生物分子,將抽象的微生物理論知識通過三維可視化交互轉變。虛擬元素涉及實驗所需的場所細胞層面細胞質、細胞膜磷脂雙分子層,以及所有生物化學反應所需要的底物分子、酶分子、相應產物的仿真等。以細胞質階段合成Park核苷酸為例,主要涉及葡萄糖、己糖激酶、果糖-6-磷酸、磷酸己糖異構酶、葡萄胺-6-磷酸合酶、氨基葡萄糖-6-磷酸乙酰轉移酶、磷酸葡糖胺變位酶、1-磷酸-N-乙酰葡糖胺、三磷酸尿苷、UDP-N-乙酰葡糖胺、磷酸烯醇式丙酮酸、UDP-N-乙酰胞壁酸等約45種底物分子、酶分子及相應產物的仿真。在高度仿真的虛擬實驗環境中,通過人機交互使學生完整地在線完成肽聚糖生物合成各個階段的實驗操作。

二、在線教學平臺的構建及實施

1.虛擬仿真教學平臺的構建

肽聚糖生物合成虛擬仿真實驗平臺內容由項目簡介、虛擬仿真資源、實驗報告、學習記錄、綜合成績五部分組成。項目簡介部分含有項目介紹、教學申報視頻和引導視頻(圖1),其中:教學申報視頻重點介紹虛擬仿真實驗課程的整體情況,包括實驗特色、技術手段及未來規劃等;教學引導視頻主要介紹虛擬仿真實驗課程的基本情況,包括實驗名稱、實驗目的、實驗原理、實驗內容、實驗步驟等,便于使用者通過引導視頻自主開展實驗。

圖1 教學申報視頻、引導視頻截圖

虛擬仿真資源部分可通過賬號進入實驗平臺,選擇“學習模式”(不計算成績、不生成實驗報告)或“考核模式”進入實驗操作。肽聚糖生物合成虛擬仿真實驗共有21個交互性操作步驟,其中包括10個選擇題(從題庫隨機抽取)。交互步驟涉及生物化學反應,抗生素的作用位點、作用方式原理及交互,革蘭陰性和革蘭陽性菌細胞壁差異及相關知識點測試等。

學習記錄部分可查看學生的學習時間、次數、分數,了解學生的學習情況及其對知識的掌握情況。綜合成績可得到學生的最終實驗成績,并作為考核的一項指標。實驗結束后形成實驗報告,實驗報告會對每一步驟進行評分,以便教師根據報告查看學生掌握情況。

2.實驗教學過程

學生進行虛擬仿真實驗操作前,教師可現場進行實驗原理、軟件操作培訓,指導學生在虛擬平臺上自主完成實驗原理、實驗操作、項目介紹、教學引導視頻學習;實驗系統會對每個階段的實驗結果進行自動評價,包括肽聚糖合成細胞質階段、細胞膜階段、細胞膜外階段,且由題庫自動生成測試題目,同時結合實驗報告等進行總體實驗評價。系統會根據預設的實驗步驟和標準進行評判,實時提示用戶錯誤的實驗操作和實驗結果,并給出正確建議,幫助學生發現并糾正錯誤。在此過程中,在線教學團隊需提供課前、課中、課后在線答疑;系統自動記錄學生上課、操作情況、已服務學生人次數等。

學生按照虛擬實驗項目中的要求逐步完成虛擬仿真實驗。在教師端,教師可實時在線監測學生的實驗進度及其對應知識的掌握情況,并根據實驗報告系統評估學生的實驗完成效率和完成效果。另外,軟件還可統計實驗項目的社會服務效果,評價實驗項目的示范性和實用效果。

學生也可以根據自身的掌握情況,自主安排時間在虛擬軟件上學習訓練,將學過的理論知識與實踐操作訓練融會貫通,達到切實掌握相關知識的目的。在訓練過程中,學生的實踐能力、科研素養、自我學習能力得到很大提升,教師的實驗教學效果也大大提高。

3.實驗方法

虛擬仿真實驗以細胞質、細胞膜為化學反應場所,通過選擇合適的底物和酶分子不斷生成產物。進入實驗系統界面后,學生可根據提示查看實驗目的、實驗原理、參考文獻等。實驗過程有具體的步驟引導及操作注意事項提示,具體每步實驗操作的結果都被記錄。若選錯或少選底物和酶分子,反應都無法進行。如,選擇N-乙酰葡糖胺-1-磷酸、UDP-N-乙酰焦磷酸化酶,無法生成N-乙酰葡糖胺-UDP、焦磷酸,系統則會扣除相應的實驗分數,每一步操作正確則會生成正確的產物,最終合成完整的細胞壁。十一異戊二烯-PP-二糖-五肽的合成需要先合成D-丙氨酰-D-丙氨酸、Park核苷酸等底物分子,如圖2所示。學生選擇相應的底物、酶分子生成相應的產物,可同時展示其三維分子結構(可放大、旋轉)。

圖2 十一異戊二烯-PP-二糖-五肽的合成過程及三維分子結構

抗生素的作用位點交互實驗操作如圖3所示,包括環絲氨酸、糖肽抗生素萬古霉素、桿菌肽、β-內酰胺類抗生素青霉素。學生在操作時,選擇相應的底物、酶分子,反應正常進行;選擇抗生素物質,則反應終止。

圖3 4種抗生素的作用位點及交互

細胞壁的交聯過程如圖4所示。由圖4可知:由焦磷酸類脂載體運來的雙糖肽插入細胞壁生長點,作為引物的肽聚糖骨架(至少含6～8個肽聚糖單體分子),通過轉糖基作用使多糖鏈延伸一個雙糖單位;通過轉肽酶的轉肽作用使相鄰多糖鏈交聯-轉肽時產生D-丙氨酰-D-丙氨酸間的肽鏈斷裂,釋放出1個D-丙氨酰殘基,倒數第二個D-丙氨酸的游離羧基與相鄰甘氨酸五肽的游離氨基間形成肽鍵,從而實現交聯。反應所用到的化合物結構復雜,用文字描述則學生難于理解、想象,但人機交互操作可展現細胞壁交聯的立體過程,反應中用到的物質結構、反應位點更容易被學生理解和掌握。

圖4 細胞壁的交聯過程

4.教學效果

本研究構建的虛擬仿真實驗知識系統科學,仿真資源配置合理全面。學生通過Park核苷酸的合成過程,掌握肽聚糖單體合成過程中重要的底物分子、酶分子及抗生素環絲氨酸的作用位點和方式;通過十一異戊二烯的循環,掌握肽聚糖亞單位、五肽鏈的生成及抗生素桿菌肽的作用位點和方式;通過多糖鏈的伸長和交聯,掌握肽橋的生成、轉糖基轉肽作用及抗生素萬古霉素/青霉素等的作用位點和方式。此外,在開展實驗過程中,學生可對實驗過程中遇到的問題進行討論,也可根據實驗情況開展多次操作練習,并對實驗教學效果給出一致好評。這不僅為“微生物學實驗”課程教學提供了一個很好的實訓平臺,有利于學生專業實踐能力得到進一步提升,更為以后拓展虛擬仿真實驗內容、建設更全面的“微生物學”虛擬仿真實驗教學系統奠定了堅實的基礎。

三、實驗特色與創新

(1)本研究項目把不可能在實驗室完成的實驗變為可能,將微觀世界的反應在虛擬實驗中實現,解決了特殊實驗在普通教學實驗室無法實現的問題。特別是針對微生物細胞壁結構中大分子肽聚糖合成復雜且難以開展實驗的情況,將肽聚糖的生物合成過程通過虛擬仿真實驗形式轉化為教學資源。這不僅克服了傳統實驗課堂教學因場地、設備、成本、安全性等限制而“做不到、做不好、做不了、做不上”的問題,還較好地完成了實驗教學,強化了學生對相應知識點的理解。

(2)本研究突破了“微生物學實驗”只能在線下實驗室開展的局限性,拓寬了“微生物學實驗”教學的形式。通過模擬仿真實驗,學生可以借助網絡開展實驗,且實驗的操作不局限于具體的時間、地點,保證了實驗教學的正常開展。

(3)本研究把新的技術手段引入實驗教學,有利于培養學生的創新精神和創新意識。學生在一門課程中不但體驗了不同的教學方式,而且體驗了技術進步帶來的便捷性。這更有利于學生創新思維的形成。

四、結語

肽聚糖的生物合成虛擬仿真實驗可以作為“微生物學實驗”“生物化學實驗”等基礎實驗課的拓展內容,與其他在實驗室中完成的實驗相互補充,最大程度地發揮了綜合性實驗在培養學生創新能力中的作用。本虛擬仿真實驗研究注重相關知識的嚴密性、系統性、完整性和邏輯性,強調相關知識的實用性和時效性,注重思辨內省與實證外求、整體綜合與部分分析、目標結果與過程方法的統一。同時,其形式上有利于學生主動求知,實現了由“以教為主”向“以學為主”、由以“知識傳授為主”向“能力培養為主”的轉變,有利于推動雙一流背景下高校實驗教學的開放共享。