蛋白質晶體虛擬仿真實驗的建設及應用

顧江新， 侯錫苗

（西北農林科技大學a.資源環境學院；b.生命科學學院，陜西楊凌 712100）

0 引 言

蛋白質是生命活動的主要載體，蛋白質分子的三維結構與其在生命過程中的功能密切相關［1］。蛋白質分子三維結構建模已經成為生命科學的研究前沿，其實驗基礎是高質量蛋白質晶體制備及晶體衍射［2-4］。單個蛋白質分子對X-射線的衍射弱，檢測器無法分辨衍射信號和背景噪聲；蛋白質晶體由大量分子有規則地排列而成，其衍射信號相疊加，可達到被檢測的強度。在獲得衍射因子強度和相位后，通過數學模型反演變換來搭建蛋白質分子的三維模型。

蛋白質分子三維建模是生命科學大類本科生必修課程《結構生物學》的主要教學內容，具有理論復雜、概念抽象和數學公式煩瑣等特點，傳統課堂教學依賴文字描述、圖片和短視頻介紹，造成學生理論與實際脫節、動手能力弱，難以培養學生的實踐創新能力。開展蛋白質晶體實驗教學又面臨以下實際困難：

（1）建設成本高。蛋白質晶體實驗涉及儀器與附件價格昂貴，對存放環境要求苛刻，日常維護開銷高。

（2）存在安全隱患。晶體衍射實驗具有放射源管制、管理負擔重的特點。高校在購置和管理放射源方面存在困難。

（3）持續時間長。蛋白質結晶需要耗時3 ～10 d才能獲取滿意的結果，對課時有限的課堂教學提出了挑戰。

虛擬仿真實驗在解決高成本、高危險和高消耗等方面顯示出巨大優勢［5-7］。其基本思路是通過虛擬現實技術將實驗過程具象化，實現虛擬實驗服務于實驗。目前，針對蛋白質相關研究的虛擬仿真實驗尚不多見［8-9］，亟須開展蛋白質晶體虛擬仿真實驗平臺的建設。

1 虛擬仿真實驗建設思路

1.1 完整再現實驗知識體系

該實驗虛擬仿真平臺的建設完全基于自有科研成果［10-12］，具有高度可行性、真實性和系統性。實驗方案嚴格遵照基本理論，實驗步驟及輸出數據均來源于實際操作。為完整再現實驗知識體系，設置蛋白質結晶條件初篩、結晶條件優化、晶體衍射和結構解析等模塊（見圖1），引導學生循序漸進完成實驗內容的學習及操作。在實驗過程中，有意識地培養學生主動對遇到的科學問題進行分析并提出解決方案，學習和掌握蛋白質晶體研究的基本思路。

圖1 蛋白質晶體實驗知識體系

1.2 教學模式設計

實驗教學按照“線上、線下預習—線上實驗操作—生成報告”3 個環節進行［13-15］。多維度展示實驗原理、方法和步驟，引導學生充分掌握基礎理論知識和基本實驗操作方法。教學模式設計的主要特點：

（1）虛擬與現實結合教學法。系統在實驗進程中推送一些預先準備的實驗結果圖片，使學生沉浸式體驗實驗結果。依據學生設置的晶體初篩條件給出相應的晶體圖片，引導學生分辨晶體的特征、找出晶體存在的問題并著手解決問題。

（2）設置情景教學法。以學生為中心和主體來設計實驗場景，采用人物在虛擬實驗室中作任務的形式，以第1 視角展現實驗對象及其動態變化，激發學生自主學習的積極性。在觀察蛋白質晶體形狀時，學生必須選擇正確的鼠標手勢對顯微鏡進行操作，借此考查學生實驗操作的規范性。

（3）設置問答互動教學法。在實驗的一些關鍵點設置互動問答環節，考查學生對基礎理論知識的掌握程度。對于困難或復雜的實驗步驟，學生可根據自身掌握情況多次重復操作和學習。

1.3 推進過程評價機制建設

本實驗虛擬仿真平臺采用線上系統評定（實驗操作和知識回答）與線下綜合評定（實驗報告）相結合的形式進行，著重體現過程評價機制。線上系統評定主要根據學生的實驗測試和實驗操作表現，考核學生對重點知識的掌握情況和實驗操作的規范性；線下綜合評定由教師通過綜合考查學生實驗報告情況而定，考核學生學習的自主和創新性。

2 實驗虛擬仿真實現

2.1 系統架構

采用B／S 架構，綜合Unity 3D、多媒體和數據庫等技術，構建由數據層、支撐層、服務層、仿真層和應用層組成的系統架構（見圖2）。系統通過數據接口實現實驗操作與實驗管理的有效對接，支持線上測試、評價和統計等功能，具有良好的自主和交互性。

圖2 實驗虛擬仿真系統架構

2.2 開發流程

實驗虛擬仿真平臺的建設依靠專業教師和程序設計人員的充分交流與合作，開發流程主要包括前期準備和軟件開發兩部分（見圖3）。前期準備由專業教師完成，以課程教學大綱、教學目標和教學內容為依據，提供實驗原理、儀器及各部件的圖片與尺寸、儀器工作場景、數據輸出及解釋、考核題庫等素材，編寫和修改設計腳本。設計人員對主程序框架、交互界面以及反饋信息收集等模塊進行設計，使用3Ds Max、Photoshop和MAYA等軟件建模、貼圖，實驗室場景及物體三維模型的表現更接近實物，交互界面使用C 語言編程。程序發布后，還需要對教師進行培訓，并根據師生使用的反饋意見改進和升級。

圖3 實驗虛擬仿真開發流程圖

2.3 實驗模塊的實現

實驗虛擬仿真平臺的建設以實驗為依據，分為晶體初篩、晶體優化、晶體衍射和結構解析等模塊。部分實驗環節展示如圖4 所示。

圖4 蛋白質晶體實驗虛擬仿真部分環節展示

晶體初篩 設置大量的初始條件（沉淀劑、鹽濃度、pH、金屬離子、添加晶種等）進行晶體培養，獲得初篩晶體（往往是微晶或晶形不好的晶體）。

晶體優化 在初篩條件的基礎上，精細設置晶體生長條件，繼續觀察晶體的形狀與大小，得到高質量晶體。

晶體衍射 使用X-射線衍射儀對晶體進行衍射檢測，獲取衍射因子強度和相位。呈現衍射點的動態變化圖像，展示判斷衍射數據質量優劣的標準。

結構解析 介紹CCP4 軟件操作界面，使用該模型進行數據反演，其數學基礎是傅里葉變換及逆變換，通過電子密度空間分布解析和氨基酸填充，最終繪制蛋白質分子三維結構。

3 教學應用及評價

該蛋白質晶體實驗虛擬仿真平臺已投入教學應用。學生可利用電腦、智能手機等終端設備登錄實驗虛擬仿真平臺（https：／ ／xunifangzhen.nwafu.edu.cn／），獲取實驗指導書、熟悉實驗虛擬流程并進行虛擬操作。學生完成實驗并提交實驗報告，教師依據線上、線下成績給出綜合評價。

以2020 級生物科學、生物技術和生物工程專業112 名學生的線上成績為樣本進行實驗教學效果分析。學生初次實驗操作線上成績整體呈偏負態分布，平均值為72.3 分，扣分點主要出現在結晶條件初篩模塊，該模塊使用儀器種類多、實驗步驟煩瑣，對基本操作規范要求高。經過多次操作練習后，線上成績整體滿足正態分布，平均值提升至88.5 分。可見采用虛擬仿真教學模式，學生的實驗操作規范有較大幅度提高，對關鍵知識點的掌握程度也更加扎實，教學效果良好。建議進一步推廣至生物醫學、植物保護和農學等專業人才培養及相關領域的人員培訓。

4 結 語

蛋白質晶體實驗虛擬仿真平臺通過虛擬現實技術實景展現蛋白質結晶及三維結構解析的教學過程。學生通過對結晶條件初篩、條件優化、晶體衍射和結構解析等實驗項目的操作和學習，完成實驗報告。教師通過實驗綜合考查學生的學習過程和實驗報告情況并進行評價。已有的應用情況反映出教學效果良好。該虛擬仿真實驗有助于學生加深對蛋白質晶體研究的認識和理解，對相關專業的實驗教學具有一定的示范作用。