應(yīng)用型生物工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐

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摘要：生物工程綜合實(shí)驗(yàn)是生物工程專業(yè)的一門重要的綜合性實(shí)驗(yàn)課程。根據(jù)學(xué)院實(shí)際情況，構(gòu)建了以米曲霉蛋白酶基因的克隆表達(dá)、發(fā)酵、純化及其應(yīng)用為主線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)安排、成績評定和教學(xué)效果等進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，并且取得了較理想的教學(xué)效果，可為同類地方院校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞：生物工程專業(yè)；綜合實(shí)驗(yàn)課程；教學(xué)實(shí)踐

一、開設(shè)生物工程本科專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程的意義

學(xué)院根據(jù)教育部2012年出版的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》，以及教育部高等學(xué)校生物科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會的《生物工程專業(yè)規(guī)范》，將基因工程、生物分離工程、酶工程、微生物學(xué)、分子生物學(xué)、發(fā)酵工程和生物工程設(shè)備等課程作為專業(yè)核心課程［3-4］。這些專業(yè)核心課程以理論教學(xué)為主，部分課程也開設(shè)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課。由于生物工程專業(yè)開設(shè)的課程較多，涉及領(lǐng)域較廣，致使核心課程的授課學(xué)時受到限制，相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程以基礎(chǔ)性或者驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主，涉及綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少［5-6］。實(shí)驗(yàn)課程采用常規(guī)教學(xué)模式，即學(xué)生課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、步驟方法等，實(shí)驗(yàn)員將實(shí)驗(yàn)所有藥品和試劑準(zhǔn)備好，授課過程中，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)教材的實(shí)驗(yàn)步驟“照單抓藥”式地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容［7］。這種教學(xué)模式有利于學(xué)生掌握基本操作技能與方法，突出單一知識點(diǎn)，但是調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性較差，不利于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的全面理解與應(yīng)用，較難將所學(xué)知識全面融會貫通。為了達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)院目前專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)現(xiàn)狀，針對生物工程專業(yè)開設(shè)了“生物工程綜合實(shí)驗(yàn)”課程。該課程符合廣東省部分生物工程類企業(yè)對基因工程、生物反應(yīng)器、分離純化等基本的操作技能要求，該課程將多門專業(yè)核心課程的基礎(chǔ)理論和操作技能有機(jī)地融為一體，促進(jìn)了學(xué)生對現(xiàn)代生物技術(shù)技能的理解和掌握，同時使學(xué)生具有了團(tuán)隊(duì)合作精神，獨(dú)立思考完成實(shí)驗(yàn)的能力，具備初步的科學(xué)研究思維意識和科研能力。

二、米曲霉蛋白酶基因的克隆表達(dá)、發(fā)酵、純化及其應(yīng)用的綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)模式

綜合性實(shí)驗(yàn)是將基礎(chǔ)理論知識點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)操作基本技能進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，由多個具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)的小實(shí)驗(yàn)組成，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中必須認(rèn)真做好每個小實(shí)驗(yàn)，然后將所有小實(shí)驗(yàn)結(jié)果有機(jī)串聯(lián)在一起，達(dá)到生產(chǎn)出具體產(chǎn)品或者解決具體問題的目的［8-9］。為了讓生物工程綜合實(shí)驗(yàn)課程達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)，盡量做到將專業(yè)核心課程的基本理論和基本操作技能有機(jī)融合，因此，選取了米曲霉蛋白酶基因的克隆表達(dá)、發(fā)酵、純化及其應(yīng)用作為綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。由于蛋白酶是一類非常重要的工業(yè)用酶，占有全世界工業(yè)用酶至少60%以上份額，堿性蛋白酶又占總蛋白酶的一半以上，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化工和皮革等行業(yè)；而當(dāng)前商品化的堿性蛋白酶主要來源于細(xì)菌，來源于真菌的較少，從真菌中開發(fā)蛋白酶也就引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。米曲霉是我國傳統(tǒng)發(fā)酵食品中重要微生物菌種，該菌產(chǎn)生的蛋白酶對大豆蛋白具有較強(qiáng)的水解作用，對大豆水解物中脫苦味和獨(dú)特風(fēng)味具有非常重要的作用［10］。

（一）生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要由表1中2.1的“米曲霉堿性蛋白酶基因的序列分析及表達(dá)引物的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組成，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用BioEdit7.0序列軟件查看米曲霉堿性蛋白酶的基因序列及其編碼的氨基酸序列，利用GenBank數(shù)據(jù)庫的Blast程序?qū)Φ鞍酌富虻男蛄蟹治?，預(yù)測其信號肽、前導(dǎo)肽和成熟肽序列，利用Oligo7.0軟件對表達(dá)引物的設(shè)計(jì)，學(xué)會在引物上添加限制性內(nèi)切酶位點(diǎn)及保護(hù)堿基，以便在下一步實(shí)驗(yàn)中獲得的PCR產(chǎn)物并順利酶切。

（二）基因工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K

基因工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K是整個綜合實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，主要由實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4的內(nèi)容組成，該部分主要是對目的基因的PCR擴(kuò)增、純化和酶切，然后將目的基因連接至提取出的質(zhì)粒上，獲得重組表達(dá)載體，通過電轉(zhuǎn)化將該載體整合到畢赤酵母基因組上，對畢赤酵母轉(zhuǎn)化子基因組的提取，采用基因組PCR技術(shù)鑒定目的基因整合結(jié)果，通過一系列的基因工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)，讓學(xué)生加深對基因工程基本理論的理解，以及對基因工程常規(guī)操作技術(shù)具有熟練的掌握。

（三）發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K

發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要是由實(shí)驗(yàn)5組成，利用基因工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)建的工程菌株，分別在三角瓶和發(fā)酵罐中進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)。在三角瓶中發(fā)酵采用500mL三角瓶裝液量為100mL；而在發(fā)酵罐中，采用逐步擴(kuò)大培養(yǎng)方式，即用多個500mL三角瓶活化菌株后，接種到10L發(fā)酵罐中擴(kuò)大培養(yǎng)，再接種至100L發(fā)酵罐中進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)K讓學(xué)生認(rèn)識到，采用不同的生物反應(yīng)器培養(yǎng)，菌株的生長、產(chǎn)酶能力等都具有顯著的差異，通過理解發(fā)酵曲線（pH曲線、溶氧曲線、溫度曲線、補(bǔ)料曲線和攪拌速率曲線等）來判斷發(fā)酵罐中菌體的生長情況。

（四）生物分離工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K

生物分離工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要由實(shí)驗(yàn)6和實(shí)驗(yàn)8組成。本實(shí)驗(yàn)?zāi)K利用板框過濾技術(shù)或離心技術(shù)將菌體與發(fā)酵液進(jìn)行分離，對發(fā)酵液中的重組蛋白酶采用膜分離技術(shù)進(jìn)行濃縮，對濃縮后的發(fā)酵液采用硫酸銨鹽析、溶解透析獲得粗酶液。對大豆肽飲料采取等電點(diǎn)沉淀法去除未溶解的大豆分離蛋白，采用膜分離技術(shù)對其濃縮，提高大豆肽飲料中活性肽的含量。通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)K讓學(xué)生理解生物產(chǎn)品分離中發(fā)酵液的預(yù)處理、沉淀分離、膜分離、生物產(chǎn)品的濃縮等原理及基本技能。

（五）酶工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K

酶工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K由實(shí)驗(yàn)7和實(shí)驗(yàn)8組成。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K使學(xué)生認(rèn)識到采用基因工程技術(shù)和發(fā)酵技術(shù)獲得蛋白酶，是目前制備酶制劑的重要方式之一。通過對重組酶的基本酶學(xué)性質(zhì)的測定，獲得的最適合溫度、最適合pH等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指導(dǎo)對大豆分離蛋白的水解，并制備出活性肽飲料。讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中理解酶學(xué)性質(zhì)測定的重要性，以及了解蛋白酶在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

三、綜合實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐

（一）課程安排

開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生已完成微生物學(xué)、分子生物、生物化學(xué)、生物工程設(shè)備、基因工程等課程的學(xué)習(xí)，因此，該課程安排在大學(xué)三年級的第二學(xué)期，采用集中授課的方式，共計(jì)80學(xué)時，全天候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)的連貫性和完整性。

（二）實(shí)驗(yàn)分組情況

在實(shí)驗(yàn)課程中，常常由于學(xué)生分工不明確，試劑、藥品和設(shè)備等數(shù)量的不足導(dǎo)致整個實(shí)驗(yàn)課程嘈雜、教學(xué)秩序混亂，因此，本課程將3~4名學(xué)生分為一個小組，將常規(guī)的設(shè)備、試劑和藥品（如移液槍、三角瓶、燒杯、瓊脂粉等）分配到每個小組，由小組支配使用管理，直到本課程實(shí)驗(yàn)全部完成后再歸還實(shí)驗(yàn)室。

（三）課堂的組織教學(xué)

本課程采用學(xué)院的自編教材《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》，要求學(xué)生課前認(rèn)真預(yù)習(xí)，理解實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、注意事項(xiàng)等各個方面。每次實(shí)驗(yàn)之前，任課教師對本次實(shí)驗(yàn)的小實(shí)驗(yàn)組成、實(shí)驗(yàn)原理、小實(shí)驗(yàn)間的關(guān)聯(lián)，可能會出現(xiàn)的問題、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測等方面均要向?qū)W生詳細(xì)講授，使學(xué)生理解本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生根據(jù)自己對實(shí)驗(yàn)教材的預(yù)習(xí)情況，結(jié)合教師對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講授，小組內(nèi)學(xué)生之間相互討論，形成本小組的具體實(shí)驗(yàn)方案后，才能動手做實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生是實(shí)驗(yàn)操作的主體，要求學(xué)生必須全程參與所有的實(shí)驗(yàn)操作，即每個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都由學(xué)生自己完成，如培養(yǎng)基的制備、各種試劑溶液的配制等。指導(dǎo)教師主要是指導(dǎo)和監(jiān)督學(xué)生動手操作，及時糾正學(xué)生的錯誤操作，對學(xué)生每一階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)與分析，針對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)和現(xiàn)象要進(jìn)行重點(diǎn)講解分析，這對擴(kuò)展學(xué)生知識、提高學(xué)生解決實(shí)際問題，加深對基本理論知識的理解具有巨大的幫助作用。

（四）考核方法

實(shí)驗(yàn)成績是衡量評定學(xué)生學(xué)習(xí)情況的根本依據(jù)，合理的成績評定方式，對提高學(xué)生對課程的重視程度，增強(qiáng)學(xué)生的積極性和主動性，提高學(xué)生的動手操作技能具有重要的作用［11-12］。本課程的成績評定主要是由3部分組成（考勤和團(tuán)隊(duì)協(xié)作占10%、實(shí)驗(yàn)操作動手能力占20%、實(shí)驗(yàn)報(bào)告占70%）?！翱记诤蛨F(tuán)隊(duì)協(xié)作”部分由小組長牽頭，以及組員間相互監(jiān)督來評定組員的分?jǐn)?shù)?！皩?shí)驗(yàn)操作動手能力”由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生在整個實(shí)驗(yàn)課程中的動手操作能力評定分?jǐn)?shù)。“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”部分由實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式、科學(xué)術(shù)語表述、語句通順情況、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及對結(jié)果的分析等組成，實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式參照學(xué)校學(xué)報(bào)論文的撰寫格式，讓學(xué)生初步掌握論文的寫作規(guī)范，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的表格、圖片等均要求提供原始數(shù)據(jù)和圖片，對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)異常現(xiàn)象必須要有合理的解釋和說明。

四、結(jié)語

本綜合實(shí)驗(yàn)課程是基于學(xué)院科研課題的基礎(chǔ)上形成的教學(xué)性實(shí)驗(yàn)課程，與學(xué)校人才培養(yǎng)的理念和目標(biāo)一致，對應(yīng)用型人才的動手操作技能，同時對學(xué)生的科研思維和科研素質(zhì)等的培養(yǎng)具有重要的作用。該綜合實(shí)驗(yàn)課程已在兩屆學(xué)生（2013級和2014級）進(jìn)行了開設(shè)，得到了學(xué)生的一致好評。由于該課程的每個實(shí)驗(yàn)之間是相互關(guān)聯(lián)的，上一個實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是下一個實(shí)驗(yàn)的材料，這就要求學(xué)生必須重視每一操作步驟和過程，如果出現(xiàn)錯誤，就必須重做，這就要求學(xué)生具備高度的責(zé)任心，每次實(shí)驗(yàn)操作要認(rèn)真負(fù)責(zé)確保成功，無形中提高學(xué)生的動手能力和操作技能；整個實(shí)驗(yàn)是一個連續(xù)性的過程，實(shí)驗(yàn)時間的安排與菌體生長、酶的反應(yīng)時間、實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生人數(shù)等客觀因素相關(guān)，這就要求學(xué)生會合理規(guī)劃和安排實(shí)驗(yàn)時間。在整個實(shí)驗(yàn)過程中由學(xué)生自己動手操作、思考解決問題，讓學(xué)生加深了對理論知識的認(rèn)識、理解和運(yùn)用。據(jù)兩屆學(xué)生的反饋，該實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)對求職或者考研的學(xué)生在面試、學(xué)習(xí)或工作中都具有極大的幫助。但是本課程才開設(shè)兩年，課程中還有較多不足的地方需要進(jìn)一步的完善；同時隨著實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備的進(jìn)一步改善，培養(yǎng)的學(xué)生將更符合當(dāng)今時代對生物工程專業(yè)人才的需求。

作者：柯野 曾松榮 涂智蘋 單位：韶關(guān)學(xué)院英東生命科學(xué)學(xué)院