蛋白質(zhì)組學分析儀器在本科實驗教學中的應用與實踐

◆姜麗艷 張艷 張愛軍 杜映達 董洪舉 李正強 高貴

作者：姜麗艷，吉林大學生命科學學院工程師，主要從事實驗教學與大型設備管理工作；張艷、張愛軍、杜映達、董洪舉、李正強、高貴，吉林大學生命科學學院（130012）。

隨著人類基因組計劃的實施和推進，生命科學研究已進入后基因組時代，蛋白質(zhì)組學的研究已經(jīng)成為生命科學研究的主要內(nèi)容之一[1]。蛋白質(zhì)組學是利用各種蛋白質(zhì)組學技術(shù)研究在特定的時間或環(huán)境下細胞或組織的基因組表達的全部蛋白質(zhì)序列和功能。為了擁有更先進的蛋白質(zhì)組學探測技術(shù)和方法，吉林大學生命科學公共技術(shù)平臺在“211工程”的支持下新引進了雙向凝膠電泳儀、近紅外激光成像系統(tǒng)、質(zhì)譜儀、超高效液相色譜、蛋白相互作用系統(tǒng)和X-Ray 晶體衍射儀等蛋白質(zhì)組學分析儀器設備。先進的儀器設備可以提供更多的、更精確的蛋白質(zhì)組學信息，增加科學分析的深度，提高科學研究的質(zhì)量。但由于蛋白質(zhì)組學分析儀器價值昂貴、操作復雜、臺套數(shù)少和維修費用高等特點，致使這些大型儀器在培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新意識、實踐能力等方面沒有發(fā)揮其應有的潛能[2]。

如何提高蛋白質(zhì)組學分析儀器在本科實驗教學中的利用率，實現(xiàn)科研、教學資源的共享，是高等學校急需面對的重要現(xiàn)實課題。本文以吉林大學生命科學學院為例，分析了國內(nèi)大型儀器在本科實驗教學中應用的現(xiàn)狀和存在的主要問題，詳細介紹了蛋白質(zhì)組學分析儀器在本科實驗教學中的應用和實踐效果。

1 蛋白質(zhì)組學分析儀器在開展本科實驗教學中的應用現(xiàn)狀

近年來，隨著教育科研水平質(zhì)量的提高以及國家和地方對高等教育投入的逐年增加，蛋白質(zhì)組學分析儀器作為一種高水平的分析測試工具被越來越多的高校購置[3]。但國內(nèi)高校普遍重視其科研功能的開發(fā)，在本科實驗教學中，很多大型儀器只是以演示教學、軟件操作的虛擬教學和大輪轉(zhuǎn)的現(xiàn)場實驗教學為主[4]，嚴重影響了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，分析其原因主要有以下幾方面。

設備昂貴，運行與維修經(jīng)費有限 蛋白質(zhì)組學作為功能基因組學的重要支柱，已經(jīng)成為新世紀生命科學研究領(lǐng)域的熱門課題。蛋白質(zhì)組學分析儀器均為國外最新研制設備，配備最前沿分析技術(shù)，購置成本昂貴。如雙向凝膠電泳儀、超高效液相、近紅外激光成像和蛋白相互作用系統(tǒng)價值均為數(shù)十萬人民幣，飛行時間質(zhì)譜儀和X-Ray 晶體衍射儀價值甚至達數(shù)百萬人民幣。這些進口設備測試精密度高，維護、維修成本更高，遠遠超出本科實驗教學經(jīng)費的承擔能力。而且如果在本科教學使用過程中損壞了這些儀器，就直接影響到科研工作的順利進展，所以傳統(tǒng)的教學方式即將此 類大型儀器設備只面向研究生科研工作開放使用，很少應用于本科實驗教學中，影響了本科生實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，同時也降低了大型儀器設備的共享使用率[5]。

機時緊張，數(shù)據(jù)分析和處理周期長 由于蛋白質(zhì)組學分析儀器均為“高、精、尖”設備，多數(shù)高校僅有單臺（套）或幾臺（套）儀器，原本 科研需求 量就很大，再加之本科實驗教學的學生人數(shù)多，致使在時間和場地上都很難滿足本科實驗教學的開課要求。而且像飛行時間質(zhì)譜儀和X-Ray晶體衍射儀需要較長的樣品準備和數(shù)據(jù)處理時間，需要占用大量的機時，無形中延長了實驗教學的周期，不僅增加了教師的工作量，而且長時間的等待也會影響本科實驗教學進度的正常進行。面對這些實際問題，很多高校將相關(guān)的實驗項目演變?yōu)橛^摩性實驗或演示性實驗，致使學生對大型儀器設備產(chǎn)生疏遠和恐懼心理，嚴重影響了大型儀器設備在本科實驗教學中的潛能發(fā)揮[6-8]。

樣品制備困難，儀器操作程序復雜 蛋白質(zhì)組學分析儀器對樣品的質(zhì)量具有很嚴格的要求。如飛行時間質(zhì)譜儀要求樣品純度為90%以上，測試前樣品要進行嚴格的除鹽和除雜處理；X-Ray 晶體衍射儀分析的對象是一粒蛋白質(zhì)晶體，而且蛋白質(zhì)的結(jié)晶過程要求較高水平的實驗操作和技巧。另外，蛋白質(zhì)組學相關(guān)設備的測試和分析軟件都是英文版本的，學習和掌握需要經(jīng)歷很長的熟悉和練習過程。樣品制備的繁瑣過程和儀器操作程序的復雜，無形中限制了蛋白質(zhì)組學分析儀器在本科實驗教學中的應用，更限制了優(yōu)質(zhì)資源的共享使用。

2 蛋白質(zhì)組學分析儀器在生命科學實驗教學中的應用

為了充分發(fā)揮大型儀器設備在本科實驗教學中的應用潛能，吉林大學生命科學學院依托國家級生物實驗教學中心和生命科學公共技術(shù)平臺，努力克服實際困難，為本科生開展了不同層次的大型儀器認知和應用實驗課程。將大型儀器有計劃地融入和貫穿到本科實驗教學中，不但激發(fā)了學生的原始創(chuàng)新意識，而且提高了學生的專業(yè)技能，為科研和就業(yè)打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

開展認知實訓實驗，激發(fā)學生實驗創(chuàng)新意識 為了激發(fā)學生的實驗創(chuàng)新意識，拓寬實驗視野，吉林大學生命科學學院為本科一年級學生開展了大型儀器設備的認知和實訓課程。其中，蛋白質(zhì)組學分析儀器也按照學習的層次和難度，循序漸進地被引入，鼓勵學生進入實驗室與雙向凝膠電泳儀、近紅外激光成像系統(tǒng)和質(zhì)譜儀等大型儀器設備進行零距離的接觸，消除學生對貴重儀器的陌生感，讓學生初步了解這些儀器的功能和用途。如利用雙向凝膠電泳儀、近紅外激光成像系統(tǒng)可以在整個基因組水平上檢測蛋白質(zhì)表達和分離情況，利用質(zhì)譜儀可以完成蛋白質(zhì)的鑒定，通過X-射線晶體衍射儀來獲得蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)等。再根據(jù)學生的知識背景逐漸向?qū)W生介紹蛋白質(zhì)組學分析儀器的操作方法和樣品準備，使學生對這類儀器有一個全面的認知，根據(jù)情況還可以延伸介紹相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)。待時機成熟時，指導教師設置實驗工藝路線，按照每組輪訓的方式為學生開展專業(yè)的上機實訓實驗，讓學生體會理論知識的實際應用。

通過開展蛋白質(zhì)組學分析儀器的認知和實訓課程，不僅能讓學生了解蛋白質(zhì)組學相關(guān)儀器的功能、用途和基本操作技術(shù)，而且能讓學生感覺到蛋白質(zhì)組學的神奇，激發(fā)學生學習蛋白質(zhì)組學的興趣，為后續(xù)的專業(yè)實驗夯實技術(shù)基礎(chǔ)。

延伸實驗教學項目，拓展專業(yè)知識和技能 為了有效培養(yǎng)本科生的實踐能力和創(chuàng)新精神，吉林大學生命科學學院在本科二年級生物化學基礎(chǔ)實驗課中開展基于雙向電泳、質(zhì)譜分析和X-Ray 晶體衍射的蛋白質(zhì)組學綜合性和研究性實驗。傳統(tǒng)的生物化學實驗中有關(guān)蛋白質(zhì)組學方面的實驗內(nèi)容僅是利用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分離蛋白質(zhì)等，學生僅學習到有關(guān)蛋白的基礎(chǔ)實驗方法，實驗內(nèi)容單一[9-10]，遠達不到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的實驗教學的目標。

嘗試在該實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，延伸至質(zhì)譜分析和X-Ray晶體衍射測試層面。即學生完成電泳實驗后，每組學生隨機從凝膠上選取4 ～6 個蛋白點做酶解，然后進行點靶，利用飛行時間質(zhì)譜進樣鑒定蛋白分子量和氨基酸序列；再選取結(jié)果好的蛋白進行蛋白質(zhì)的晶體培養(yǎng)，利用X-Ray 晶體衍射分析蛋白結(jié)構(gòu)。具體實驗流程見圖1。

雙向凝膠電泳、質(zhì)譜分子量鑒定、X-射線晶體衍射解析實驗是一個綜合性大實驗，每個實驗環(huán)節(jié)都緊密相連，涉及的實驗內(nèi)容比較多，實驗步驟繁瑣，對學生的實驗操作技巧要求也比較高。為了合理安排實驗進程，讓學生以小組為單位準備樣品，處理好的樣品統(tǒng)一點靶，利用質(zhì)譜檢測分子量；同時還可以進行離子碎片的二級質(zhì)譜測定，通過數(shù)據(jù)庫進行存儲、處理、對比和分析，鑒定蛋白的氨基酸序列。然后，選取高質(zhì)量的蛋白晶體，利用X-射線晶體衍射分析蛋白的結(jié)構(gòu)。在樣品的準備過程中都有教師的細心指導，每臺儀器都有相關(guān)實驗技術(shù)人員進行培訓和使用講解。

通過有計劃地將質(zhì)譜和X-Ray 晶體衍射技術(shù)延伸入基礎(chǔ)實驗教學項目，將本科教學中簡單的生物化學驗證性實驗變?yōu)榈鞍踪|(zhì)組學的綜合性、研究性實驗。學生不僅掌握了該類儀器設備的樣品準備過程和詳細的操作流程，而且對于提高蛋白質(zhì)組學的實驗技能具有重要意義。

開設創(chuàng)新實驗，提高創(chuàng)新能力 為了充分調(diào)動學生的實驗積極性，培養(yǎng)學生利用大型儀器獨立組織和完成科研實驗的能力，吉林大學生命科學學院開設了部分涉及蛋白質(zhì)組學的設計創(chuàng)新實驗課題，如“體外重組人DNA-PK 蛋白以及其特異抗體的制備”“類組蛋白的重組、表達、純化及與重金屬離子的相互作用的研究”等。設計創(chuàng)新實驗項目題目新穎，緊跟蛋白質(zhì)組學發(fā)展前沿，內(nèi)容靈活多變，富有時代特點，并具有不同程度的難度和深度。學生針對自己的興趣愛好選題，根據(jù)認知、實訓實驗和專業(yè)基礎(chǔ)實驗的知識積累，自行查閱資料，設計實驗路線和方法，教師幫助審查學生方案的可行性。

為了更好地幫助學生完成設計創(chuàng)新實驗，公共技術(shù)平臺每學期循環(huán)舉辦相關(guān)大型儀器設備的功能介紹、應用講座、操作培訓，學生可根據(jù)自身選題內(nèi)容，選擇相關(guān)常用的蛋白質(zhì)組學分析儀器進行二次系統(tǒng)培訓。為了迎合學生實驗時間的機動性，公共技術(shù)平臺的所有蛋白質(zhì)學分析儀器均全方位開放使用。

同時，吉林大學生命科學學院還開設了生物物理實驗技術(shù)創(chuàng)新課程，主要介紹物理化學有關(guān)的實驗技術(shù)，其中主要部分是介紹大型儀器設備的原理和使用方法，為學生的創(chuàng)新實驗奠定一定的理論基礎(chǔ)。通過創(chuàng)新實驗的設計和完成，不僅提高了學生的動手能力和綜合解決實際問題的能力，而且開拓了專業(yè)視野，更培養(yǎng)了創(chuàng)新思維。

3 教學效果分析

吉林大學生命科學學院依托國家級實驗教學示范中 心和生命科學公共技術(shù)平臺，嘗試為學生開設多層次、多模式的蛋白質(zhì)組學實驗教學課程。目前，蛋白質(zhì)組學分析儀器每年服務本科生教學實驗400 人次，已開設創(chuàng)新實驗項目約40 個，將蛋白質(zhì)組學分析儀器融入本科實驗教學中，可以讓學生了解蛋白質(zhì)組學分析儀器的基本原理，掌握蛋白質(zhì)組學實驗技能，切實提高學生的實踐能力。有的學生甚至成為相關(guān)儀器公司的技術(shù)工程師，為就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

同時實現(xiàn)了蛋白質(zhì)組學分析儀器的高層次開放共享，至今蛋白質(zhì)組學分析儀器使用機時達1 萬小時/年，測試樣品數(shù)約2 萬個/年，有效提高了優(yōu)質(zhì)資源的共享利用率。

4 結(jié)語

大型儀器設備面向本科生開放，是學科發(fā)展前沿對人才培養(yǎng)的要求，在培養(yǎng)復合型、創(chuàng)新型人才中發(fā)揮著重大作用。本科學生在校期間通過各種方式接觸和使用這些設備，對于提高實驗技能，開拓專業(yè)視野，培養(yǎng)創(chuàng)新思維具有重要作用；但如何有效將這種開放模式長期堅持下來，是一項比較艱巨的系統(tǒng)工程。建議學校增加國產(chǎn)設備的投入資金，出臺相應的傾斜政策和鼓勵制度，在教師和學生的相互配合下，逐步提高大型儀器在本科實驗教學中的使用頻率，培養(yǎng)學生的創(chuàng)業(yè)精神和創(chuàng)新意識，加強科研、教學優(yōu)質(zhì)資源的開放共享效率。

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