“蛋白質工程”一節(jié)教學設計

汪 勇 （北京市第八中學 北京 100033）

《普通高中生物課程標準（實驗）》中對“蛋白質工程”教學內容標準的表述是“簡述蛋白質工程”。對教學的實施沒有給出有針對性的建議。2018年頒布的《普通高中生物學課程標準（2017年版）》對“蛋白質工程” 的內涵及蛋白質工程與基因工程的關系進行了直接的界定，對學生的學習目標和教學方法也進行了直接的要求和提示，其內容標準的描述為：蛋白質工程是基因工程的延伸：概述人們根據(jù)基因工程原理，進行蛋白質設計和改造，可以獲得性狀和功能更符合人類需求的蛋白質；舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造，生產目標蛋白的過程［1］?！暗鞍踪|工程”是高中生物學教材《選修3 現(xiàn)代生物科技專題》中“基因工程”專題中的重要教學內容，是“基因工程在生產實踐中的應用和發(fā)展前景”中的教學難點之一。在這部分內容的傳統(tǒng)教學實踐中，教師通常采用個別舉例講授的教學方法，不太注重學生對相關概念、原理和操作方法的深入理解和內化，往往導致學生對“蛋白質工程”概念的理解不到位，對其與基因工程的關系界定不清，對具體的操作方法和流程難以準確把握，因而難以在新的情境中運用相關原理和方法解決實際問題，對“蛋白質工程”的應用價值和發(fā)展前景也缺乏準確的定位［2-4］。

為貫徹落實新課程標準“教學過程重實踐”的基本理念，高度關注學生學習過程中的實踐經歷，強調學生學習的過程是主動參與的過程，采用“科學—技術—社會”（STS）的教學策略，注重使學生在現(xiàn)實生活的背景中學習生物學，通過探究性學習活動，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力。

學生在學習了基因工程的原理和操作步驟之后，比較清楚利用轉基因技術在受體生物和受體細胞中表達目的基因的原理和方法，但對于復雜蛋白質的轉基因技術生產，以及通過人為手段改變基因結構，從而生產自然界不存在的蛋白質這些技術流程并不了解。本節(jié)課由胰島素的作用和傳統(tǒng)生產方式的局限引入話題，通過資料分析和小組討論等方式，引導學生運用已學習的基因工程和遺傳分子基礎的相關原理和方法，解決胰島素生產上的工程問題，形成“蛋白質工程是基因工程的延伸”的核心概念，學習蛋白質工程應用于實際的方法和實例。

1 教學目標

1）概述人們根據(jù)基因工程原理，進行蛋白質設計和改造，可獲得性狀和功能更符合人類需求的蛋白質；舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造，生產目標蛋白的過程；理解蛋白質工程是基因工程的延伸。

2）提高分析資料，作出合理推測和判斷的能力；嘗試基于已有知識和新信息，利用基因工程的原理和方法解決蛋白質類藥物生產的實際問題。

3）關注基因工程在藥物生產中的實際應用；認同基因工程和蛋白質工程等生物技術的應用價值和發(fā)展前景。

2 教學重、難點

1）重點：蛋白質工程的原理和操作流程。

2）難點：蛋白質工程的操作流程。

3 教學過程

3.1 課堂引入 通過展示早期糖尿病人照片引發(fā)學生關注，由注射胰島素是Ⅰ型糖尿病的重要治療措施引入課題。向學生展示資料“從動物胰臟提取胰島素有產量低、價格奇高、降糖效果不穩(wěn)定、過敏、感染動物傳染病等各種缺點［5］”，以“如何解決這些問題？”引發(fā)學生思考和討論。

3.2 探討重組人胰島素的工業(yè)生產方法 通過依次進行、層層深入的3 個學生小組活動引導學生探討重組胰島素的工業(yè)生產方法和流程。

活動1：討論解決傳統(tǒng)胰島素生產諸多問題的多種方案。學生討論說出人工合成、豬胰島素轉化、基因工程生產、構建雜交瘤細胞系生產等方案。引導學生從可行性和經濟性2 個方面對不同的方案進行分析比較，最終指向基因工程生產的路徑。

活動2：討論并列出基因工程生產人胰島素的操作流程。通過問題串：如何用基因工程生產人胰島素？選擇哪種基因？如何獲取目的基因？導入什么受體細胞表達？有哪些基本操作步驟？人胰島素基因導入大腸桿菌如何實現(xiàn)正常表達？應導入完整的基因嗎？應選擇什么樣的載體？引導學生思考的重點。學生討論后說出選擇人胰島素基因、多種方法獲取目的基因、導入細菌表達和基因工程的4 個基本操作步驟，指出應導入只含外顯子的基因片段，選擇含有原核基因啟動子的表達載體。

活動3：討論重組人胰島素的生產方式。向學生展示“人胰島素合成和加工成熟的過程示意圖”，通過問題：2 條肽鏈的人胰島素是如何用基因工程生產的？引發(fā)學生思考，通過討論說出A、B 鏈分別表達后加工、胰島素原表達后酶切等合理的方法。教師結合示意圖補充講解2 種重組人胰島素生產的過程。

3.3 探討通過改造基因改造蛋白質的原理和操作流程 向學生展示新的資料“人胰島素易形成二聚體，降低作用效果。二聚體的形成與B28 位脯氨酸有直接關系”，引發(fā)學生新的思維沖突，“如何減少二聚體的形成？如何替換肽鏈內部特定的氨基酸？沒有合適的蛋白酶切割怎么辦？”隨后通過2 個小組活動探討通過改造基因改造蛋白質的原理和操作流程。

活動4：討論改造蛋白質序列和結構的方案。學生思考討論后能說出蛋白酶切割、在提示下說出通過改造或人工合成基因來生產新蛋白質的方案。向學生展示“基因定點突變-重疊延伸PCR 法示意圖”，教師舉例說明基因定點突變的方法，讓學生直觀了解改造基因的方法實例。

隨后向學生展示“多種重組胰島素的列表”并補充介紹丙糖磷酸異構酶、酪氨酰tRNA 合成酶、枯草桿菌蛋白酶活性中心、人-鼠嵌合抗體等4種蛋白質工程應用實例，在充分舉例的基礎上，讓學生認識到通過蛋白質工程改造蛋白質的個別氨基酸或結構域，能實現(xiàn)增強熱穩(wěn)定性、提高活性、改變專一性、減少排異性等方面的作用［6］，關注基因工程在藥物生產中的實際應用，認同基因工程和蛋白質工程等生物技術的巨大應用價值。

活動5：討論總結改造蛋白質的操作流程。學生討論總結說出改造蛋白質的大致操作流程。教師總結蛋白質工程的原理和操作流程，形成板書，幫助學生形成完整深入的有關蛋白質工程的大概念。

3.4 探討從頭合成蛋白質的方法，總結蛋白質工程 通過問題“利用蛋白質工程的原理和操作方法，能否合成全新的蛋白質？”引發(fā)學生的創(chuàng)造性思維和熱情，通過小組合作的活動探討從頭合成蛋白質的方法。

活動6：討論合成全新蛋白質的方法。學生在思考、討論后能說出根據(jù)已有的蛋白質結構與功能關系的數(shù)據(jù)，直接設計新蛋白質，然后利用蛋白質工程的方法實現(xiàn)。

教師以美國生物科學家David Baker 研究探索的“死星”蛋白為例［7］，介紹從頭合成蛋白質的方法思路，結合歷史上第1 個全新合成的蛋白質（1988年杜邦公司）的實例［6］，總結蛋白質工程的實質（改造基因的基因工程——第2 代基因工程）、概念（根據(jù)需求，對蛋白質結構進行分子設計與改造，制造出自然界原本不存在的新蛋白）、理論基礎（中心法則、氨基酸序列決定空間結構）、前提條件、技術手段和操作流程（圖1）。

圖1 蛋白質工程的前提條件、技術手段和操作流程

4 教學反思

本節(jié)課在引導和組織學生進行探究性學習活動時，注重為學習創(chuàng)設與社會緊密聯(lián)系的情境，由胰島素的作用和傳統(tǒng)生產方式的局限引入話題，教學設計有效地貫徹實施了STS 的教學策略，為學生提供了嘗試基于已有知識和新信息解決真實問題的機會。教師對資料進行重組，通過6 個層層遞進的小組活動，結合精心設計的問題串的引導，為學生搭建了適宜的思維階梯，讓學生之間在充分思考的基礎上討論、交流和生成。學生的參與度和接受度都較高。針對每一個學習任務和問題，學生都能有豐富的反饋和生成。