“基因工程”教學(xué)中模型的制作與應(yīng)用

張姝玉 （北京市第一七一中學(xué) 北京 100013）

基因工程是按照人們的愿望，進行嚴(yán)格的設(shè)計，并通過體外DNA 重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，從而創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品［1］?！盎蚬こ獭钡慕虒W(xué)內(nèi)容包括：原理、技術(shù)保證、基本操作程序及應(yīng)用。教學(xué)重點是學(xué)生能闡明DNA 重組技術(shù)實現(xiàn)的技術(shù)保證，需要限制性核酸內(nèi)切酶、DNA 連接酶和載體3 種基本工具；能闡明基因工程的基本操作程序主要包括獲取目的基因、利用限制酶和DNA連接酶構(gòu)建基因表達載體、將目的基因?qū)胧荏w細胞、目的基因及其表達產(chǎn)物的檢測鑒定。

基因工程是在DNA 分子水平上進行設(shè)計和施工，對于學(xué)生來講比較抽象，較難理解。因此，在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的實踐中，構(gòu)建生物學(xué)模型對學(xué)生系統(tǒng)、完整地學(xué)習(xí)和理解新知識，并運用生物學(xué)模型解決生物學(xué)問題起到了事半功倍的作用。物理模型可模擬客觀事物的某些功能和性質(zhì)。在高中生物學(xué)課程中常使用的物理模型包括細胞結(jié)構(gòu)模型、細胞膜結(jié)構(gòu)模型和DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型等，能使研究對象可視化、簡潔化，既便于理解、促進研究，又可清晰地描述研究成果，從而提高教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1 模型制作

本模型是針對人教版選修3 的專題1“基因工程”中編排的一個模型模擬操作“重組DNA 分子的模擬操作”進行了改進。原模型模擬操作的設(shè)計目的是幫助學(xué)生理解EcoRI 的功能，識別GAATTC 序列，并在GA 之間進行切割；同時利用2 個紙板的剪切與拼接，幫助學(xué)生理解不同的DNA 分子間的重組的操作過程。改進后的模型模擬操作，通過優(yōu)化模型本身，能在實際教學(xué)中幫助學(xué)生更準(zhǔn)確地理解限制性核酸內(nèi)切酶的作用位點，并更深入理解提高重組DNA 比例的方法和原因。

1.1 第1 種模型改進方法 在教材紙板模型設(shè)計中加入磷酸和脫氧核糖（圖1）。

圖1 重組DNA 分子的模擬操作模型紙板1

1）模型制作中用到的材料用具：印有圖1的紙板、剪刀、小訂書器。

2）模型的使用方法：

第1 步：前期準(zhǔn)備。先將圖1中上面的紙條用透明膠帶首尾連接成環(huán)，模擬常用的基因載體——質(zhì)粒。

第2 步：用剪刀（代表EcoRI）對質(zhì)粒模型和含目的基因的DNA 片段進行切割。將環(huán)型的質(zhì)粒切成線型，并在兩側(cè)都形成一段黏性末端；將含目的基因的DNA 片段切下來，并在兩側(cè)也形成一段黏性末端。

第3 步：將切下的含有目的基因的DNA 片段重組至質(zhì)粒的切口處，用訂書器（代表DNA 連接酶）將切口連接起來，訂書釘代表新形成的磷酸二酯鍵。這樣就完成了一個重組DNA 分子的模型制作。

1.2 第2 種模型改進方法 此改進是第1 種模型改進的升級版，在加入磷酸和脫氧核糖的基礎(chǔ)上，對紙板中的堿基序列重新進行了調(diào)整（圖2）。由于序列的重新調(diào)整，需要在材料用具中用到2把剪刀，分別代表EcoRI 和SamI。

圖2 重組DNA 分子的模擬操作模型紙板2

模型的使用方法與第1 種方法基本相同，其升級步驟是：第2 步改為先用剪刀1（代表EcoRI）對質(zhì)粒模型和含目的基因的DNA 片段進行切割。再用剪刀2（代表SamI，識別CCCGGG 序列，在CG 之間進行切割）對質(zhì)粒模型和含目的基因的DNA 片段進行切割。這樣就能在質(zhì)粒兩側(cè)和含目的基因的DNA 片段的兩側(cè)形成不同的末端。

此改進模型的創(chuàng)新點：

1）紙板DNA 分子模型中不僅畫出了堿基，還畫出了磷酸和脫氧核糖。這樣能幫助學(xué)生不僅理解EcoRI 能識別GAATTC 序列，在GA 之間進行切割；同時能更準(zhǔn)確理解斷裂的是哪一個磷酸二酯鍵。

2）用訂書釘代替教材模型中的膠帶，更具體形象地模擬了磷酸二酯鍵的形成，操作上也更簡潔方便。

3）第2 種模型改進借鑒了工程學(xué)防呆理念，可使目的基因與載體定向連接。完成模型的制作后，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)含目的基因的片段和質(zhì)粒間只能有一種連接方法，避免了目的基因的片段反向連接在質(zhì)粒上，同時避免了質(zhì)粒和含目的基因的片段DNA 的自身連接，提高了重組DNA 的比例。

2 模型應(yīng)用

第1 種改進的模型可應(yīng)用于“DNA 重組技術(shù)的基本工具”一節(jié)的教學(xué)。在學(xué)習(xí)了限制性核酸內(nèi)切酶、DNA 連接酶、載體的作用后，讓學(xué)生按照上述的操作步驟動手參與模型制作。此模型制作的目的是讓學(xué)生直觀理解基因工程中限制性核酸內(nèi)切酶和DNA 連接酶的作用、作用特點、結(jié)果及酶的作用位點。

第2 種改進的模型可應(yīng)用于“基因工程的基本操作程序”一節(jié)教學(xué)。在基因工程的第2 步“基因表達載體的構(gòu)建”的教學(xué)中，按上述步驟進行模型制作，學(xué)生不僅能直觀理解限制酶和DNA 連接酶的作用等知識點，還能認(rèn)識到用相同2 種限制酶處理質(zhì)粒和含目的基因的片段，可提高正確的重組質(zhì)粒的比例。

此2 種改進方法在實際教學(xué)中可單獨或聯(lián)合使用，利于教學(xué)中重點、難點的突破。