基因工程课程内容教学方法的更新与改革,基因工程论文.docx

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1、基因工程课程内容教学方法的更新与改革,基因工程论文摘 要：基因工程课程是生物工程、生物技术和生物制药等专业的必修课, 包括基因操作原理与基因工程实践两部分内容。它为分子生物学研究提供技术支持, 为工程应用提供理论指导。随着DNA合成与测序技术的发展以及新型DNA组装与编辑技术的兴起, 基因工程的概念持续升级, 基因工程的课程内容和教学方式方法都需要进行相应的更新与改革。 本文关键词语：基因工程; 代谢工程; 合成生物学; 课程内容; 教学方式方法; 基因工程课程是生物工程、生物技术和生物制药等专业学生的骨干专业课程, 它承接上游生物化学、分子生物学等课程与下游酶工程、发酵工程等课程。基因工程课

2、程设立的主要目的是加强对分子生物学实践环节的认识并为分子生物学研究服务, 为学生从事基因工程食品和药品的研发奠定理论基础1。基因工程课程和(基因工程教学资料基本包括两部分, 分别是基因工程原理和基因工程应用, 不同院校的课程设置以及面向不同受用者的教学资料侧重点各有不同。基因工程原理以基因操作为主线, 介绍与此相关的工具酶、工具载体、PCR技术、DNA的重组、基因文库的构建与挑选、蛋白质超量表示出, 以及生物大分子的各种分析和检测手段, 如DNA测序和分子杂交等。基因工程应用则可根据操作对象分为大肠杆菌基因工程、酵母基因工程、动物基因工程、植物基因工程等;或者根据服务对象分为农业基因工程, 食

3、品基因工程和医药基因工程等2-3。20世纪末, 我们国家的高等院校和研究院所就开场在相关专业开设基因工程课程, 进而逐步建立了稳定的授课内容, 并凝练出一批优秀的教学资料与专注4。 基因工程是一门发展迅速的学科, 随着医学与生命科学领域的一些理论突破与技术更新, 基因工程的策略与技术手段也在不停发展。教育部的生物工程专业本科教学质量国家标准中基因工程课程为32学时, 武汉大学生物制药专业本科教学质量标准中基因工程课程为36学时。在有限的学时内, 既要教授经典的课程内容, 又要把握学科的进展, 这需要我们对基因工程课程的授课内容及时更新、对课程重点和授课方式进行相应的改革。笔者曾在国家理科基础科

4、学研究和教学人才培养基地生物学专业学习, 介入了(基因工程部分, 并且占据较大的篇幅。学生刚开场进行基因工程的学习, 对课程宏观了解还不够, 对开展基因工程研究和实践所需的思维习惯还没有养成。这部分内容知识点丰富, 各知识点之间的联络严密程度不高。忽然面对如此零碎密集的知识点, 学生非常容易产生厌倦情绪。假如不能很好地把握这部分知识, 就不能胜任复杂的多步骤重组克隆工作。以往课程学习结束以后, 部分学生只会进行简单的酶切连接转化操作, 但是不会进行策略选择和方案制定, 知其然不知其所以然。 DNA同源片段融合介导的克隆, 能够极大地方便DNA片段的体外组装。此方式方法不受酶切位点的限制, 只需

5、要两个DNA片段之间具有15 bp的末端同源序列, 就能够实现体外融合, 并且能够实现多个DNA片段之间的融合。代表性的工具有吉布森组装克隆试剂盒, DNA的融合包括外切、聚合和连接3个步骤7。之后发展起来的工具, 如Easy Fusion、Fast Fusion以及In Fusion等试剂盒, DNA的融合通过重组酶催化, 经过愈加简洁。新兴的DNA组装技术正在并且将更大程度的替代传统的DNA酶切酶连重组, 这使复杂的多步骤重组克隆工作变得简单易行。基因工程课程的内容保持及时更新, 通过教授新的知识和技术能够将学生从复杂、琐碎的旧知识中解放出来。 CRISPR Cas9 (规律成簇间隔短回文

6、重复) 系统是新近从细菌中发现, 随即被开发成可用于多种细胞的基因组DNA编辑的工具8-9。经典的基因工程实践中, 获取基因组大片段DNA是借助高容量的载体构建基因组文库, 然后从文库中挑选目的片段。有了CRISPR Cas9 DNA切割工具, 配合上述DNA同源重组克隆技术, 我们能够直接从基因组DNA中定点抓取目的DNA片段, 不再需要构建文库、挑选文库, 省时省力。除此之外, CRISPR Cas9系统还能够用于基因组的编辑, 定点进行基因的敲出 (knock out) 或敲入 (knock in) 。这意味着科学家能够借此技术编辑人类本身的基因组, 意义非凡。所以, 在基因工程课程的教

7、学经过中, 一定要避免给学生灌输陈旧琐碎的基因操作技术与原理, 应该鼓励学生接触本学科最前沿的知识和技术, 引导学生讨论和瞻望新生事物。 3、基因工程课程的教与学都要带有发展的目光 基因工程兴起的早期时候, 主要是针对单个基因进行操作, 代表性的成功范例有基因工程重组人胰岛素和转基因抗虫稻。前者是将人胰岛素编码基因转到大肠杆菌中超量表示出, 后者是将苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白基因转到水稻中让其在叶片中特异性表示出。单个目的基因的增加创造的基因工程产品或者基因工程体, 带来了宏大的使用价值, 极大地改善了人类的生产方式和生活质量。人类的需求是不断增加的, 科学技术也是不断进步的, 基因工程的概念

8、和内涵也在不停地发展。在如今的(基因工程或(基因工程原理等教学材料中, 出现了第二代基因工程的提法, 系指蛋白质工程。第三代基因工程, 则是指途径工程, 或者更准确的可称其为代谢工程2,10。从广义上讲, 甚至能够称合成生物学为第四代基因工程。 我们以重组酵母菌发酵生产青蒿素的前体物青蒿酸为例, 介绍各个基因工程衍生概念之间的关系。已经知道在植物细胞中以异戊烯基焦磷酸为底物合成青蒿酸需要三个基因, 法呢基焦磷酸合成酶 (催化异戊烯基焦磷酸合成法呢基焦磷酸) 编码基因ERG20、青蒿二烯合成酶 (催化法呢基焦磷酸合成青蒿二烯Amorpha-4, 11-diene) 编码基因ADS和细胞色素P45

9、0单加氧酶 (催化青蒿二烯氧化构成青蒿酸) 编码基因CYP71AV111。首先通过基因操作, 加强酵母细胞3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A复原酶 (合成异戊烯基焦磷酸的关键酶之一) 编码基因t HMGR的表示出以提高异戊烯基焦磷酸的合成效率, 减弱角鲨烯合成酶 (以法呢基焦磷酸为底物合成固醇的第一个酶) 编码基因ERG9的表示出以减少法呢基焦磷酸向其他合成途径的流量11。这一系列的基因工程改造可称之为代谢工程, 其目的就是构建一个能够大量供应异戊烯基焦磷酸的底盘细胞。然后根据植物来源的3个必须酶的蛋白质序列合成基因, 构建一条能够在酵母细胞中表示出的青蒿酸合成途径。将除此之外源途径植入底盘细胞,

10、 测试重组细胞的代谢流, 调校外源元件与底盘细胞之间的适配性, 得到一个高效合成青蒿酸的细胞工厂。这整个经过可称之为合成生物学。 通过概念的比拟和详细案例的分析能够发现, 基因工程经历了从单个基因操作到多个基因操作、从简单性状的改进到复杂性状的改进、从改造物种到创造物种的发展。每一次基因工程概念的升级就意味着一次基因工程技术的质的飞跃, 基因工程学科的发展必然导致基因工程课程内容的更新和课程重点的转移。扎实贯穿经典的基因工程原理, 时刻关注新兴的基因工程技术, 放眼瞻望基因工程的衍生学科, 老师才能将基因工程课程教好, 学生才能将基因工程课程学好。 综上所述, 本文从DNA合成、测序、组装与编

11、辑等技术入手, 结合基因工程与代谢工程和合成生物学等衍生学科的内在关系, 阐述了基因工程的学科发展以及学科发展带来的课程内容的更新。基因工程课程的知识更新速度快, 经典原理要传承, 新兴技术要教授, 这需要我们重新考虑基因工程课的教学方式方法。故步自封守着经典不前进不行, 一味追求新技术亦步亦趋也不是好主意。我们应该引导学生学习基因工程昨日的经典、把握基因工程今天的现在状况, 更应该鼓励学生创想基因工程明天的前景、创造 第五代 基因工程。 以下为参考文献 1袁婺洲. 基因工程 课程多种教学方式方法改革的探寻求索与实践J.高校生物学教学研究 (电子版) , 2021, 5 (2) :38-41

12、2张惠展, 欧阳立明, 叶江.基因工程:第3版M.北京:高等教育出版社, 2021. 3何水林.基因工程M.北京:科学出版社, 2021. 4吴乃虎.基因工程原理M.北京:科学出版社, 2001. 5孙明.基因工程M.北京:高等教育出版社, 2020. 6EID J, FEHR A, GRAY J, et al.Real-time DNA sequencing from single polymerase moleculesJ.Science, 2018, 323 (5910) :133-138. 7GIBSON D G, YOUNG L, CHUANG R Y, et al.Enzymati

13、c Assembly of DNA molecules up to several hundred kilobasesJ.Nat Methods, 2018, 6 (5) :343-345. 8JINEK M, CHYLINSKI K, FONFARA I, et al.A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunityJ.Science, 2020, 337 (6096) :816-821. 9CONG L, RAN F A, COX D, et al.Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systemsJ.Science, 2020, 339 (6121) :819-823. 10金红星.基因工程M.北京:化学工业出版社, 2021. 11RO D K, PARADISE E M, OUELLET M, et al.Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineering yeastJ.Nature, 2006, 440 (7086) :940-943.