“基因工程”课程理论与实验教学的改革探索

［摘 要］ “基因工程”是生物技术和生物工程专业的主干课程，构建适合应用型人才培养需求的教学内容体系，是目前亟须解决的问题。通过理论教学与实践教学相结合，提升学生的科学思维和在科研工作中独立发现问题及解决问题的能力，在此基础上，激发学生对社会问题的思考以及强烈的专业责任感和使命感，从而树立崇高的职业精神。同时，将当前生命科学前沿研究进展和教师的科研项目融入教学，充分发挥学生的主观能动性，提高学生的科研能力和发散思维。

［关键词］ 基因工程；科学前沿；理论与实验相结合；线上平台

［基金项目］ 2021年度山东大学（威海）教育教学改革研究立项项目“《基因工程》理论与实验多层次教学体系构建”（Y2021066）；2016年度国家自然科学基金“低剂量三丁基锡与镉联合暴露对鲤鱼内分泌轴线交互影响效应及作用机制研究”（31570511）；2019年度山东省自然科学基金“喹诺酮类抗生素对鲤鱼生殖内分泌干扰作用研究”（ZR2019MC011）

［作者简介］ 厉 萍（1980—），女，山东日照人，博士，山东大学海洋学院副研究员，主要从事分子生物学、基因工程理论及教学研究；孔令明（1985—），男，山东威海人，博士，山东大学海洋学院讲师，主要从事分子与生物化学实验教学与实验室管理研究；李志华（1979—），男，河北辛集人，博士，山东大学海洋学院教授（通信作者），主要从事环境分子生物学理论及教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）15-0053-04 ［收稿日期］ 2022-11-16

基因工程是一门新兴的高新技术，它以分子生物学、生物化学和遗传学等多门学科理论为基础。自1973年诞生以来，许多科学家经过近50年的不懈探索，使其成为生物科学领域中最重要的组成部分。目前该技术已广泛应用于临床医学、新型农产品培育、药物研发和生态环境治理等领域，作为国家的重要战略技术储备，在人类社会的可持续发展中发挥着越来越重要的作用。

“基因工程”是生物技术和生物工程专业本科生一门重要的必修课程。该课程兼具理论与实验，且教学内容囊括多门生物学科研工作所需的实验技术。然而，目前仍有部分高校在开设“基因工程”课程时存在理论课程及实验课程设计与安排的一些不足之处：一是随着生物科学技术的进步和时代发展，基因工程技术迭代发展非常迅速，但是教材内容更新相对较慢，教师需要不断补充教学内容，将前沿生物技术融入教学的各个章节；二是在教学过程中只注重理论知识点的讲解，缺乏对学生知识点社会应用价值深度思考的引导；三是实验课内容设置的连贯性不强，偏重单个实验或技术的原理和操作，忽略了各实验之间的内在联系，影响了学生对实验内容整体性的理解和把握，不利于学生科研逻辑思维的培养［1］。就上述问题，笔者结合自己的实际教学工作，针对如何构建基因工程与前沿科学相互融合的教学体系、如何通过实验引导学生的科学思维与动手能力进行论述，以期最大限度地提高“基因工程”课程教学的实效性，提高学生的创新能力和实践能力。

一、基因工程与航天工程的类比

首先，为了让学生了解“基因工程”课程的主要核心内容，将其与航天工程相类比。如将“载体”比喻成“火箭”，将“外源基因”比喻成“天宫一号”，航天工程是用火箭把“天宫一号”成功发射到指定的太空轨道以执行各项任务；而基因工程则是选择合适的载体把目标基因运送到宿主细胞中，使其发挥功能。将微观世界宏观化，能够立刻调动起学生学习基因工程的欲望，并激发他们对所学专业知识合理运用和有效开发的责任感和使命感。

二、基因工程理论与前沿科学的融合

1.在制药领域中的应用。自1982年作为全世界首个基因工程药物的重组人胰岛素进入人们的视野，基因工程药物开始受到人们的广泛关注，已经逐渐被用于肿瘤、艾滋病、心血管系统疾病、血液系统疾病、糖尿病、肝炎、发育不良及某些罕见遗传性疾病等危害人类健康的顽疾的诊断与治疗中。2021年，生物药品制造、基因工程药物和疫苗制造等子行业实现营业收入5 918亿元，同比增长113.8%；实现利润在医药工业利润总额中的比重达41.7%，有力推动了行业整体发展［2］。我国基因制药行业已初具规模。随着基因工程药物的发展，转基因技术、生物反应器、反义核酸技术、RNAi技术和siRNA等基因技术不断完善，这些技术在制药业具有广阔的发展前景。

2.基因工程疫苗的制备。基因工程在医学方面大规模应用的另外一个领域便是疫苗研制，如HPV疫苗、SARS-CoV-2疫苗。目前已有众多在研和推广的疫苗及实验性药物治疗SARS-CoV-2感染。但是面对SARS-CoV-2高变异性、高免疫逃逸，仍缺乏有效疗法和疫苗针对奥密克戎变体。鉴于当前的情况，开发基于抗冠状病毒核酸的药物可能是一种有前途的解决方案，因为它们具有高度特异性，可以针对不同的SARS-CoV-2变体开发特异性药物。与传统疗法相比，易于设计，开发时间更短。至关重要的是，通过靶向高度保守的序列，基于核酸的药物可用于对抗多种SARS-CoV-2病毒株并对抗高变异性。目前已有几种基于抗冠状病毒核酸的关键技术，包括ASO、siRNA、靶向RNA的CRISPR-Cas系统和mRNA疫苗。

3.基因治疗。基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞，纠正或补偿缺陷和异常基因引起的疾病，从而达到治疗的目的。2017年3月，英国《自然·通讯》杂志发表了一项遗传学重要研究成果，利用CRISPR-Cas9系统（一种基因组编辑方法）能够阻止小鼠视网膜退化，可拯救失明小鼠。以CRISPR-Cas9为基础的基因编辑技术在一系列基因治疗应用领域都展现出极大的应用前景，例如血液病、肿瘤和其他遗传疾病［3］。

4.生产生物柴油。当前严峻的能源危机和环境污染已经成为全人类面临的重大课题，石化燃料大量应用所致的环境污染已成为全世界所面临的重大挑战，在此背景下各国纷纷加快石化燃料替代能源开发的步伐，并指定相应碳减排目标和替代政策。第三代以微藻为首的微生物油脂，因其生长周期短、繁殖速度快，易于大规模培养，也对许多环境有适应能力，其光合作用效率也是目前地球生物最高的，是陆生植物的10～50倍，同时微藻单位产油量高于一般油料作物，含油量最高可以达到生物量干重的70%左右［4］。故使用微藻的油脂生产生物柴油具有巨大的发展前景，且具有重要的战略意义。目前，亟待解决的问题是用基因工程的方法获得高油脂含量的藻株。

5.环境治理。基因工程技术作为新兴技术已被用于废水处理，成为水处理领域中具有广阔应用前景的一项技术。而传统的废水处理方法——物理和化学法具有成本高且容易造成二次污染的特点，因此生物法逐渐成为废水处理的主要方法。但是由于废水成分的多样性及复杂性，通过自然筛选的微生物降解污染物的酶活性往往有限。对此，可通过基因工程技术将这些菌株进行遗传改造，提高其繁殖效率及酶的降解活性，定向培养成具有特殊降解性状的高效菌株，方便有效应用于水污染处理。目前已经发现多种石油烃降解微生物，很多研究在原油污染的土壤、石油炼制厂的废水及活性污泥中，以及油田产区、炼油厂区附近分离到石油烃高效降解菌，主要包括假单胞菌属（Pseudomonas）、微球菌属（Micrococcus）、节杆菌属（Arthrobacter）、黄质菌属（Flavobacteritum）、戈登式菌属（Gordonia）和分枝杆菌属（Mycobacterim）。其中，研究比较广泛的一种微生物产生的表面活性剂——鼠李糖脂是有效乳化并降解石油烃的胞外产物。目前，对于鼠李糖脂石油土壤修复、海洋石油污染修复的作用已达成共识，但是受菌株遗传背景的限制，优化发酵过程等方法在产量提升方面遇到了瓶颈，而利用基因工程方法对菌株进行改良有望进一步提高鼠李糖脂生产的安全性、产量、产物性能等多项指标。

6.现代农业。近年来，基因工程技术在现代农业研究中取得了一定进展，如抗虫、抗病、耐除草剂和高产优质的农作物新品种培育，特别是植物基因工程在解决目前人类所面临的粮食安全、环境恶化、资源匮乏、效益衰减等问题上发挥了巨大作用，已成为许多国家经济的重要支柱产业之一。21世纪基因组的研究将逐渐由“结构基因组”向“功能基因组”转变，从目前的“抗性”向“品质”转移。如培育融合4种不同抗稻瘟病基因的广谱抗稻瘟水稻品种、延熟保鲜的水果蔬菜、富含抗癌蛋白质的大豆、高营养的饲料（高赖氨酸的玉米）等。

三、由知识点引发学生的思考

1.在讲解基因工程史上诺贝尔奖成果时，除了讲授科学家的科学思维外，还要将科学家的品质传递给学生。例如史上第一个重组DNA的科学家Paul Berg在将SV40 DNA片段与噬菌体DNA重组连接后，担心SV40的致癌性会在大肠杆菌中传播，危及人类健康，因此，拒绝把重组DNA转入大肠杆菌，并起草了“Berg letter”。该事件引起了学生的深思，做科研一定要严谨，要把安全放到首位。

2.在讲解各章节知识点时融入我国科研人员在该领域取得的成就。例如，在转基因植物中花粉管通道法用于外源DNA转入宿主细胞的一种方法是由我国科研人员首创发明的一项技术，该方法的最大优点是不依赖组织培养人工再生植株，对实验条件要求低，且技术易于推广掌握。我国使用最广泛的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的。该成就在激发学生的民族自豪感和爱国情怀的同时，提高了学生对专业的认识和热爱。

3.在课程进行过程中，还可以与当下身边的故事联系在一起，让学生切实体会到“基因工程”课程理论的应用无处不在。如在讲《PCR技术原理》章节时，将山东省支援威海临床医学检验专家白晓卉的光荣事迹带入课堂。自2020年新冠病毒感染发生以来，白晓卉带领省立医院临床医学检验部新冠病毒核酸检测实验室的检验医师一直奋战在一线，与病毒正面交锋。他们健全了实验室管理体系，进行了PCR扩增仪的性能验证，建立了室内质控判读规则及复检规则，保证停人不停机，24小时轮班工作。2022年3月20日，白晓卉在支援威海疫情处置省直检测队工作期间，因突发疾病抢救无效，不幸去世，用生命践行了一名共产党员对人民的承诺。学生听了白晓卉的事迹后，立刻对自己所学的专业肃然起敬。感受到科技的发展与应用之间的结合是如此紧密，感受到基因工程对生命科学、人类健康乃至整个社会都产生了巨大影响，从而激发了学生对科学研究的兴趣和热情。

四、构建连贯的实验教学体系

“基因工程”实验许多环节紧密相连，因此，应在理论课程中将全部的技术方法讲解完成之后，再进行“基因工程”实验课程的设置。以连续实验的方式安排相关的实验课程，将所有的实验按照正常科研工作的进度，在一定的时间内完成，让学生更加深刻地了解基因工程技术如何在科研中进行运用。教师在理论课程讲解实验原理后，通过对照教学视频详细讲解实验步骤（主要参考中国慕课北京师范大学录制的分子生物学实验线上教学视频），针对视频中关键步骤、原理和容易出错的地方进行着重强调，以便加深学生对每一个实验步骤和具体操作的记忆和理解。而后再让学生进入虚拟仿真实验平台（北京欧倍尔软件技术开发有限公司）进行线上操练。最后再进行实验课，让学生独立操作，这样不仅能够减少实验操作中学生出现的错误，同时还能够让学生更加连贯灵活地完成实验，达到融会贯通的教学效果。

党的二十大报告提出，发展海洋经济，保护海洋生态环境，加快建设海洋强国［5］。这就要求我们国家拥有更多的海洋人才储备。山东省被黄海、渤海环绕，广阔的海域蕴藏着极为丰富的海洋资源，是我国的海洋大省。山东大学海洋学院目前围绕海洋建设目标，设置了海洋生物科学和海洋生物工程两大专业。作为海洋学院一门主干课程，“基因工程”实验设计要结合学院特色，以开发蓝色海洋为目标，设计实验教学内容——海洋细菌褐藻胶裂解酶基因的TA克隆和筛选鉴定，实验各步骤环环相扣、紧密相连，具体包括海洋细菌基因组DNA提取，PCR扩增基因，琼脂糖凝胶电泳，胶回收纯化，质粒DNA的提取与检测，大肠杆菌感受态细胞的制备、重组连接及转化、重组子的筛选等。

此外，在实验各环节设计思考题，要求学生在实验报告中分析本次实验的注意事项及失败的原因。如PCR跑胶未产生条带或者产生多个条带可能的原因有哪些；重组子转化大肠杆菌之后为何培养基中未长任何菌落，或者只长蓝色菌落；等等。这既可以提高学生的实验操作能力，又能培养学生探索、分析和处理问题的能力。