胡海明 章騰勛

(浙江省寧波市第二中學(xué) 315010)

1 DNA模型的制作和改進(jìn)

1.1 模型設(shè)計(jì) 為盡量使模型更具科學(xué)性，參考高中教材《遺傳與進(jìn)化》[1]、《細(xì)胞生物學(xué)精要》[2]和《分子生物學(xué)》[3]，設(shè)計(jì)了平面圖片和主要的零件構(gòu)成，將DNA分子分解成以下幾種零件，分別是磷酸、脫氧核糖、4種堿基、氫鍵以及磷酸與脫氧核糖之間的磷酸二酯鍵，并確定每個零件的尺寸。

1.2 3D打印 在專業(yè)教師的指導(dǎo)下利用犀牛(rhino)

3D建模軟件進(jìn)行建模，得到了建模文件。然后利用聚乳酸(PLA)為原料進(jìn)行3D打印相關(guān)零件。

1.3 模型構(gòu)建 具體如下：

1.3.1 構(gòu)建脫氧核苷酸 DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸。每個脫氧核苷酸是由一分子磷酸、一分子含氮堿基和一分子脫氧核糖組成。其中磷酸分子連接在脫氧核糖的5號碳原子上，含氮堿基連接在3號碳原子上(圖1)。

1.3.2 構(gòu)建雙鏈DNA分子模型 多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接形成一條脫氧核苷酸鏈。用同樣的方式來構(gòu)建另一條脫氧核苷酸鏈，注意這兩條脫氧核苷酸鏈的堿基序列要與互補(bǔ)。兩條脫氧核苷酸鏈?zhǔn)峭ㄟ^互補(bǔ)堿基之間的氫鍵連接起來的。其中A與T互補(bǔ)，形成兩個氫鍵，C與G互補(bǔ)，形成三個氫鍵。接著，用氫鍵將兩條雙鏈連接起來。最后，通過各基團(tuán)之間的相互作用，就形成了雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA。

1.3.3 模型展示 磷酸與脫氧核糖交替連接，形成兩條DNA分子的基本骨架，位于DNA分子的外側(cè)，而堿基對位于DNA分子的內(nèi)側(cè)(圖2)，而后利用鐵架臺作為支撐將平面結(jié)構(gòu)的DNA轉(zhuǎn)化成立體結(jié)構(gòu)的DNA。

2 模型拓展：DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程

利用3D打印技術(shù)制作的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型模擬DNA的半保留復(fù)制過程：①構(gòu)建一個親代DNA分子；②模擬解旋酶的作用使兩條鏈間的氫鍵斷開，形成兩條“模板鏈”；③每一條母鏈按照堿基互補(bǔ)配對的原則，吸引含有互補(bǔ)堿基的脫氧核苷酸；④模擬DNA聚合酶的作用，用磷酸二酯鍵模型連接相鄰核苷酸的脫氧核糖和磷酸基團(tuán)。按照這種方式，脫氧核苷酸不斷地結(jié)合到子鏈上，子鏈就不斷地延長；⑤新形成的子鏈與相應(yīng)的母鏈螺旋化形成兩個新的子代DNA分子(圖1)。

利用3D打印技術(shù)打印核糖核苷酸的零件，可模擬DNA轉(zhuǎn)錄的過程：①構(gòu)建一個親代DNA分子；②模擬RNA聚合酶的作用使DNA雙鏈打開；③模板鏈按照堿基互補(bǔ)配對的原則吸引含有互補(bǔ)堿基的核糖核苷酸；④用磷酸二酯鍵模型連接核糖和相鄰的核苷酸的磷酸基團(tuán)，模擬新結(jié)合的核糖核苷酸通過磷酸二酯鍵連接到正在合成的mRNA分子末端(圖2)；⑤一段時(shí)間后，一條核糖核苷酸模型連接的鏈形成，模擬合成的mRNA從DNA鏈上釋放；⑥D(zhuǎn)NA模型原斷開的氫鍵重新接好，模擬DNA雙鏈片段的恢復(fù)。

3 反思與建議

3.1 對教學(xué)的反思 由于3D打印技術(shù)模型制作對教師的要求較高，需要教師有一定的創(chuàng)造力和洞察力。因此，教師可通過學(xué)生生物學(xué)模型制作大賽，從學(xué)生的獲獎作品中尋找靈感，并和學(xué)生一起對作品進(jìn)行完善最終運(yùn)用于教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容重、難點(diǎn)的突破。通過學(xué)生設(shè)計(jì)并動手制作生物學(xué)模型，教師也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生模型中存在的一些問題，暴露出學(xué)生對教材知識的理解不夠精確，需要進(jìn)一步交流和溝通來對模型進(jìn)行修正。3D打印技術(shù)模型制作能使學(xué)生的理性思維得到培養(yǎng)，情感態(tài)度價(jià)值觀也得以升華。

圖1 模擬DNA半保留復(fù)制

圖2 模擬RNA的形成過程

3.2 對模型的反思 3D打印模型的零件與教材插圖中的各部分結(jié)構(gòu)還是有些差異，但學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于要使學(xué)生清楚地認(rèn)識到脫氧核苷酸中的各基團(tuán)是如何連接形成一個完整的脫氧核苷酸。在學(xué)習(xí)DNA的空間結(jié)構(gòu)、遺傳信息的傳遞和表達(dá)時(shí)，教師可反復(fù)利用該3D打印模型，提高3D打印模型在高中生物學(xué)教學(xué)中的利用率。