汪 勇 （北京市第八中學(xué) 北京 100033）

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》中對“蛋白質(zhì)工程”教學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的表述是“簡述蛋白質(zhì)工程”。對教學(xué)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(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對“蛋白質(zhì)工程” 的內(nèi)涵及蛋白質(zhì)工程與基因工程的關(guān)系進行了直接的界定，對學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和教學(xué)方法也進行了直接的要求和提示，其內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的描述為：蛋白質(zhì)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(zhì)設(shè)計和改造，可以獲得性狀和功能更符合人類需求的蛋白質(zhì)；舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行基因改造，生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過程［1］?！暗鞍踪|(zhì)工程”是高中生物學(xué)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(xué)內(nèi)容，是“基因工程在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用和發(fā)展前景”中的教學(xué)難點之一。在這部分內(nèi)容的傳統(tǒng)教學(xué)實踐中，教師通常采用個別舉例講授的教學(xué)方法，不太注重學(xué)生對相關(guān)概念、原理和操作方法的深入理解和內(nèi)化，往往導(dǎo)致學(xué)生對“蛋白質(zhì)工程”概念的理解不到位，對其與基因工程的關(guān)系界定不清，對具體的操作方法和流程難以準(zhǔn)確把握，因而難以在新的情境中運用相關(guān)原理和方法解決實際問題，對“蛋白質(zhì)工程”的應(yīng)用價值和發(fā)展前景也缺乏準(zhǔn)確的定位［2-4］。

為貫徹落實新課程標(biāo)準(zhǔn)“教學(xué)過程重實踐”的基本理念，高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實踐經(jīng)歷，強調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動參與的過程，采用“科學(xué)—技術(shù)—社會”（STS）的教學(xué)策略，注重使學(xué)生在現(xiàn)實生活的背景中學(xué)習(xí)生物學(xué)，通過探究性學(xué)習(xí)活動，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力。

學(xué)生在學(xué)習(xí)了基因工程的原理和操作步驟之后，比較清楚利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)在受體生物和受體細(xì)胞中表達(dá)目的基因的原理和方法，但對于復(fù)雜蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)，以及通過人為手段改變基因結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)自然界不存在的蛋白質(zhì)這些技術(shù)流程并不了解。本節(jié)課由胰島素的作用和傳統(tǒng)生產(chǎn)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(dǎo)學(xué)生運用已學(xué)習(xí)的基因工程和遺傳分子基礎(chǔ)的相關(guān)原理和方法，解決胰島素生產(chǎn)上的工程問題，形成“蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸”的核心概念，學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)工程應(yīng)用于實際的方法和實例。

1 教學(xué)目標(biāo)

1）概述人們根據(jù)基因工程原理，進行蛋白質(zhì)設(shè)計和改造，可獲得性狀和功能更符合人類需求的蛋白質(zhì)；舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行基因改造，生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過程；理解蛋白質(zhì)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(zhì)類藥物生產(chǎn)的實際問題。

3）關(guān)注基因工程在藥物生產(chǎn)中的實際應(yīng)用；認(rèn)同基因工程和蛋白質(zhì)工程等生物技術(shù)的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

2 教學(xué)重、難點

1）重點：蛋白質(zhì)工程的原理和操作流程。

2）難點：蛋白質(zhì)工程的操作流程。

3 教學(xué)過程

3.1 課堂引入 通過展示早期糖尿病人照片引發(fā)學(xué)生關(guān)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?qū)W生展示資料“從動物胰臟提取胰島素有產(chǎn)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(xué)生思考和討論。

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

活動1：討論解決傳統(tǒng)胰島素生產(chǎn)諸多問題的多種方案。學(xué)生討論說出人工合成、豬胰島素轉(zhuǎn)化、基因工程生產(chǎn)、構(gòu)建雜交瘤細(xì)胞系生產(chǎn)等方案。引導(dǎo)學(xué)生從可行性和經(jīng)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(chǎn)的路徑。

活動2：討論并列出基因工程生產(chǎn)人胰島素的操作流程。通過問題串：如何用基因工程生產(chǎn)人胰島素？選擇哪種基因？如何獲取目的基因？導(dǎo)入什么受體細(xì)胞表達(dá)？有哪些基本操作步驟？人胰島素基因?qū)氪竽c桿菌如何實現(xiàn)正常表達(dá)？應(yīng)導(dǎo)入完整的基因嗎？應(yīng)選擇什么樣的載體？引導(dǎo)學(xué)生思考的重點。學(xué)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(dǎo)入細(xì)菌表達(dá)和基因工程的4 個基本操作步驟，指出應(yīng)導(dǎo)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(dá)載體。

活動3：討論重組人胰島素的生產(chǎn)方式。向?qū)W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(chǎn)的？引發(fā)學(xué)生思考，通過討論說出A、B 鏈分別表達(dá)后加工、胰島素原表達(dá)后酶切等合理的方法。教師結(jié)合示意圖補充講解2 種重組人胰島素生產(chǎn)的過程。

3.3 探討通過改造基因改造蛋白質(zhì)的原理和操作流程 向?qū)W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(guān)系”，引發(fā)學(xué)生新的思維沖突，“如何減少二聚體的形成？如何替換肽鏈內(nèi)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(zhì)的原理和操作流程。

活動4：討論改造蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)的方案。學(xué)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(chǎn)新蛋白質(zhì)的方案。向?qū)W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(xué)生直觀了解改造基因的方法實例。

隨后向?qū)W生展示“多種重組胰島素的列表”并補充介紹丙糖磷酸異構(gòu)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(zhì)工程應(yīng)用實例，在充分舉例的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生認(rèn)識到通過蛋白質(zhì)工程改造蛋白質(zhì)的個別氨基酸或結(jié)構(gòu)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(guān)注基因工程在藥物生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，認(rèn)同基因工程和蛋白質(zhì)工程等生物技術(shù)的巨大應(yīng)用價值。

活動5：討論總結(jié)改造蛋白質(zhì)的操作流程。學(xué)生討論總結(jié)說出改造蛋白質(zhì)的大致操作流程。教師總結(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和操作流程，形成板書，幫助學(xué)生形成完整深入的有關(guān)蛋白質(zhì)工程的大概念。

3.4 探討從頭合成蛋白質(zhì)的方法，總結(jié)蛋白質(zhì)工程 通過問題“利用蛋白質(zhì)工程的原理和操作方法，能否合成全新的蛋白質(zhì)？”引發(fā)學(xué)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(zhì)的方法。

活動6：討論合成全新蛋白質(zhì)的方法。學(xué)生在思考、討論后能說出根據(jù)已有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的數(shù)據(jù)，直接設(shè)計新蛋白質(zhì)，然后利用蛋白質(zhì)工程的方法實現(xiàn)。

教師以美國生物科學(xué)家David Baker 研究探索的“死星”蛋白為例［7］，介紹從頭合成蛋白質(zhì)的方法思路，結(jié)合歷史上第1 個全新合成的蛋白質(zhì)（1988年杜邦公司）的實例［6］，總結(jié)蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)（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(zhì)結(jié)構(gòu)進行分子設(shè)計與改造，制造出自然界原本不存在的新蛋白）、理論基礎(chǔ)（中心法則、氨基酸序列決定空間結(jié)構(gòu)）、前提條件、技術(shù)手段和操作流程（圖1）。

圖1 蛋白質(zhì)工程的前提條件、技術(shù)手段和操作流程

4 教學(xué)反思

本節(jié)課在引導(dǎo)和組織學(xué)生進行探究性學(xué)習(xí)活動時，注重為學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)與社會緊密聯(lián)系的情境，由胰島素的作用和傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的局限引入話題，教學(xué)設(shè)計有效地貫徹實施了STS 的教學(xué)策略，為學(xué)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(jié)合精心設(shè)計的問題串的引導(dǎo)，為學(xué)生搭建了適宜的思維階梯，讓學(xué)生之間在充分思考的基礎(chǔ)上討論、交流和生成。學(xué)生的參與度和接受度都較高。針對每一個學(xué)習(xí)任務(wù)和問題，學(xué)生都能有豐富的反饋和生成。