面向本科生开设蛋白质双向电泳实验课的探索与实践

面向本科生开设蛋白质双向电泳实验课的探索与实践⁽¹⁾

谢　青　杨广笑　刘笔峰　杜　伟　吴元喜

（华中科技大学生命科学与技术学院，湖北武汉430074）

摘　要：双向电泳是蛋白质组学研究中最常用的蛋白质分离技术，为了让生物学相关专业学生学习和掌握这项技术，我们面向我院本科生开设了“蛋白质双向电泳”实验课。由于该项技术操作复杂，干扰因素比较多，对于本科生来说实验难度较大，为了较好地完成教学工作，我们在双向电泳实验课的教学模式和教学方法上进行了探索与实践，在实验教学中注重学生科研素质和实验技能的培养，经过5年的教学实践，在教学效果和学生的实验结果方面都取得了比较好的成绩。

关键词：双向电泳　实验教学　教学模式　教学方法

随着人类、水稻和其他模式生物基因组计划的完成，生命科学研究已进入到后基因组即功能基因学时代，20世纪90年代中期，蛋白质组学作为功能基因组学研究的重要支柱应运而生。蛋白质组学本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平、翻译后的修饰、蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于细胞代谢、疾病发生等过程的整体而全面的认识。蛋白组学研究中最常用的蛋白质分离和鉴定技术是“双向电泳”结合生物质谱技术。

“双向电泳”实验是一项难度较大的实验，对操作者的实验技能有很高的要求，而且实验药品昂贵，影响实验结果的因素也非常多。据了解，目前国内院校相关专业在本科生实验教学中开设“双向电泳”的还为数不多，但考虑到现代生物科学发展的需要和本专业的特点，我院将“双向电泳”实验（12学时）定为必修内容，将“利用计算机软件对双向电泳图谱进行图像分析”（8学时）作为选修实验内容。

1　改革教学模式，用研究性理念指导实验教学

“双向电泳技术”实验安排在大学三年级上学期。学生已修完了分析化学、有机化学、生物化学和分子生物学等基础实验课，掌握了一定的实验技能。当前，创新精神和实践能力已成为21世纪科技人才所必须具备的素质。大三学生已不再满足于验证性实验内容的学习，他们有强烈开展创新实验的愿望，也具备了一定的科研实力。为了更好地激发学生对实验课的兴趣，实验前两周，我们要求学生2～3人为一组，根据自己的兴趣、爱好，运用所学的理论知识和实验技能，自主选择实验材料，并查找资料，设计出实验方案。由于本院实行实验室开放制度，因而学生不一定局限于某一固定时间段进行实验，而是可以根据实验材料的准备情况选择实验时间。例如学生设计了“不同盐浓度胁迫下辣椒幼苗蛋白质组分变化”这一实验内容，以植物蛋白为实验材料，还有的学生选择微生物蛋白或线虫蛋白为实验材料。由于实验材料的不同，选择合适的样品制备方法对获得满意的二维电泳图谱是很重要的。学生在蛋白质的提取中设计了选用100%的lysis、50%的lysis和25%lysis溶液提取方法，以及植物样品中色素等杂质对实验结果的影响和改变电泳条件对实验结果的影响等小课题，得出了比较理想的实验结果，再利用计算机软件进行图像解析，最后通过对实验结果的科学分析和总结，完成小论文。我们希望通过该实验不仅可以让学生真正了解和掌握双向电泳技术，而且培养学生查阅文献和设计实验方案的能力，鼓励学生在前人研究的基础上有新的突破，从而达到提升学生的科研素质和科研技能的目的。

同时考虑到该实验的难度较大和学生的实际情况，我们也为学生准备了小牛血清蛋白等实验标准品，这些样品蛋白质含量高，而且经过多次预备实验，我们对这些样品的实验条件已充分了解，可以让学生得到比较好的实验结果。

2　实行小老师辅助教学，培养具有科研素质的人才

“小老师”培养方法和制度是我院在多年的生物化学实验教学改革中探索出的一种实验教学模式。该制度有利于培养学生的独立思考能力、创新能力和实验技能。我们多年的实践结果充分证明“小老师”制度是行之有效的。

在每学期系统生物学实验课开始前，利用暑假或周末，有兴趣做小老师的学生可以自由报名，人员确定以后，实验教师召集“小老师”反复讲解双向电泳实验技术的操作步骤，并指导他们学习相关的实验教材，手把手地带领学生多次认真地做预备实验，使“小老师”能够非常熟练地掌握每一项实验的具体步骤和注意事项。同时为了节约两性电解质的用量，我们一般带领“小老师”多次重复SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的盘状电泳技术和垂直板电泳技术，在盘状电泳操作中重点练习电泳槽的安装和灌胶技术，在垂直板电泳中主要练习电泳槽地安装以及剥胶技术，在完全掌握各项操作后，我们才开始正式学习双向电泳技术。通过预备实验不仅可以检验配制的试剂是否正确，了解凝胶所需的时间，而且通过多次的预备实验后，“小老师”的实验技术得到大大提高，使“小老师”充分了解实验的每一个细节，这样才能在带、教同学的过程中及时发现问题并能够给予解决。

3　抓住关键性实验步骤，得到满意的实验结果

为了在“双向电泳实验”中得到比较好的实验结果，我们向学生反复讲解并强调几个关键性的实验步骤，以引起学生的重视。一是样品的制备。由于学生的样品不同，我们要求学生首先要检索相关的文献，参考前人的工作经验，再做相应的实验，以确定样品制备的最佳条件。二是在利用盘装电泳做第一向电泳时IEF胶条的制作。考虑到学生的具体情况和节约实验经费，我们采用北京绿源科技有限公司生产的两性电解质，北京六一仪器厂生产的电泳装置和电泳仪，盘装电泳时所用的玻璃管的规格是3mm×170mm，虽然一般科研参考文献中使用的玻璃管内径为1～2mm，但我们考虑到内径较细的玻璃管在灌胶过程中容易产生气泡，对于本科生来说难度较大，若采用内径较大的5mm玻璃管，药品用量又较多，所以我们选用了内径是3mm的玻璃管，下端用PARAFILM封口，然后用6号针头灌胶，这样就使得学生比较容易操作该项步骤。第三个关键性步骤是在完成第一向等电聚焦电泳，胶条平衡好后，要把胶条转移至垂直板电泳槽中浓缩胶的上部，再用1%的琼脂糖密封使其与垂直板中的浓缩胶连接。由于胶带较滑，用镊子不易夹住，同时又要避免胶带断裂和在操作中掉下，我们制作了一种简单但非常有效的装置：将塑料板裁剪成长约80mm、宽25mm的长方形，在较长的一边距离边缘0.5cm处用胶粘结一段约2mm×80mm长、打磨成浑圆的塑料条。上样时，我们用镊子将平衡好的胶条加到塑料板上，摆放成一条直线，再小心将胶条翻过塑料条转移到另一侧，用左手拿住塑料板靠近已灌好胶的垂直板电泳槽，用右手拿镊子将胶条小心推到浓缩胶的胶面上，然后用琼脂糖将胶条和浓缩胶包埋起来。实践证明利用该装置可以方便、快速地完成胶条的转移这一关键步骤。

4　全面公正地评价学生实验课成绩

为了公正客观、真实有效地评价学生系统生物学实验课的成绩，我们根据多年的工作经验和系统生物学实验的特点，制定了一套多元化的学生实验课成绩评定方案。在系统生物学实验中，学生的实验成绩考核满分为100分，其中实验设计能力占15%、实验方案创新性占15%、实验操作技能占30%、数据整理与分析占10%、实验报告占20%、实验态度占5%、实验室安全占5%、公益服务等占5%。这套方案重点考核学生的实验设计能力、创新能力、实验技能以及实验结果的科学分析和科研论文的撰写能力。

5　结束语

在教学过程中，我们努力营造一种让学生能充分发挥创新潜能的宽松实验环境。整个实验教学过程贯穿“以学生为主体，教师为主导”的教学思想，培养和锻炼学生的实验设计能力、创新能力、分析问题和解决问题能力，提高教学质量。在实践中我们也发现了一些问题：①由于双向电泳技术很复杂，实验药品、实验器材、实验方案以及实验人员的技术水平等因素对实验结果影响较大，学生的实验结果差异较大，同一种植物样品，有的学生可以得到几百个蛋白质样点，而有的学生只得到几十个蛋白质样点，虽然我们开设该实验的目的是让学生了解和认识蛋白质双向电泳这一技术，但我们也认识到还要继续努力探索，争取把实验结果做得更好；②实验药品比较昂贵，由于双向电泳技术对于药品的纯度等有很高的要求，我们所用的尿素是Sigama进口的，两性电解质是北京绿源科技有限公司生产的，为了节约药品的使用，我们尽可能地让学生通过SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳技术训练，让学生掌握了盘状和垂直板电泳装置后再来学习双向电泳技术，即便如此，由于学生人数较多，开设该项实验成本较高；③由于该实验所需时间较长，要求老师要有比较强的责任心，特别是第一向等电聚焦要求电泳16～18小时，要仔细检查每一组电泳槽安装情况，避免发生事故。总之，我们将在教学实践中不断改进和提高教学效果，不仅要引导学生掌握实验技能，还要不断提高自身的业务能力，将学科发展的新技术不断引入我们的实验教学，使学生成为具有一定实验技能和科学素质的合格人才。

参考文献

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【注释】

(1)本文由湖北省教改基金“生物科学专业本科创新人才培养与实验教学模式改革研究”（2011—2013）（项目编号201103）资助。