生物工程下游技术综合性实验

2013-04-10胡志明李金龙惠宏襄

实验室研究与探索 2013年6期

胡志明，李金龙，惠宏襄

(南方医科大学生物技术学院，广东广州510515)

0 引言

生物工程下游技术是指从工程菌或工程细胞的大规模培养一直到产品的分离、纯化、质量检测所需的一系列单元操作技术［1］。生物技术只有实现产业化才能造福于人类，而生物工程下游技术是生物技术实现产业化的关键之一，因此，它是生物技术专业的重要专业必修课。生物工程下游技术课程分为理论和实验两个部分，上好实验课是这门课的一个重要环节。目前，很多生物工程下游技术课程所设计的实验大多是一种单一的验证性实验，缺乏探索性和创造性，不容易激发学生的学习兴趣［2，3］。开展综合性实验，是提高生物工程下游技术教学效果、培养学生综合性实践能力的一个重要途径。综合性实验是学生在掌握一定的基础理论知识和基本操作技能的基础上，运用本课程多个知识点或多门课程多个知识点，或者涉及多项实验内容，对实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验［4-6］。它主要培养学生资料查阅、实验设计、实验操作、数据处理、综合分析等方面的能力［7-9］。本文对生物工程下游技术综合性实验的设计及成功实施的要素进行探索。

1 开展生综合性实验的必要性

1.1 生物工程下游技术课程特点要求

生物工程下游技术包含微生物、发酵、分离纯化及产物分析检验等技术环节，涉及的技术比较多，如离心、沉淀、膜过滤、层析、干燥、结晶等。理论部分讲授时一般按单元操作进行介绍，侧重于各种方法涉及的主要原理。学生学习时，由于缺乏感性认识，一般会觉得比较抽象。同时，各部分的知识有一定的独立性，逻辑联系似乎并不紧密，如果教学实验仍采取按单元操作进行，则不利于学生对教学内容的整体掌握以及对下游技术的灵活运用。通过生物工程下游技术综合性实验，有利于学生对该课程综合知识领会与掌握。

1.2 培养创新型人才的要求

综合性实验具有探索性与综合性的特点，着重培养学生运用已有知识发现问题、提出问题，进而解决问题的能力［10，11］。所谓探索性就是学生需要自己做实验设计，提出实验方案，实验也没有固定的实验操作步骤，实验结果具有不确定性［3］;综合性就是将生物工程下游技术所涉及到的主要技术环节的主要内容体现出来，以一个生物制品为主线，利用多种原理和技术方法完成实验过程，将原有各自独立的相关实验项目有机整合。通过生物工程下游技术综合性实验，有助于学生的创新能力［3］。

2 综合性实验的设计

2.1 生物工程下游技术综合性实验的内容设计

根据生物工程下游技术教学内容将综合实验内容设计成三大模块，每个模块又包含一些具体的技术单元，通过完成三大模块的实验，使学生熟悉掌握相关的系列单元操作技术。模块一:基因工程菌的大规模培养及高密度发酵技术。通过这部分实验，使学生掌握工程菌大规模培养及高密度发酵技术的原理及方法。模块二:蛋白质的初步分离与复性技术。通过这部分实验，学生学习蛋白质的分离与复性常用方法的操作与使用，掌握蛋白质初步分离与复性技术的原理与方法。模块三:亲和层析、凝胶过滤及离子交换层析技术。通过这部分实验，学生学习凝胶过滤及离子交换层析技术操作方法和工作步骤，掌握凝胶过滤及离子交换层析技术的工作原理与蛋白质精细分离技术。

综合实验以一个新的蛋白质的制备过程为主线，从工程菌大规模培养开始，完成目标蛋白的表达、分离、纯化、复性及鉴定整个实验过程。整个实验充分体现探索性及综合性的特点，作者以教研室承担的国家863重点课题“蛋白质锚定技术用于表浅膀胱癌术后复发的防治”所涉及的融合蛋白质中的链亲和素标记的 GM-CSF、IL-2、IL-15、TNFα 和 CD40L 双功能蛋白质分子为目标蛋白开展实验研究。由于给学生制备的蛋白质是研究所在课题研究中构建的新的融合蛋白质，具体的制备过程没有现成的模式，具备探索性。目标蛋白质的分离需要先经过初步分离，然后进行精细分离。在粗分离中，一般选择盐析、等电点沉淀、离心、膜过滤等高通量的方法;在精细分离中，则采用离子交换、分子筛等高选择性方法，整个实验又具备很好的综合性。同时，通过实验中预设的习题，引导学生发散思维，考虑多种不同的分离方法。

2.2 生物工程下游技术综合性实验的方法设计

(1)分组实验。综合性实验分为若干小组，每组4～5人。考虑到生物制品制备过程中很多技术需要连续操作，因此将整个实验安排在较集中的时间完成。在实验过程中，每个小组成员自由分工，相互协助，并做好详细的实验记录。实验完成后，每个实验小组需提交一份实验报告。每个小组成了承担具体任务的学习与研究的集体。

(2)学生自主设计实验方案。在实验实施前，要求学生根据实验内容需要先查阅相关文献，做好实验设计。根据待分离的目标产物的性质，设计出不同的分离步骤，不同的分离方法，主要是针对样品和杂质的性质差异进行分离，如分子大小、电荷、形状、溶解性等。对于分离体系和目标产物的背景越了解，越可能根据不同的分离原理和分离方法设计合理的分离过程。每个实验小组可以将各自的方案与老师讨论。

(3)综合性实验考核。通过评阅学生提交的综合实验报告来评价实验的效果。要求学生的实验报告以论文的格式完成，包括以下内容:前言:回答为什么要做该研究?可简要介绍制备的目标蛋白特性、功能、国内外研究的现状等;材料与方法:回答实验所用的菌株、试剂以及来源所需的实验器材实验的操作过程;实验结果:回答做得怎样?根据实验过程将每一步的结果相关数据、图片展示出来，并作必要的说明，得出相关的结论。讨论:根据实验结果进行讨论，实验结果有哪些意义?所用的研究方法有哪些优点?有哪些不足?下一步需要研究解决的问题。考核不是单纯看实验结果的好坏，而是要考核学生的实验能力和学风，包括实验设计方法的正确性、实验结果的分析和实验报告的书写水平，及学习态度等多方面内容。

3 综合性实验的成功要素

3.1 要求教师具备较强的专业素质和教授技能

(1)更新观念，提高能力，掌控综合实验过程。做好生物工程下游技术综合性实验教学，教师必须更新观念，认识到教师不仅仅要传授知识给学生，而且应当着力提高学生的综合素质和创新能力。生物工程下游技术综合性实验教学，需要教师具备较高的理论和实践能力，能够很好地组织学生完成实验过程。综合性实验涉及的内容丰富、步骤较多，实验中往往出现一些不符合预期的结果，如何引导学生思考、解决这些问题，这就对教师的知识面、处理问题的能力、应变能力等提出了更高的要求。

(2)收集信息，改进综合实验教学。做好生物工程下游技术综合性实验，要求教师注意收集学生的反馈信息，不断改进教学。在实验期间及实验完成之后，教师都应该广泛、深入收集学生的反馈信息。经过综合性实验，学生会对教学过程产生自己的理解和看法，这对改进教学具有重要的参考价值。教师通过课程结束后的调查问卷、教学中的指导实验、批改实验报告和课后讨论等方式收集学生的反馈信息，经过分析研究，吸收其合理因素，借以调整、改进综合性实验教学［12-13］。

3.2 要求学生具备主观能动性，科学协作精神

在综合性实验项目的开展中，要求学生充分发挥主观能动性。综合性实验要求经过课前布置以后，就应以学生为主，在教师的监督和指导下，由学生自主完成，他们可以在一定程度上自己统筹安排实验操作，并能正确分析实验现象，完成实验报告［13，14］。在综合性实验项目中，要求学生如实描述自己制备的产品特征、计算收率，能够分析影响自己产品数量和质量的原因，培养学生实事求是的科学作风。在综合性实验的实施过程中，是以小组为单位完成整个实验，要求学生们对实验内容有一个整体上的把握的同时，各组同学合理分工、相互协作完成全部实验操作，这要求学生具备科学协作精神。通过一系列前后相关的实验操作，完成整个综合性实验。

3.3 要求具备开放的教学实验室及足够的实验设施

综合性实验有部分实验内容需要在课时外完成，因此，如何解决教学实验室在时间和场所的开放成为关键［15］。我们对教学实验室实行了开放式管理。一是通过建立门禁预约制度，学生根据实验内容提前预约实验室老师，凭借门禁卡进入实验室。二是建立实验室使用登记制度，学生对所进入的实验室做好使用情况记录。三是实行研究生助教管理制度。综合性实验的课时外内容在研究生助教的管理下完成。教学实验室的开放为综合性实验的开设创造了有利条件。综合性实验是采取多个小组同时实验，因此，要求实验室具备足够的实验设施。近年来，我们学院实验教学中心加大了建设力度，又购置了多台色谱仪、离心机等设备，保证了综合性实验的圆满完成。

4 生物工程下游技术综合性实验的教学效果

生物工程下游技术综合性实验教学，取得了良好的效果。同学们普遍反映，通过综合性实验，不仅增强了动手能力，而且对专业知识有更加系统的了解;不但掌握了具体的实验技术，更领会到一般的生物分离方法，真正学到“活的”知识。综合性实验，提高了学生的综合素质和创新能力。2008年，一个实验小组以综合实验为主体的研究课题参加第二届广东大学生科技学术节之第六届“挑战杯”广东大学生创业计划竞赛获金奖，参加第六届中国大学生创业计划竞赛获铜奖。

5 结语

通过我们的实践体会，认识到生物工程下游技术综合性实验具有重要的教学改革价值，符合在实验教学中提高综合性实验比例的大趋势;对培养学生的自主学习能力、独立观察和发现问题、分析问题及解决问题的能力，以及实践能力、协作精神、创造能力和创新意识有着不可替代的作用。开展生物工程下游技术综合性实验，对教师的专业素质和教授技能提出了更高的要求，也需要教学资源的合理和良好配置。高等院校是培养专业技术人才的摇篮，应该鼓励和支持教师多开展创新性综合实验，把创新能力和创新人才的培养真正落到实处。

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