以分枝杆菌噬菌体为例探索生命科学研究型教学

樊祥宇，何颖，谢建平

西南大学生命科学学院，三峡库区生态环境与生物资源省部共建国家重点实验室培育基地，三峡库区生态环境教育部重点实验室，现代生物医药研究所，重庆北碚 400715

从多学科角度出发，认识、理解并使用多种有效方法和手段来解决复杂生物学问题是目前生物学研究的明显特征，与此对应的整合生物学(Integrative biology)的概念也开始频繁出现[1～3]。这有机的整合了生物学各分支学科如分子生物学、细胞生物学、生理学、遗传学、生态学、生物信息学及化学生物学等，融合其他学科如物理学、化学、数学、计算机、工程学和影像学，甚至包括社会科学的研究思路和方法，全面探索生命的本质。这也暗示新的科学思维方式和新的科研态度。整合生物学与系统生物学这两个概念有很多重叠，系统生物学一般指在生命科学研究过程中的整合及其由此产生的生物网络与调控，以及从整个系统的角度阐明网络的工作原理[4]。Wake[1]认为系统生物学是整合生物学的一部分，属于整合生物学的科研实践内容。

整合生物学研究以及教学主要涉及以下两个方面：(1)将具有不同技能的研究者整合在一起形成团队，以此来发现重要且复杂的生命问题并利用整合生物学的思维解决问题；(2)教学方面，搭建新的教育框架，整合生命科学各方面并融合其他学科，以此对学生进行基本的整合生物学及其思维方式的教育。

1 生命科学教学需要改革

1.1 学科发展提出的挑战

与整合生物学研究的迅猛发展相呼应的是国际上出现的一系列以整合生物学命名的学术期刊(表1)。

表1 国际上以整合生物学命名的学术期刊

整合生物学是在一些科学问题需要各学科交叉、共同研究的背景下出现的[1]，传统的学科边界正在淡化。具体到生命科学教学，在生物化学知识体系中含有大量的分子生物学的知识框架及技术；在免疫学知识体系中则包含大量的细胞生物学以及微生物学的知识；随着科学技术的发展以及基因组、转录组和蛋白质组等大数据的产生，数学以及计算信息科学在生物学中的应用越来越广泛。在这种学科大融合大发展的背景下，传统的课程明显会使得学生仅仅获取缺乏融会贯通的、割裂的知识框架。这需要新的教学模式。

1.2 高校生命科学基础教育面临的挑战

据不完全调查，现在高校的教学模式仍然是传统的分开授课。分开授课是指传统的理论内容和实践(或实验)内容分开授课以及不同学科之间的分开授课。课程间往往互相竞争，追求最大化占据学生时间，更有甚者，一些学校开设的理论内容和相关的实践内容在不同学期授课。这种授课模式显然已经不能满足现在生命科学或生物医学的最新发展以及学生对知识的渴求，主要表现为学生的理论知识体系和实践知识体系之间脱节。教授理论知识时，导致学生对理论的认识不足；而教授实践知识时，学生则仅动手完成老师所指导内容，但对理论却不求甚解。另外，在现在科研为重的背景下，大部分的教师迫于生存压力，侧重于写论文、申报项目，对于教学并不上心，对于课程并没有深层次的把握。这些都导致了教师敷衍学生应付的不良循环，“教学相长”流于形式。

另外，在传统课堂上，学生的注意力主要集中在学习以及记忆学科知识上，而并非探索性思维。但事实上，在科技发展如此快速的今天，知识的爆炸性增长使得几乎没有人能一直拥有最前沿的知识和技能，独立思考能力以及开创性思维才是社会或科技快速发展所必需而大多数学生急需培养的能力[5]。

1.3 学生素质提高的需要

1999年，中共中央、国务院做出的《关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》明确了实施素质教育的重要性和必要性以及实施素质教育的具体举措，标志着素质教育进入国家全面实施的新阶段。第一批全面接受素质教育的学生现在正处于大学本科阶段。他们从小接受素质教育，更倾向于接受可以开阔创新思维的新的授课模式。在这一背景下，各学科交叉、整合更有利于使学生碰撞出创新思维的火花，这种具有整合生物学理念的授课模式显然比传统模式更受欢迎。

2 噬菌体是探索生命科学研究型教学模式的理想生物材料

无论从历史价值，还是对教学材料经济成本和时间成本而言，噬菌体都是开展新教学模式探索的理想材料，噬菌体作为生命科学研究中的功勋微生物，现代生命科学和一些重大生物技术都基于噬菌体。比如：赫尔希(Alfred Day Hershey)和沙斯(Martha Chase)利用噬菌体作为研究对象，决定性地证明了DNA是遗传物质，开创了分子生物学；德尔布吕克(Max Delbrück)和卢里亚(Salvador Luria)则利用噬菌体作为研究对象，发现细菌突变规律，并开辟了细菌遗传学的新领域；阿尔伯(Werner Arber)和史密斯(Hamilton O. Smith)对现在分子生物学实验最常见的限制性内切酶的研究为基因工程的诞生奠定了基础；乔治.史密斯(George Smith)则发明了在科学研究中被广泛运用的噬菌体展示技术；抗生素耐药性和基因组学研究技术使得噬菌体研究重新成为热点。另外，本课题组长期科研合作伙伴之一——美国匹斯堡大学生命科学系系主任Graham F. Hatfull教授领导的研究小组利用分枝杆菌噬菌体作为教学研究对象，整合全美几十所不同层次的大学和中学，开设了“噬菌体猎人”课程[6,7]。这一课程在美国的成功及蓬勃发展也为我们课题的开展提供了借鉴。

3 以分枝杆菌噬菌体为例的生命科学研究型教学框架

噬菌体作为本课题组的研究方向之一，在对其进行基础研究以及遗传工具开发之余，我们也形成了以噬菌体作为切入点的教改思路。以课题组已经发表的两篇研究性文章作为教学基本素材[8,9]，我们从两方面入手，探索了教学改革框架：新型分枝杆菌噬菌体的分离与功能基因分析以及原噬菌体的挖掘。

美国匹斯堡大学Graham F. Hatfull课题组领导的美国大学生物学教学改革项目“噬菌体猎人”已经在美国多所大学卓有成效的展开[7]。我们的新型分枝杆菌噬菌体的分离与功能基因分析的教学框架，主要借鉴这一“噬菌体猎人”课程，并对其做了适合中国国情的适度改进。图1描述了基本的教学框架，学生们首先从可能含有分枝杆菌噬菌体的土壤中利用微生物培养技术分离分枝杆菌噬菌体；分离得到噬菌体后通过基本的微生物学及生物化学操作技术纯化噬菌体；然后分析噬菌体的基本生物学特征；通过分子生物学手段得到噬菌体的基因组，之后进行测序；利用生物信息学以及比较基因组学的知识对噬菌体的全基因组进行分析；对部分重要基因进行系统生物学进化分析。在这一框架下学生将会学到生态学、微生物学、遗传学、计算生物学、比较基因组学、生物信息学及进化生物学等方面的知识和技能(图2A)。

原噬菌体挖掘的侧重点则集中在遗传学、计算生物学、比较基因组学以及生物信息学。图 3描述了基本的教学框架，学生们首先从 NCBI等数据库中得到待分析的细菌全基因组序列；通过PHAST在线软件得到细菌基因组中可能的原噬菌体序列；然后通过BlastP比对可能原噬菌体中ORFs读框和已知噬菌体基因的同源性，得到真正的原噬菌体；下载原噬菌体的全基因组序列后，通过一系列的软件，我们便可以分析其全基因组结构，然后通过 sequin程序向NCBI数据库提交其基因组序列；利用NCBI数据库中的BlastN及Geneious中的dotplot分析将原噬菌体基因组和已经得到的噬菌体及原噬菌体全基因组序列进行比对分析；通过ClustalW及MEGA探讨原噬菌体内保守蛋白的进化，以此映射原噬菌体全基因组的进化。学生还可以在课程发展中学习各种数据库及软件，它们包括：NCBI数据库、PHAST(用于挖掘 prophage)、BlastP及 BlastN、Glimmer(用于寻找 ORF)、tRNA-Scan-SE(用于搜索tRNA基因软件)、ARAGORN(用于搜索 tmRNA基因)、DNAman(用于寻找重复序列)、Sequin(用于向NCBI提交序列软件)、Geneious(用于Dotplot全基因组比对)、ClustalW(用于比对蛋白质序列)及MEGA(用于构建系统进化树)。

图1 新型分枝杆菌噬菌体的分离与功能基因分析教学框架流程图

图2 基于分枝杆菌噬菌体的整合生物学教学改革概略图

本课程为学生提供了一个实战性质的生物信息学和遗传学、微生物学高度整合的独立、自我教育的体验性过程(图 2B)。当然这一原噬菌体的挖掘教学框架并不被限定在分枝杆菌原噬菌体上，还可以延伸至数据库中所有已测序的细菌。

4 展 望

通过 5年的实践，我们发现以噬菌体为例的教学改革有利于培养新一代高素质的生物科学、生物医学基础科技人才。首先，这倡导学生对于理论和实践综合学习，在实践中学习所涉及学科的理论知识，并将学到的知识运用到实践中，这有效地克服了分开授课导致的知识脱节；其次，科研过程与教学课程高度整合，教师可以从学生得到的数据中获得写论文的灵感，教学过程也能变成科研探索过程。学生的学习过程也是科研的历程，这可以激发学生对科研的强烈兴趣，“教学相长”是不言而喻的。再次，这本身即是对未知的探索，在探索中学习所涉及的各种学科知识，这将激发学生的创新性、探索性思维。

图3 原噬菌体挖掘教学框架流程图

[1]Wake MH. Integrative biology: Science for the 21st century.Bioscience, 2008, 58(4): 349–353.

[2]Wake MH. What is “Integrative Biology”?Integr Comp Biol,2003, 43(2): 239–241.

[3]Bartholomew G. Integrative biology, an organismic biologist’s point of view.Integr Comp Biol, 2005, 45(2): 330–332.

[4]Henry CM. Systems biology.Chem Eng News, 2003, 81(20):45–55.

[5]刘志祥, 徐刚标, 曾超珍, 王爱云, 吴若炎. 遗传学与基因组学整合课程探讨. 遗传, 2011, 33(7): 801–806.

[6]Hatfull GF, Pedulla ML, Jacobs-Sera D, Cichon PM, Foley A, Ford ME, Gonda RM, Houtz JM, Hryckowian AJ, Kelchner VA, Namburi S, Pajcini KV, Popovich MG, Schleicher DT, Simanek BZ, Smith AL, Zdanowicz GM, Kumar V, Peebles CL, Jacobs WR Jr, Lawrence JG, Hendrix RW.Exploring the mycobacteriophage metaproteome: phage genomics as an educational platform.PLoS Genet, 2006,2(6): e92.

[7]Jordan TC, Burnett SH, Carson S, Caruso SM, Clase K,DeJong RJ, Dennehy JJ, Denver DR, Dunbar D, Elgin SC,Findley AM, Gissendanner CR, Golebiewska UP, Guild N,Hartzog GA, Grillo WH, Hollowell GP, Hughes LE, Johnson A, King RA, Lewis LO, Li W, Rosenzweig F, Rubin MR, Saha MS, Sandoz J, Shaffer CD, Taylor B, Temple L,Vazquez E, Ware VC, Barker LP, Bradley KW, Jacobs-Sera D, Pope WH, Russell DA, Cresawn SG, Lopatto D,Bailey CP, Hatfull GF. A broadly implementable research course in phage discovery and genomics for first-year undergraduate students.MBio, 2014, 5(1): e01051–01013.

[8]Fan XY, Teng TS, Wang HH, Xie JP. Biology of a novel mycobacteriophage, SWU1, isolated from Chinese soil as revealed by genomic characteristics.J Virol, 2012, 86(18):10230–10231.

[9]Fan XY, Xie LX, Li W, Xie JP. Prophage-like elements present in Mycobacterium genomes.BMC Genomics, 2014,15(1): 243.