生化实验室大型仪器设备在综合实验中的应用

李　欣, 赵玉红, 李小菊, 张金红, 赵立青, 石建党, 周　浩

(南开大学 生命科学学院 生物实验教学中心, 天津　300071)



生化实验室大型仪器设备在综合实验中的应用

李欣, 赵玉红, 李小菊, 张金红, 赵立青, 石建党, 周浩

(南开大学 生命科学学院 生物实验教学中心, 天津300071)

生化实验室立足本科生和研究生创新能力培养,将多种大型仪器设备应用于综合实验课程中,不仅提高了大型仪器的使用率,还能够让学生所学知识与时俱进,更好地与未来发展接轨。同时,大型仪器设备的应用还激励教师以科研反哺教学,促进了教学内容的革新和实验水平的提高。另外,还鼓励管理人员参与到综合实验教学中,提升了管理人员的业务水平,为在工作中更好地服务于创新型人才培养奠定了良好的基础。

生化实验室； 大型仪器设备； 综合实验

生命科学领域发展日新月异,生物化学及分子生物学不但是其中的重要分支,更已成为其他学科领域研究中的重要手段和工具。生物化学与分子生物学实验室(简称“生化实验室”)隶属南开大学生命科学学院生物实验教学中心,多年来一直承担着生物化学及分子生物学专业相关的实验教学及人才培养任务,面向本科及研究生开设了基础性、综合性、开放性等不同层次的实验课程。针对生物化学和分子生物学学科培养,不但要让学生在基础性实验中夯实基本理论和基本技能,更要通过高水平的综合性实验,让学生了解学科前沿和发展动向,熟悉科研领域中常用的大型仪器设备和先进的实验技术。因此,将大型仪器应用于综合实验,既是高质量实验教学的重要保障,也是实践型创新人才培养的必然要求[1-2]。

1　大型仪器设备应用于综合实验势在必行

南开大学生命科学学院面向大四本科生和低年级研究生分别开设了“生物科学综合实验”和“生物学综合实验”课程。前者是生物科学专业必修课,旨在让大四学生将基础理论和基本技能融会贯通,培养系统的研究思路和良好的科研素养,是随后进行毕业设计的预演,也为日后进行科研工作或就业做了铺垫[3-4]；后者是研究生选修课,可以跨专业选课,旨在打破专业壁垒,使研究生在钻研自身研究课题之外,对其他领域先进实验设备和常用实验技术也有所涉猎,促进学科间的交叉综合,让新的思维方式和技术方法更好地服务于自身研究,有利于在学术科研和实践应用中有所突破和创新[5-6]。

要实现上述培养目标,就要让学生在综合性实验中接触到学科前沿和技术热点,不再对实验室里那些大型仪器设备抱以“仰视”的态度,而是真正能够动手操作,切身体验到先进技术在解决科学问题中发挥的巨大作用。因此,先进大型仪器设备作为前沿实验技术的重要载体和硬件保障,将其引入综合实验则势在必行。生化实验室承担两门综合实验课程中生化及分子生物学部分的实验项目,将近年来购置的罗氏荧光定量PCR仪、AKTAprimeplus蛋白纯化系统、高效液相色谱、二维电泳装置等多种大型仪器设备应用于综合实验项目中,既是保障实验项目能够顺利开展的重要前提,同时也是实现实践型创新人才培养目标的必然要求。

2　大型仪器设备应用于综合实验的具体实践

生物化学实验室以先进大型仪器设备作为硬件依托,设置多个综合性实验项目,现分别将几种大型仪器在实验中应用的具体实例介绍如下。

2.1二维电泳检测热休克处理对细菌蛋白表达谱的影响

二维电泳技术在蛋白质组学研究中占有核心地位,是分析蛋白表达变化和差异的关键技术,对研究细胞代谢、疾病发生等方面具有重要的指导意义和应用价值,在实验教学中作为热门技术也受到广泛关注[7-8]。在本科生生物化学基础实验教学中,已经分别涉及到聚丙烯酰胺凝胶等电聚焦电泳和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE),学生对这两个单向电泳的原理和操作都有了较为清楚的认识和实践经验,而二维电泳正是这二者的有机结合,其原理是样品先进行等电聚焦电泳,不同蛋白依据等电点差异而分开,再在垂直方向进行SDS-PAGE,蛋白又依据分子量大小不同而得到分离。

生化实验室根据学生的实验基础,开设了“二维电泳检测热休克处理对细菌蛋白表达谱的影响”的综合实验项目,用二维电泳技术分析研究细菌经不同温度热休克处理后蛋白表达上的差异。实验室将一整套完善的二维电泳设备(见图1),包括BIORAD等电聚焦电泳仪(PROTEANIEFCELL)、光密度分析仪和PDQuest分析软件等应用其中,学生先将经过前期处理后的样品与IPG预制胶条密切接触,通过等电聚焦电泳仪进行第一向电泳,再通过BIORAD垂直电泳装置进行第二向SDS-PAGE电泳,凝胶经染色脱色后,通过光密度分析仪扫描(学生结果扫描见图1),再用PDQuest分析软件对蛋白表达差异进行分析。

图1　二维电泳装置

通过等电聚焦电泳仪、光密度分析仪等应用于综合实验项目,使二维电泳技术可以系统成熟地应用于实验教学,为该综合实验项目的顺利开展提供了硬件保障和技术支持。同时,二维电泳装置的应用,提升了实验水平,使实验内容能够更好地与热点问题和技术前沿接轨,满足学生适应未来深造和研究工作的发展需求[9]。

2.2用AKTAprimeplus蛋白质层析系统纯化绿色荧光蛋白(GFP)

蛋白质纯化技术是生物化学研究中应用最为广泛的技术之一,它是利用目的蛋白与杂蛋白之间物理、化学及生物学特性的差异,通过合理的纯化方法最终得到较高纯度的目的蛋白。所涉及的分离纯化方法主要有亲和层析、分子排阻层析、离子交换层析等。在前期基础实验教学中,学生通过“SephadexG-75凝胶色谱法分离不同分子量的蛋白质”这一实验对层析的概念和作用已经有了基本认知。在此基础上,生化实验室将购置的AKTAprimeplus蛋白质纯化系统应用于综合实验教学(见图2),并配合购置了多种层析柱,开设了“用AKTAprimeplus蛋白质层析系统纯化绿色荧光蛋白(GFP)”的实验项目。实验中用大肠杆菌大量表达重组GFP蛋白,利用AKTAprimeplus蛋白质层析系统依次结合Ni-NTA柱、HiPrep16/60SephacrylTMS-200HR色谱柱和HiTrapTMDEAE阴离子柱,对经过前处理的蛋白样品分别进行亲和层析、分子排阻层析和离子交换层析,最终获得高纯度目的蛋白GFP,并利用SDS-PAGE进行纯度的鉴定，学生层析结果如图2所示。

图2　AKTA prime plus蛋白质层析系统和学生层析结果

AKTAprimeplus蛋白质层析系统的应用,将多种纯化方法串联在一起,使学生对蛋白纯化方案有一个整体的感知,明白任何一种层析并非是一种孤立的手段,而是需要综合应用、融会贯通才能达到实验目的。另外,该仪器的设置并不复杂,流速、压力、洗脱体积、洗脱梯度等参数都可以由学生在教师指导下自行设置,让学生了解整个实验每一步、每一次纯化是在做什么、怎么做、为什么做,更能充分体现出该实验 的“综合”之处。

2.3高压液相色谱法(HPLC)检测食品中特殊组分含量

HPLC是经典色谱技术的延伸,其原理是以液体作为流动相,利用物质在两相间分配系数的差异进行分离,在科学研究和食品药品检测等领域具有重要的应用价值。生化实验室拥有2台配备6000PVW可见/紫外检测仪及AccusilC18-10u-250×4.6nm色谱柱的高效液相色谱仪，见图3,并将整套设备应用于 “高压液相色谱法检测食品中特殊组分含量”这一综合实验项目中,让学生以自己查阅的文献作为理论依据,自行选择感兴趣的物质进行分析检测,如“高效液相色谱检测雪碧中苯甲酸的含量”等。学生在参考文献和教师指导下完成样品前处理,确定流动相比例、压力、流速等相关参数,并亲自上样、分析结果(见图4),对HPLC的原理、使用方法、注意事项及应用范畴有了清楚的认知,在亲身体验中充分调动起学习兴趣和积极性[7,10]。

图3　高效液相色谱仪和学生实验结果

2.4实时定量PCR仪分析IPTG对启动子活性的调节作用

实时荧光定量PCR技术从传统定性PCR技术发展而来,所不同的是在反应体系中加入荧光基团,扩增过程中可以通过荧光信号对PCR进程实时检测,并根据指数增长期扩增量和起始量存在的相关性对样品中DNA(或cDNA)的起始浓度进行精确定量。该技术已在科学研究、疾病诊断、食品安全检测等领域广泛应用。生化实验室在学生学习过传统PCR技术的实践基础上,利用购置的罗氏实时定量PCR仪LightCycler480见图4。用该仪器开设了综合实验项目 “实时定量PCR分析IPTG对启动子活性的调节作用”，该实验分为两部分，大肠杆菌RNA的制备(IPTG诱导组和对照组)和实时定量RT-PCR实验检测大肠杆菌中mGAPDHmRNA表达量。实验室通过在综合实验中引入实时定量PCR,不但让学生巩固了基础实验中RNA提取技术、传统PCR和微生物无菌操作等实验技能,更让学生通过亲自体验,对实时定量技术的应用前提、实验体系、注意事项等有了深入的认识。实验结果需要通过LightCycler480系统软件进行分析，学生实验结果见图4。从该结果得出各组目的片段的起始浓度,在诱导组与对照组的比较中得到经过诱导后mRNA表达水平的相对增加倍数,进而推算出IPTG诱导对启动子活性或利用频率的影响。这一计算过程更加深了学生对于该项技术定量作用的理解,为今后在科研和生产中的实践应用打下了良好的基础。

图4　罗氏实时定量PCR仪LightCycler480和学生实验结果

3　大型仪器设备应用于综合实验的积极作用

大型仪器设备是实验教学的硬件基础和必要保障,在综合实验的顺利开展和创新人才培养等方面发挥着诸多积极作用。

3.1提高大型仪器设备利用率,与学生发展需求接轨

将大型仪器设备应用于实验教学,可以实现物尽其用,大大提高了利用率,有效避免了由于大型仪器设备闲置而造成的教学资源的巨大浪费。另外,学生以往对于这些大型仪器设备存在着一种仰视的心态,以为只有到复杂高深的研究层面才能真正接触和应用到。而事实上,这些大型仪器设备及其相应的实验技术都是集先进性和实用性于一身,与日常科学研究和生产实践密切结合的。将大型仪器设备应用在综合实验项目中,学生不但可以真正上手操作,了解其工作原理、使用步骤和注意事项,更能充分理解应用这些大型仪器设备到底可以帮助解决哪些科学问题,大大激发了学生的学习兴趣,对科学前沿、热点问题不再以观望的心态去崇拜和好奇,而是以一个研究者的身份去探究和实践,真正掌握这些实用性强、应用范围广的实验技能,这不但是培养具有创新意识和实践能力人才的必然要求,更为学生提供了一个与今后继续学习深造或生产实践等发展需求密切接轨的重要桥梁[11-12]。

3.2激励科研反哺教学,推动实验教学内容革新

生化实验室将学校投入高额购置的多种大型仪器设备面向本科生、研究生课程开放的同时,也为教师搭建了一个高水平的技术平台,鼓励教师在日常科研中充分利用这些先进仪器资源,在满足自身研究工作需求的同时,将这些大型仪器设备的功能和自身的研究领域结合起来,从自己的科研项目和科研成果中不断衍生出高水平的综合实验项目，并应用于实验教学。这种以教学助力科研,而科研又反哺教学的良性循环,不但提高了教师实验教学的积极性,更能够促进教师发挥自身研究领域的优势,将学科前沿涉及到的多项先进、热门的实验技术引入实验教学,开设高质量综合性实验项目,更新了实验教学理念,推动了实验教学内容革新,使实验教学水平更上新的台阶。

3.3提升管理人员业务能力,服务创新型人才培养

在基础实验教学中,实验室管理人员只是负责实验准备,教学部分由专职教师担任。而综合实验项目则有它的特殊性,会涉及到实验室多种大型仪器设备。而管理人员在仪器购置时就接受过厂家工程师的专业技术培训,并在日常大型仪器设备维护保养中积累了一定的工作经验,更加了解其性能和操作要点。因此,生化实验室管理人员和任课教师一同参与到综合实验教学任务中,如在HPLC实验项目中负责讲解整套设备的工作原理,并指导学生对样品进行正确的前处理,避免不恰当的处理方法对色谱柱的损害；在二维电泳实验中由管理人员讲解PDQuest分析软件,并利用该软件指导学生对自己的实验结果进行分析等。管理人员参与综合实验,可以在学生使用大型仪器设备过程中进行全程指导,并及时纠正学生操作中的错误,排除临时故障,保障实验教学顺利进行。而参与实验教学的这一过程，更是管理人员专业知识和业务能力不断提升的过程,在对学生的指导中,管理人员要随时面临学生的提问,因此更要随时学习、充电,不断提高自身业务水平,努力胜任角色,才能够更好地服务于创新型高素质人才的培养。

4　结语

高校实验教学作为理论联系实践的重要纽带,在学生动手能力、分析能力和创新能力等综合素质的培养方面发挥着举足轻重的作用[13-14]。而大型仪器设备作为高校不可或缺的教育资源,不但是实验教学的硬件保障,更在创新人才培养中发挥着重要作用。生化实验室将大型仪器设备应用于综合实验中,使大型仪器设备和高水平的实验项目相辅相成,一方面大大提高了大型仪器设备的利用率,满足了学生的实践需求,为学生今后发展做了良好的铺垫；另一方面促进教师以科研反哺教学,衍生出诸多高水平的实验项目,推动了实验教学内容的不断革新。另外,管理人员参与到综合实验课程中,不但有利于仪器设备的维护,更能够促进管理人员自身业务水平的提高,为更好地服务于高水平创新型人才培养做出了积极的努力和实践。

References)

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Researchonapplicationoflarge-scalevaluableinstruments&equipmentincomprehensiveexperimentofbiochemistrylaboratory

LiXin,ZhaoYuhong,LiXiaoju,ZhangJinhong,ZhaoLiqing,ShiJiandang,ZhouHao

(BiologicalExperimentalCenter,CollegeofLifeScience,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)

Manykindsoflarge-scaleinstruments&equipmentareusedinthecomprehensiveexperimentcoursebasedontheinnovationabilitytrainingofundergraduateandgraduatestudentsinthebiochemistrylaboratory.Theseapplicationsimprovetheefficiencyofthelarge-scaleinstruments&equipment,letstudentslearnbetterfortheirfuturedevelopment,andencourageteacherstotransformtheirscientificresearchintoteaching,whichpromotestheinnovationoftheteachingcontentandtheimprovementoftheexperimentlevel.Inaddition,themanagementpersonnelinvolvedinthecomprehensiveexperimentalteachingcannotonlyimprovethebusinesslevel,butalsolayagoodfoundationforbetterinnovativetalenttraining.

biochemistrylaboratory;large-scalevaluableinstruments&equipment;comprehensiveexperiment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.067

2015- 11- 11修改日期：2015- 12- 28

2013年国家基金委人才建设培养基金“条件建设”项目(J1310003)

李欣(1985—)，女，天津，硕士，实验师，主要从事生物化学和分子生物学实验教学工作

E-mail：stjkhyxf@126.com

张金红(1950—)，女，天津，教授，现任南开大学生物实验中心主任，研究方向为生物化学与分子生物学.

E-mail：jinhzhang@nankai.edu.cn

G482；G642.0

A

1002-4956(2016)5- 0252- 05