3D打印技术在DNA模型制作中的应用

2017-08-20胡海明章腾勋

生物学教学 2017年7期

胡海明章腾勋

(浙江省宁波市第二中学 315010)

1 DNA模型的制作和改进

1.1 模型设计为尽量使模型更具科学性，参考高中教材《遗传与进化》[1]、《细胞生物学精要》[2]和《分子生物学》[3]，设计了平面图片和主要的零件构成，将DNA分子分解成以下几种零件，分别是磷酸、脱氧核糖、4种碱基、氢键以及磷酸与脱氧核糖之间的磷酸二酯键，并确定每个零件的尺寸。

1.2 3D打印在专业教师的指导下利用犀牛(rhino)

3D建模软件进行建模，得到了建模文件。然后利用聚乳酸(PLA)为原料进行3D打印相关零件。

1.3 模型构建具体如下：

1.3.1 构建脱氧核苷酸 DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸。每个脱氧核苷酸是由一分子磷酸、一分子含氮碱基和一分子脱氧核糖组成。其中磷酸分子连接在脱氧核糖的5号碳原子上，含氮碱基连接在3号碳原子上(图1)。

1.3.2 构建双链DNA分子模型多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接形成一条脱氧核苷酸链。用同样的方式来构建另一条脱氧核苷酸链，注意这两条脱氧核苷酸链的碱基序列要与互补。两条脱氧核苷酸链是通过互补碱基之间的氢键连接起来的。其中A与T互补，形成两个氢键，C与G互补，形成三个氢键。接着，用氢键将两条双链连接起来。最后，通过各基团之间的相互作用，就形成了双螺旋结构的DNA。

1.3.3 模型展示磷酸与脱氧核糖交替连接，形成两条DNA分子的基本骨架，位于DNA分子的外侧，而碱基对位于DNA分子的内侧(图2)，而后利用铁架台作为支撑将平面结构的DNA转化成立体结构的DNA。

2 模型拓展：DNA复制和转录过程

利用3D打印技术制作的DNA双螺旋结构模型模拟DNA的半保留复制过程：①构建一个亲代DNA分子；②模拟解旋酶的作用使两条链间的氢键断开，形成两条“模板链”；③每一条母链按照碱基互补配对的原则，吸引含有互补碱基的脱氧核苷酸；④模拟DNA聚合酶的作用，用磷酸二酯键模型连接相邻核苷酸的脱氧核糖和磷酸基团。按照这种方式，脱氧核苷酸不断地结合到子链上，子链就不断地延长；⑤新形成的子链与相应的母链螺旋化形成两个新的子代DNA分子(图1)。

利用3D打印技术打印核糖核苷酸的零件，可模拟DNA转录的过程：①构建一个亲代DNA分子；②模拟RNA聚合酶的作用使DNA双链打开；③模板链按照碱基互补配对的原则吸引含有互补碱基的核糖核苷酸；④用磷酸二酯键模型连接核糖和相邻的核苷酸的磷酸基团，模拟新结合的核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接到正在合成的mRNA分子末端(图2)；⑤一段时间后，一条核糖核苷酸模型连接的链形成，模拟合成的mRNA从DNA链上释放；⑥DNA模型原断开的氢键重新接好，模拟DNA双链片段的恢复。

3 反思与建议

3.1 对教学的反思由于3D打印技术模型制作对教师的要求较高，需要教师有一定的创造力和洞察力。因此，教师可通过学生生物学模型制作大赛，从学生的获奖作品中寻找灵感，并和学生一起对作品进行完善最终运用于教学中，实现教学内容重、难点的突破。通过学生设计并动手制作生物学模型，教师也能及时发现学生模型中存在的一些问题，暴露出学生对教材知识的理解不够精确，需要进一步交流和沟通来对模型进行修正。3D打印技术模型制作能使学生的理性思维得到培养，情感态度价值观也得以升华。