重组DNA分子模型的再设计

张艳娟

摘要 丰富重组DNA分子模型的内涵，突破目的基因正连和倒连、单酶切和双酶切差异等教学难点，引导深度学习。

关键词 重组DNA分子 模型 深度学习

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

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“DNA重组技术的基本工具”是人教版高中生物选修3专题1第一节的内容，教材给出了重组DNA分子的模拟制作活动建议，也有教师尝试过展板模型。模型直观模拟了分子水平的操作，带给学生“边做边学”的生动体验。然而，由于模型设计的局限性还有一些难点有待突破，如限制酶如何选择、目的基因正连和倒连、双酶切与单酶切的区别等。为此，笔者尝试对模型进行再设计，丰富模型内涵，引导深度学习。

1模型设计要点

1.1含目的基因的DNA片段模型

该模型有两个设计要点：1目的基因有方向性，反向连接会导致错误表达，所以用开始和结束表明方向（目的基因不一定带启动子和终止子，所以未标启动子和终止子）;2获取目的基因时要既可用单酶切，又可用双酶切。所以，目的基因两侧各设计了一个G↓AATTC的识别序列，并在目的基因左右两侧分别增加↓GATC和↓TCGA的识别序列。值得注意的是目的基因左侧↓GATC和G↓AATTC之间要增加一个无关碱基对，否则两个酶切序列连起来中间会出现一个↓TCGA的识别序列，增加不必要的干扰;目的基因右侧↓TCGA要设计在G↓AATTC的左侧。这样，可以在G↓AATTC酶切后模型的基础上再切割↓TCGA位点。另外，如果↓TCGA在G↓AATTC的右侧，即使添加两种限制酶（酶2和酶3），目的基因两侧也只有酶2切割后产生的黏性末端。

1.2运载体模型

该模型模拟了最常用的运载体——质粒，模拟目标是既要体现单酶切和双酶切的区别，又要至少体现运载体具备的两个条件：具有1个至多个限制酶切割位点便于与外源基因连接、具有某些标记基因便于重组DNA的检测与鉴定。因此，质粒上设计了三种限制酶的识别序列G↓AATTC、↓GATC和↓TCGA，其中↓GATC的识别序列位于标记基因中。

2模型制作方法

根据教学需要设计了两种模型：分组活动模型和黑板展示模型。

分组活动模型（图1）以学案的形式印发给学生，确保每一位学生都能亲自动手操作。为了使目的基因与质粒的连接美观规范，两种DNA模型的宽度要相同、碱基大小和间距要一致。

黑板展示模型（图2）的要求是字大醒目，可在黑板上吸附和移动，并能多次重复使用。该模型利用“不织布”制作，方便折叠，经久耐用。不织布的正面粘贴印有“A、T、C、G”四个字母的彩纸，代表四种脱氧核苷酸;背面粘贴软磁片，可吸附在黑板上。为了延长模型使用时间，彩纸上贴一层宽胶带。各限制酶的切口提前剪开，断开处用透明胶带粘起来，把透明胶带的一头对折，使其失去粘性，方便手持操作。因透明胶带粘在光滑的宽胶带表面，所以将透明胶带撕开、粘上的操作可多次重复。为了展示目的基因与目的基因相连和质粒与质粒相连，目的基因和质粒各做2个。

3模型使用策略

该模型构建活动适合在学生初步了解相关知识的基础上，进行深入拓展探究，所以安排在“DNA重组技术的基本工具”第1课时后。

3.1目的基因和质粒的再认识

为提高课堂效率，教师在课前下发印有模型的学案，请学生将目的基因所在DNA和质粒DNA沿实线剪下来，并将质粒首尾相连成环状备用。课上，在学生观察模型后，教师提出问题：1什么是目的基因？2目的基因的方向会不会影响其表达？3从DNA中分离出目的基因需具备几个限制酶酶切位点，水解几个磷酸二酯键？4目的基因所在DNA被切割后会断成几部分？5质粒的化学本质是什么？6质粒作为运载体必须具备哪些条件？7质粒被一种限制酶切割后会形成几个DNA片段，出现几个游离的磷酸基团？被两种限制酶切割呢？8如何区分不同长度的DNA片段以便找到所需的DNA片段？接着，补充介绍凝胶电泳技术，帮助学生理解限制酶切割后应对DNA片段进行分離和鉴定，以防止切割后的DNA片段再度连接。

3.2体验重组质粒的构建

教师展示图3，提出问题：如何选择获取目的基因和切割质粒的限制酶，切割后的末端应具备什么特点？学生分析可知，不能选用酶1，因为会破坏标记基因，从而确定两种可行方案：1使用酶2进行单酶切;2使用酶2和酶3进行双酶切。

为了更好地对比体验单酶切和双酶切的区别，学生先尝试用酶2切割目的基因所在DNA片段和质粒。教师提出问题，引导学生思考：假如借助凝胶电泳技术分离和纯化了目的基因片段，排除了目的基因两侧的DNA片段。现将很多目的基因和切割后的质粒放进一个容器，加入DNA连接酶后会产生多少种连接方式？学生两人一组将各自切割后得到的目的基因和质粒放在一起，模拟可能的连接方式。学生代表利用黑板展示模型汇报，可能的连接方式有6种：目的基因自身环化、质粒自身环化、目的基因和目的基因连接、运载体和运载体连接、目的基因和运载体连接（其中包括目的基因正连和倒连两种情况）。接着，启发学生思考：如何减少错误连接，提高转基因的成功率呢？学生自然会想到双酶切，接着分组模拟体验酶2和酶3切割后的DNA片段连接方式，分析双酶切（图4）比单酶切（图5）的优越性。双酶切排除了目的基因和质粒的自身环化现象，也避免了目的基因倒连，但仍存在目的基因和目的基因、运载体和运载体相连的情况，所以转基因后需进行目的基因的检测与鉴定。教师追问，启发学生思考：如果标记基因为氨苄青霉素抗性基因，如何鉴定目的基因是否导入？如果标记基因为氨苄青霉素抗性基因，酶3位于抗四环素基因中，如何鉴定目的基因是否导入？

4教学反思

该重组DNA分子模型补充设计了目的基因的方向性、从一种限制酶识别序列增加到三种限制酶识别序列，深入浅出地破解了目的基因正连和倒连、单酶切和双酶切的差异等难点问题，并将限制酶与凝胶电泳技术有机衔接，丰富模型内涵。教师创设了驱动深度学习的真实情境，促使学生主动参与中解决有挑战性的问题发展了科学思维。手脑并用的真实体验有利于模型建构内化为自觉的思维习惯和能力。

参考文献：

汪林静.设计展板模型突破基因工程的教学难点[J].生物学教学，2014，39（9）：33.