模型建构在PCR扩增目的基因过程的应用

2023-12-07庞会平

教学考试(高考生物) 2023年5期

庞会平

(陕西省宝鸡市陈仓区虢镇中学)

基因工程中与PCR(聚合酶链式反应)的相关内容,是高中生物学教学中的重难点,为学生搭建了科学探究和理性思维的平台,为生物学命题提供大量的素材。《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》要求:为帮助学生达成对选择性必修课程概念5(基因工程赋予生物新的遗传特性)的理解,促进学生生物学学科核心素养的提升,应开展利用聚合酶链式反应(PCR)扩增DNA片段并完成电泳鉴定,或运用软件进行虚拟PCR实验等教学活动。这一要求凸显了PCR技术在基因工程中的重要地位。有关PCR扩增目的基因过程中引物的种类选择和数量计算、子代DNA的类型、数量和比例推算等问题,对学生的能力要求较高,作答时存在较大困难。

模型建构是生物学的一种重要科学方法,恰当使用这一方法可以让学生体验科学探究过程,培养学生的理性思维,提高学习效率。为突破PCR扩增目的基因过程中相关问题,可以先运用计算机绘图软件或多媒体动画,以模拟图等形式直观呈现前三轮扩增的结果,合理定义基本组成单位并从中发现变化规律,根据规律先建构物理模型,再运用数学归纳法建构数学模型。

例题：如图1为从靶DNA片段上通过PCR扩增目标片段(目的基因)过程图,请据图回答有关问题:

(1)PCR技术利用的基本原理是________。利用该技术扩增目标DNA片段(子链的延伸方向从5′→3′),应选择图中的引物________(填字母)与模板DNA结合。在PCR扩增过程中,经过n轮循环后,共有________个引物参与子代DNA分子的合成。

(2)PCR体系经过n轮循环可使DNA数量得到约2n倍的扩增。若反应体系加入m个靶DNA,经3轮循环后含有图中所示目标片段为________个,所占的比例为________;经过n轮循环后,含有目标片段为________个,所占的比例为________。

1.DNA类型的物理模型

PCR反应需要在一定的缓冲溶液中进行,需提供DNA模板、可分别与两条模板链结合的2种引物、4种脱氧核苷酸和耐高温的DNA聚合酶;通过控制温度使DNA在体外扩增。PCR体系中的耐高温DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)不能从头开始合成脱氧核苷酸链,故需要引物。引物是一小段能与DNA母链(模板链)的一段碱基序列互补配对的短单链核酸,用于PCR的引物长度通常为20～30个核苷酸。引物只能结合在母链(模板链)的3′端,作为子链(新合成链)的合成起点,脱氧核苷酸链合成的方向总是从子链的5′端向3′端延伸,即从引物3′端依次连接单个脱氧核糖核苷酸,最终延伸成脱氧核苷酸链。一般情况下,PCR只能特异性地扩增两个引物之间的DNA片段,也就是说引物决定了PCR扩增产物的长度和特异性。

运用计算机绘图软件或多媒体动画,以模拟图形式直观呈现前三轮扩增的结果,如图2。

图2 PCR前三轮扩增结果的模拟图

从图中可发现:PCR体系中存在三种不同长度的脱氧核苷酸链:即长链(Long chain)、中链(Medium chain)、短链(Short chain)。为了方便构建物理模型,将其依次定义为L链、M链、S链。由相同长度或不同长度的脱氧核苷酸链所构成的DNA分子共4种类型:L-L型DNA、L-M型DNA、M-S型DNA、S-S型DNA。

运用DNA半保留复制原理并结合图2过程,推理PCR过程形成的DNA分子类型,建构物理模型一,如图3。

图3 PCR扩增产物的物理模型一

为了方便建构模型,本文所建构的物理模型统一规定:从G1代开始,各代的DNA均以“母链(模板链)-子链(新合成链)”模式建构。

在第一轮循环中,以G0代L-L型DNA的2条L链为模板,合成2条新的脱氧核苷酸链:M链,组成2个L-M型DNA分子,即G1代的2个 DNA分子,均为不等长的L-M型DNA分子。

从第二轮循环开始,上一轮循环的产物也可作为模板链参与反应。第二轮循环中,G1代的2个L-M 型DNA分子共含有2条L链和2条M链,除了以2条L链为模板合成的2个L-M型DNA分子外,还有以2条M链为模板合成的2个M-S型DNA分子。G2代共4个DNA分子,均为不等长DNA分子。

在第三轮循环中,G2代的2个L-M型DNA分子和2个M-S型DNA分子,共含有2条L链、4条M链和2条S链。以2条L链、4条M链为模板合成6个不等长DNA分子不再复述;以2条S链为模板合成的2个S-S型DNA分子为等长DNA分子。可见,等长的DNA片段在第三轮循环产物中才出现。G3代共8个DNA分子,其中S-S型DNA分子为PCR扩增过程中的目标片段,也就是目的基因。

以此类推:G4代、G5代等。

2.DNA类型的数学模型

从G3代开始,每代扩增产物均有3种类型的DNA分子,即L-M型DNA、M-S型DNA、S-S型DNA。只有S-S型DNA为等长的DNA分子,L-M 型DNA、M-S型DNA均为不等长DNA分子。每代扩增产物的数量关系满足:

总DNA分子数=L-M型DNA分子数+M-S 型DNA分子数+S-S型DNA分子数

L-M型DNA、M-S型DNA分子结构上都含有一条M链,即M链的数目即为L-M型DNA分子和M-S型DNA分子数目之和(不等长DNA分子数目)。M链只能以L链为模板复制形成,PCR过程中,每增加一轮循环,M链就增加2条,循环n轮后,产生2n条M链,进而形成2n个不等长DNA分子,其中L-M型DNA分子共2个,M-S 型DNA分子共(2n-2)个。故Gn代扩增产物共2n个DNA分子,其中S-S型DNA分子共(2n-2n)个,如表1。

表1 PCR扩增产物的数学模型一

PCR的每一次循环后目的基因的量可以增加一倍,即呈指数形式扩增(约为2n,其中n为扩增循环的次数)。据数学模型一可知,Gn-1代DNA分子不同长度的DNA单链(即模板链)数目等于Gn代不同类型DNA分子数目,据此,也可构建数学模型二,如表2。

表2 PCR扩增产物的数学模型二

3.引物种类的物理模型

综合考虑引物的种类和位置及子链的合成方向,建构出物理模型二,如图4。

图4 PCR扩增产物的物理模型二

PCR体系中先后合成6种类型的DNA分子:L-MA型DNA、L-MB型DNA、MA-SB型DNA、MB-SA型DNA、SA-SB型DNA、SB-SA型DNA。物理模型二可直观呈现不同DNA分子所含的引物种类、位置和数量。

4.引物种类的数学模型

PCR体系中经过n轮循环后,在Gn代共形成的2n个DNA分子中,保留G0代DNA两条模板链的DNA为L-MA型DNA和L-MB型DNA,含有引物A或引物B中的一个;而其他DNA分子:MA-SB型DNA、MB-SA型DNA、SA-SB型DNA和SB-SA型DNA,同时含有引物A和引物B。所以,只含引物A或引物B的DNA分子数目为1个,含引物A(或引物B)的DNA分子数目为(2n-1)个,同时含有引物A和引物B的DNA分子数目为(2n-2)个。