蛋白质晶体虚拟仿真实验的建设及应用

顾江新， 侯锡苗

（西北农林科技大学a.资源环境学院；b.生命科学学院，陕西杨凌 712100）

0 引 言

蛋白质是生命活动的主要载体，蛋白质分子的三维结构与其在生命过程中的功能密切相关［1］。蛋白质分子三维结构建模已经成为生命科学的研究前沿，其实验基础是高质量蛋白质晶体制备及晶体衍射［2-4］。单个蛋白质分子对X-射线的衍射弱，检测器无法分辨衍射信号和背景噪声；蛋白质晶体由大量分子有规则地排列而成，其衍射信号相叠加，可达到被检测的强度。在获得衍射因子强度和相位后，通过数学模型反演变换来搭建蛋白质分子的三维模型。

蛋白质分子三维建模是生命科学大类本科生必修课程《结构生物学》的主要教学内容，具有理论复杂、概念抽象和数学公式烦琐等特点，传统课堂教学依赖文字描述、图片和短视频介绍，造成学生理论与实际脱节、动手能力弱，难以培养学生的实践创新能力。开展蛋白质晶体实验教学又面临以下实际困难：

（1）建设成本高。蛋白质晶体实验涉及仪器与附件价格昂贵，对存放环境要求苛刻，日常维护开销高。

（2）存在安全隐患。晶体衍射实验具有放射源管制、管理负担重的特点。高校在购置和管理放射源方面存在困难。

（3）持续时间长。蛋白质结晶需要耗时3 ～10 d才能获取满意的结果，对课时有限的课堂教学提出了挑战。

虚拟仿真实验在解决高成本、高危险和高消耗等方面显示出巨大优势［5-7］。其基本思路是通过虚拟现实技术将实验过程具象化，实现虚拟实验服务于实验。目前，针对蛋白质相关研究的虚拟仿真实验尚不多见［8-9］，亟须开展蛋白质晶体虚拟仿真实验平台的建设。

1 虚拟仿真实验建设思路

1.1 完整再现实验知识体系

该实验虚拟仿真平台的建设完全基于自有科研成果［10-12］，具有高度可行性、真实性和系统性。实验方案严格遵照基本理论，实验步骤及输出数据均来源于实际操作。为完整再现实验知识体系，设置蛋白质结晶条件初筛、结晶条件优化、晶体衍射和结构解析等模块（见图1），引导学生循序渐进完成实验内容的学习及操作。在实验过程中，有意识地培养学生主动对遇到的科学问题进行分析并提出解决方案，学习和掌握蛋白质晶体研究的基本思路。

图1 蛋白质晶体实验知识体系

1.2 教学模式设计

实验教学按照“线上、线下预习—线上实验操作—生成报告”3 个环节进行［13-15］。多维度展示实验原理、方法和步骤，引导学生充分掌握基础理论知识和基本实验操作方法。教学模式设计的主要特点：

（1）虚拟与现实结合教学法。系统在实验进程中推送一些预先准备的实验结果图片，使学生沉浸式体验实验结果。依据学生设置的晶体初筛条件给出相应的晶体图片，引导学生分辨晶体的特征、找出晶体存在的问题并着手解决问题。

（2）设置情景教学法。以学生为中心和主体来设计实验场景，采用人物在虚拟实验室中作任务的形式，以第1 视角展现实验对象及其动态变化，激发学生自主学习的积极性。在观察蛋白质晶体形状时，学生必须选择正确的鼠标手势对显微镜进行操作，借此考查学生实验操作的规范性。

（3）设置问答互动教学法。在实验的一些关键点设置互动问答环节，考查学生对基础理论知识的掌握程度。对于困难或复杂的实验步骤，学生可根据自身掌握情况多次重复操作和学习。

1.3 推进过程评价机制建设

本实验虚拟仿真平台采用线上系统评定（实验操作和知识回答）与线下综合评定（实验报告）相结合的形式进行，着重体现过程评价机制。线上系统评定主要根据学生的实验测试和实验操作表现，考核学生对重点知识的掌握情况和实验操作的规范性；线下综合评定由教师通过综合考查学生实验报告情况而定，考核学生学习的自主和创新性。

2 实验虚拟仿真实现

2.1 系统架构

采用B／S 架构，综合Unity 3D、多媒体和数据库等技术，构建由数据层、支撑层、服务层、仿真层和应用层组成的系统架构（见图2）。系统通过数据接口实现实验操作与实验管理的有效对接，支持线上测试、评价和统计等功能，具有良好的自主和交互性。

图2 实验虚拟仿真系统架构

2.2 开发流程

实验虚拟仿真平台的建设依靠专业教师和程序设计人员的充分交流与合作，开发流程主要包括前期准备和软件开发两部分（见图3）。前期准备由专业教师完成，以课程教学大纲、教学目标和教学内容为依据，提供实验原理、仪器及各部件的图片与尺寸、仪器工作场景、数据输出及解释、考核题库等素材，编写和修改设计脚本。设计人员对主程序框架、交互界面以及反馈信息收集等模块进行设计，使用3Ds Max、Photoshop和MAYA等软件建模、贴图，实验室场景及物体三维模型的表现更接近实物，交互界面使用C 语言编程。程序发布后，还需要对教师进行培训，并根据师生使用的反馈意见改进和升级。

图3 实验虚拟仿真开发流程图

2.3 实验模块的实现

实验虚拟仿真平台的建设以实验为依据，分为晶体初筛、晶体优化、晶体衍射和结构解析等模块。部分实验环节展示如图4 所示。

图4 蛋白质晶体实验虚拟仿真部分环节展示

晶体初筛 设置大量的初始条件（沉淀剂、盐浓度、pH、金属离子、添加晶种等）进行晶体培养，获得初筛晶体（往往是微晶或晶形不好的晶体）。

晶体优化 在初筛条件的基础上，精细设置晶体生长条件，继续观察晶体的形状与大小，得到高质量晶体。

晶体衍射 使用X-射线衍射仪对晶体进行衍射检测，获取衍射因子强度和相位。呈现衍射点的动态变化图像，展示判断衍射数据质量优劣的标准。

结构解析 介绍CCP4 软件操作界面，使用该模型进行数据反演，其数学基础是傅里叶变换及逆变换，通过电子密度空间分布解析和氨基酸填充，最终绘制蛋白质分子三维结构。

3 教学应用及评价

该蛋白质晶体实验虚拟仿真平台已投入教学应用。学生可利用电脑、智能手机等终端设备登录实验虚拟仿真平台（https：／ ／xunifangzhen.nwafu.edu.cn／），获取实验指导书、熟悉实验虚拟流程并进行虚拟操作。学生完成实验并提交实验报告，教师依据线上、线下成绩给出综合评价。

以2020 级生物科学、生物技术和生物工程专业112 名学生的线上成绩为样本进行实验教学效果分析。学生初次实验操作线上成绩整体呈偏负态分布，平均值为72.3 分，扣分点主要出现在结晶条件初筛模块，该模块使用仪器种类多、实验步骤烦琐，对基本操作规范要求高。经过多次操作练习后，线上成绩整体满足正态分布，平均值提升至88.5 分。可见采用虚拟仿真教学模式，学生的实验操作规范有较大幅度提高，对关键知识点的掌握程度也更加扎实，教学效果良好。建议进一步推广至生物医学、植物保护和农学等专业人才培养及相关领域的人员培训。

4 结 语

蛋白质晶体实验虚拟仿真平台通过虚拟现实技术实景展现蛋白质结晶及三维结构解析的教学过程。学生通过对结晶条件初筛、条件优化、晶体衍射和结构解析等实验项目的操作和学习，完成实验报告。教师通过实验综合考查学生的学习过程和实验报告情况并进行评价。已有的应用情况反映出教学效果良好。该虚拟仿真实验有助于学生加深对蛋白质晶体研究的认识和理解，对相关专业的实验教学具有一定的示范作用。