模擬操作重組DNA分子的教學(xué)實(shí)踐教育文檔資料

1、“模擬操作重組DNA分子”的教學(xué)實(shí)踐文件編號(hào)：1003 - 7586 (2016) 06 - 0017 - 03 在新課標(biāo) 教材選修3?現(xiàn)代生物科技專題的“基因工程” 一章中，不同版 本的教材都設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬操作。人教版為“重組DNA分子的模擬操 作”，蘇教版為“模擬限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶的作用過程”。 筆者整合了不同版本的教材內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了一次有意義的教學(xué) 實(shí)踐。1教學(xué)分析在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的基因工程技術(shù)是由“分子工具” 的突破開始的，因此基因工程專題根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律首先介紹了 DNA重組技術(shù)的基本工具，涉及準(zhǔn)確切割DNA的“手術(shù)刀”、將DNA 片段連接起來的“

2、縫合線”、將體外重組的DA導(dǎo)入受體細(xì)胞的“運(yùn) 輸工具”。但由于這三種“分子工具”非常微觀、抽象、復(fù)雜，所以 成為教學(xué)的難點(diǎn)，而理解它們的結(jié)構(gòu)與功能基礎(chǔ)基因工程基本操作程 序的學(xué)習(xí)是后續(xù)，因此這也是本專題的教學(xué)重點(diǎn)之一。為突破這個(gè)難 點(diǎn)，并及時(shí)反饋學(xué)生對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的掌握情況，教師組織學(xué)生進(jìn)行“重 組DNA分子的模擬操作”實(shí)驗(yàn)就具有重要的意義。在模擬實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生借助模型化方法，將DNA和“分子工 具”放大，親自動(dòng)手對(duì)DNA分子進(jìn)行“剪切”和“拼接”，模擬制備 重組DNA的過程。在體驗(yàn)建模的過程中，教師注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興 趣。模擬活動(dòng)之后，教師組織學(xué)生討論，引導(dǎo)分析建模過程，從而 提升學(xué)生的

3、建模思維和建模能力。同時(shí)教師將重難點(diǎn)知識(shí)設(shè)計(jì)為相關(guān) 的問題，引發(fā)學(xué)生的思考，讓其嘗試應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問題，從而突 出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，并及時(shí)反饋信息，為基因工程基本操作程序的教 學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。這樣的建?；顒?dòng)將實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)、能力、情感、態(tài) 度與價(jià)值觀的進(jìn)一步提升。2實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）模擬制備重組DNA分子的操作過程；（2）分析制備重組DNA分子的模型，理解基因工程的基本原理;（3）體驗(yàn)制備重組DA分子的過程，激發(fā)熱愛生物科學(xué)技術(shù)的情 感。3實(shí)驗(yàn)原理基因工程是指在體外通過人工“剪切”和“拼接”等方法，對(duì)生物 的基因進(jìn)行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細(xì)胞，并使重組基因在受 體細(xì)胞中表達(dá)，產(chǎn)生人類需要的基因

4、產(chǎn)物的技術(shù)。因而，基因工程又 稱為重組DNA技術(shù)。在體外重組DNA分子，至少需要三種工具，即“分 子手術(shù)刀” 一一限制性核酸內(nèi)切酶、“分子縫合針” 一一DNA連接酶 和“分子運(yùn)輸車”一一基因載體。4材料用具口色紙條（3 cmX30 cm）、紅色紙條（3 cmX 10 cm）剪刀、透明 膠帶、深色膠帶（藍(lán)色或綠色）等。5實(shí)驗(yàn)步驟代表細(xì)菌的質(zhì)粒粘成圓環(huán)形，將紅色紙條用透明膠帶首尾相連,（圖1）。白色紙條代表含有目的基因的DA片段。假設(shè)每組學(xué)生只有一種限制酶（EcoRI限制酶或Alu I限制酶）和 一種DNA連接酶（E?coliDNA連接酶或T4DNA連接酶）。（注：EcoRI限制酶能識(shí)別GAATT

5、C序列，并在G-A之間切割產(chǎn)生 黏性末端；Alu I限制酶能識(shí)別AGCT序列并在G-C之間切割產(chǎn)生平口 末端。E?coliDNA連接酶只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端之間連 接起來，不能連接平末端，T4DYA連接酶既可以連接黏性末端，又可 以連接平末端，但連接平末端的效率較低。）從白色紙條的2條DNA鏈上分別找出所選的限制酶所識(shí)別的核營(yíng)酸 序列，畫虛線表示中心軸線的位置，畫箭頭（“ I ”和“ f ”）標(biāo)注酶 切位點(diǎn)，用剪刀正確地“切割” DNA,從而獲得目的基因。用同樣的方法剪切質(zhì)粒（圖2和圖3）。把口色紙條和紅色紙條上配對(duì)的黏性末端或平末端用深色膠帶粘 在一起，使目的基因插入質(zhì)粒中，獲得

6、重組DNA （圖4和圖5）。6注意事項(xiàng)選擇一種限制性核酸內(nèi)切酶，一定要正確識(shí)別其特定序列，并且在 識(shí)別的位點(diǎn)“切割” DNA分子。選擇恰當(dāng)?shù)腄NA連接酶連接DNA分子形成重組DNA分子。圖4所示 為先用EcoRI限制酶切割，再用E?coliDNA連接酶連接形成重組質(zhì)粒。 圖5為先用Alu I限制酶切割后，再用T4DNA連接酶連接形成重組質(zhì) 粒。注意安全使用剪刀。7討論與體會(huì)木模擬操作是一次非常有益的教學(xué)嘗試，它將微觀的過程直觀呈現(xiàn) 出來，有利于學(xué)生深入理解基因工程的原理。7. 1教學(xué)材料的改進(jìn)與準(zhǔn)備不少教材選用的是兩種顏色（如綠色和粉紅色）的等寬硬紙板，然 后讓學(xué)生在硬紙板上依次等距離寫上字母

7、（字母要清晰、工整）。由 于學(xué)生用筆所寫的字母根木不可能大小一致，所以堿基要實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)配 對(duì)就比較難。因此，做出的紙帶也就缺乏科學(xué)性和可行性。為此做如 下改進(jìn)：將“硬紙板”改為“A4紙”，同時(shí)將“綠色和粉紅色”改為“白色 和紅色”。因?yàn)橛布埌灞容^難打印，而A4紙打印非常方便。為了節(jié)約 起見，含有目的基因的片段采用白色紙油印的方式，質(zhì)粒采用紅色紙 打卬。重新設(shè)計(jì)DNA片段。不少教材中設(shè)計(jì)的DNA片段只有1個(gè)酶切位點(diǎn)， 不能切割出兩端具有黏性末端的DNA片段，也不能被多種限制酶所識(shí) 別切割，為此作如下改進(jìn)。教師需要預(yù)先將模擬的DNA片段放大成小 二字號(hào)，另外在字母的外側(cè)各加上一條黑線代表DNA分子的

8、基木骨架。 用口色A4紙一頁(yè)（橫向）打印4條帶有目的基因的DA分子，用紅 色A4紙一頁(yè)（縱向）打印6條質(zhì)粒DA分子（圖6）,然后裁成等寬 的紙條即可。這樣既可降低實(shí)驗(yàn)操作的難度，也減輕了學(xué)生的負(fù)擔(dān)。“藍(lán)如，“深色的膠帶”改為“透明膠帶”將教材中的改進(jìn)工具， 色或綠色膠帶”。當(dāng)教師把學(xué)生所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用實(shí)物投影儀進(jìn)行投影時(shí)，若學(xué)生用“透明膠帶”，所粘貼的位置顯示不岀來，學(xué)生所粘 貼的位置是否正確也就很難看清楚，教學(xué)效果比較差。改用“藍(lán)色或 綠色膠帶”后，投影效果就非常明顯了。7.2組織教學(xué)策略教師可根據(jù)學(xué)生的情況，采用不同的方式實(shí)施上述實(shí)驗(yàn)。如果學(xué)生 自學(xué)能力比較強(qiáng)，教師可將該實(shí)驗(yàn)任務(wù)課前交給學(xué)

9、生，然后指導(dǎo)學(xué)生 閱讀教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)后，課后合作完成；課上學(xué)生交流匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 分析模擬操作。如果學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力不是很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)可在學(xué)習(xí)基因 工程操作的基木工具時(shí)同時(shí)進(jìn)行，學(xué)生邊做邊學(xué)。教師依據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的操作情況，可以提出以下問題供學(xué)生思考與討 論：解釋模型，把制備重組DNA分子的實(shí)際步驟和模擬實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)步 驟聯(lián)系起來，思考模型中各個(gè)術(shù)語所對(duì)應(yīng)的步驟或物體，完成表1。用剪刀剪切目的基因和用限制性核酸內(nèi)切酶剪切有什么區(qū)別？邙艮 制性核酸內(nèi)切酶能自己識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定核苛酸序列，并 且使每條鏈中特定部位的兩個(gè)核廿酸之間的磷酸二酯鍵斷裂。而模擬 實(shí)驗(yàn)中的剪刀除了模擬剪切磷酸二酯鍵外，還

10、剪切了 DNA雙鏈堿基之 間的氫鍵。）在實(shí)驗(yàn)中，你所用的限制酶和DNA連接酶分別是什么？切割兩種 DNA分子你使用了同一種限制性核酸內(nèi)切酶嗎？為什么？（學(xué)生根據(jù) 所選擇的限制酶和DNA連接酶的實(shí)際情況填寫。切割兩種DNA分子需 因?yàn)槭褂猛环N限制性內(nèi)切酶產(chǎn)生要使用同一種限制性核酸內(nèi)切酶, 同樣的黏性末端，才能連接成重組DNA分子。）DNA連接酶的作用是什么？檢查你所制作的重組DNA, DNA連接酶 的作用是否表示正確？(DNA連接酶的作用是恢復(fù)被限制酶切開的兩 個(gè)核廿酸之間的磷酸二酯鍵。檢查模型中DNA連接酶的作用是否表示 正確，主要是要看膠帶粘貼的位置。)7. 3實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)木實(shí)驗(yàn)注重實(shí)驗(yàn)操作過程的評(píng)價(jià)，小組之間可以相互比較，也可利 用投影展示各組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從以下幾方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。7. 3. 1是否正確“識(shí)別”特定的核背酸序列根據(jù)所選的限制性核酸內(nèi)切酶的特點(diǎn)，在含有目的基因的片段和質(zhì) 粒上找出其特定的核tr酸序列，畫虛線表示中心軸線的位置，畫箭頭 (“ I ”和“ f ”)標(biāo)注酶切位點(diǎn)。7.3.2是否完成對(duì)目的基因和質(zhì)粒的“切割”用剪刀正確地“切割” DNA,從而獲得目的基因和質(zhì)粒片段。