模拟操作重组DNA分子的教学实践教育文档资料

1、“模拟操作重组DNA分子”的教学实践文件编号：1003 - 7586 (2016) 06 - 0017 - 03 在新课标 教材选修3?现代生物科技专题的“基因工程” 一章中，不同版 本的教材都设计了一个模拟操作。人教版为“重组DNA分子的模拟操 作”，苏教版为“模拟限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用过程”。 笔者整合了不同版本的教材内容，指导学生进行了一次有意义的教学 实践。1教学分析在DNA分子水平上进行设计和施工的基因工程技术是由“分子工具” 的突破开始的，因此基因工程专题根据学生的认知规律首先介绍了 DNA重组技术的基本工具，涉及准确切割DNA的“手术刀”、将DNA 片段连接起来的“

2、缝合线”、将体外重组的DA导入受体细胞的“运 输工具”。但由于这三种“分子工具”非常微观、抽象、复杂，所以 成为教学的难点，而理解它们的结构与功能基础基因工程基本操作程 序的学习是后续，因此这也是本专题的教学重点之一。为突破这个难 点，并及时反馈学生对重点知识的掌握情况，教师组织学生进行“重 组DNA分子的模拟操作”实验就具有重要的意义。在模拟实验中，教师引导学生借助模型化方法，将DNA和“分子工 具”放大，亲自动手对DNA分子进行“剪切”和“拼接”，模拟制备 重组DNA的过程。在体验建模的过程中，教师注重激发学生的学科兴 趣。模拟活动之后，教师组织学生讨论，引导分析建模过程，从而 提升学生的

3、建模思维和建模能力。同时教师将重难点知识设计为相关 的问题，引发学生的思考，让其尝试应用所学知识解决问题，从而突 出重点、突破难点，并及时反馈信息，为基因工程基本操作程序的教 学设计提供依据。这样的建模活动将实现学生知识、能力、情感、态 度与价值观的进一步提升。2实验目的（1）模拟制备重组DNA分子的操作过程；（2）分析制备重组DNA分子的模型，理解基因工程的基本原理;（3）体验制备重组DA分子的过程，激发热爱生物科学技术的情 感。3实验原理基因工程是指在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对生物 的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞，并使重组基因在受 体细胞中表达，产生人类需要的基因

4、产物的技术。因而，基因工程又 称为重组DNA技术。在体外重组DNA分子，至少需要三种工具，即“分 子手术刀” 一一限制性核酸内切酶、“分子缝合针” 一一DNA连接酶 和“分子运输车”一一基因载体。4材料用具口色纸条（3 cmX30 cm）、红色纸条（3 cmX 10 cm）剪刀、透明 胶带、深色胶带（蓝色或绿色）等。5实验步骤代表细菌的质粒粘成圆环形，将红色纸条用透明胶带首尾相连,（图1）。白色纸条代表含有目的基因的DA片段。假设每组学生只有一种限制酶（EcoRI限制酶或Alu I限制酶）和 一种DNA连接酶（E?coliDNA连接酶或T4DNA连接酶）。（注：EcoRI限制酶能识别GAATT

5、C序列，并在G-A之间切割产生 黏性末端；Alu I限制酶能识别AGCT序列并在G-C之间切割产生平口 末端。E?coliDNA连接酶只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间连 接起来，不能连接平末端，T4DYA连接酶既可以连接黏性末端，又可 以连接平末端，但连接平末端的效率较低。）从白色纸条的2条DNA链上分别找出所选的限制酶所识别的核营酸 序列，画虚线表示中心轴线的位置，画箭头（“ I ”和“ f ”）标注酶 切位点，用剪刀正确地“切割” DNA,从而获得目的基因。用同样的方法剪切质粒（图2和图3）。把口色纸条和红色纸条上配对的黏性末端或平末端用深色胶带粘 在一起，使目的基因插入质粒中，获得

6、重组DNA （图4和图5）。6注意事项选择一种限制性核酸内切酶，一定要正确识别其特定序列，并且在 识别的位点“切割” DNA分子。选择恰当的DNA连接酶连接DNA分子形成重组DNA分子。图4所示 为先用EcoRI限制酶切割，再用E?coliDNA连接酶连接形成重组质粒。 图5为先用Alu I限制酶切割后，再用T4DNA连接酶连接形成重组质 粒。注意安全使用剪刀。7讨论与体会木模拟操作是一次非常有益的教学尝试，它将微观的过程直观呈现 出来，有利于学生深入理解基因工程的原理。7. 1教学材料的改进与准备不少教材选用的是两种颜色（如绿色和粉红色）的等宽硬纸板，然 后让学生在硬纸板上依次等距离写上字母

7、（字母要清晰、工整）。由 于学生用笔所写的字母根木不可能大小一致，所以碱基要实现互补配 对就比较难。因此，做出的纸带也就缺乏科学性和可行性。为此做如 下改进：将“硬纸板”改为“A4纸”，同时将“绿色和粉红色”改为“白色 和红色”。因为硬纸板比较难打印，而A4纸打印非常方便。为了节约 起见，含有目的基因的片段采用白色纸油印的方式，质粒采用红色纸 打卬。重新设计DNA片段。不少教材中设计的DNA片段只有1个酶切位点， 不能切割出两端具有黏性末端的DNA片段，也不能被多种限制酶所识 别切割，为此作如下改进。教师需要预先将模拟的DNA片段放大成小 二字号，另外在字母的外侧各加上一条黑线代表DNA分子的

8、基木骨架。 用口色A4纸一页（横向）打印4条带有目的基因的DA分子，用红 色A4纸一页（纵向）打印6条质粒DA分子（图6）,然后裁成等宽 的纸条即可。这样既可降低实验操作的难度，也减轻了学生的负担。“蓝如，“深色的胶带”改为“透明胶带”将教材中的改进工具， 色或绿色胶带”。当教师把学生所得的实验结果用实物投影仪进行投影时，若学生用“透明胶带”，所粘贴的位置显示不岀来，学生所粘 贴的位置是否正确也就很难看清楚，教学效果比较差。改用“蓝色或 绿色胶带”后，投影效果就非常明显了。7.2组织教学策略教师可根据学生的情况，采用不同的方式实施上述实验。如果学生 自学能力比较强，教师可将该实验任务课前交给学

9、生，然后指导学生 阅读教材和实验指导后，课后合作完成；课上学生交流汇报实验结果, 分析模拟操作。如果学生主动学习能力不是很强，实验可在学习基因 工程操作的基木工具时同时进行，学生边做边学。教师依据模拟实验的操作情况，可以提出以下问题供学生思考与讨 论：解释模型，把制备重组DNA分子的实际步骤和模拟实验中的各个步 骤联系起来，思考模型中各个术语所对应的步骤或物体，完成表1。用剪刀剪切目的基因和用限制性核酸内切酶剪切有什么区别？邙艮 制性核酸内切酶能自己识别双链DNA分子的某种特定核苛酸序列，并 且使每条链中特定部位的两个核廿酸之间的磷酸二酯键断裂。而模拟 实验中的剪刀除了模拟剪切磷酸二酯键外，还

10、剪切了 DNA双链碱基之 间的氢键。）在实验中，你所用的限制酶和DNA连接酶分别是什么？切割两种 DNA分子你使用了同一种限制性核酸内切酶吗？为什么？（学生根据 所选择的限制酶和DNA连接酶的实际情况填写。切割两种DNA分子需 因为使用同一种限制性内切酶产生要使用同一种限制性核酸内切酶, 同样的黏性末端，才能连接成重组DNA分子。）DNA连接酶的作用是什么？检查你所制作的重组DNA, DNA连接酶 的作用是否表示正确？(DNA连接酶的作用是恢复被限制酶切开的两 个核廿酸之间的磷酸二酯键。检查模型中DNA连接酶的作用是否表示 正确，主要是要看胶带粘贴的位置。)7. 3实验评价木实验注重实验操作过程的评价，小组之间可以相互比较，也可利 用投影展示各组实验的结果，从以下几方面进行评价。7. 3. 1是否正确“识别”特定的核背酸序列根据所选的限制性核酸内切酶的特点，在含有目的基因的片段和质 粒上找出其特定的核tr酸序列，画虚线表示中心轴线的位置，画箭头 (“ I ”和“ f ”)标注酶切位点。7.3.2是否完成对目的基因和质粒的“切割”用剪刀正确地“切割” DNA,从而获得目的基因和质粒片段。