◆姜麗艷 張艷 張愛(ài)軍 杜映達(dá) 董洪舉 李正強(qiáng) 高貴

作者：姜麗艷，吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)與大型設(shè)備管理工作；張艷、張愛(ài)軍、杜映達(dá)、董洪舉、李正強(qiáng)、高貴，吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（130012）。

隨著人類(lèi)基因組計(jì)劃的實(shí)施和推進(jìn)，生命科學(xué)研究已進(jìn)入后基因組時(shí)代，蛋白質(zhì)組學(xué)的研究已經(jīng)成為生命科學(xué)研究的主要內(nèi)容之一[1]。蛋白質(zhì)組學(xué)是利用各種蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究在特定的時(shí)間或環(huán)境下細(xì)胞或組織的基因組表達(dá)的全部蛋白質(zhì)序列和功能。為了擁有更先進(jìn)的蛋白質(zhì)組學(xué)探測(cè)技術(shù)和方法，吉林大學(xué)生命科學(xué)公共技術(shù)平臺(tái)在“211工程”的支持下新引進(jìn)了雙向凝膠電泳儀、近紅外激光成像系統(tǒng)、質(zhì)譜儀、超高效液相色譜、蛋白相互作用系統(tǒng)和X-Ray 晶體衍射儀等蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器設(shè)備。先進(jìn)的儀器設(shè)備可以提供更多的、更精確的蛋白質(zhì)組學(xué)信息，增加科學(xué)分析的深度，提高科學(xué)研究的質(zhì)量。但由于蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器價(jià)值昂貴、操作復(fù)雜、臺(tái)套數(shù)少和維修費(fèi)用高等特點(diǎn)，致使這些大型儀器在培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力等方面沒(méi)有發(fā)揮其應(yīng)有的潛能[2]。

如何提高蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的利用率，實(shí)現(xiàn)科研、教學(xué)資源的共享，是高等學(xué)校急需面對(duì)的重要現(xiàn)實(shí)課題。本文以吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為例，分析了國(guó)內(nèi)大型儀器在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀和存在的主要問(wèn)題，詳細(xì)介紹了蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用和實(shí)踐效果。

1 蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器在開(kāi)展本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著教育科研水平質(zhì)量的提高以及國(guó)家和地方對(duì)高等教育投入的逐年增加，蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器作為一種高水平的分析測(cè)試工具被越來(lái)越多的高校購(gòu)置[3]。但國(guó)內(nèi)高校普遍重視其科研功能的開(kāi)發(fā)，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多大型儀器只是以演示教學(xué)、軟件操作的虛擬教學(xué)和大輪轉(zhuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主[4]，嚴(yán)重影響了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，分析其原因主要有以下幾方面。

設(shè)備昂貴，運(yùn)行與維修經(jīng)費(fèi)有限 蛋白質(zhì)組學(xué)作為功能基因組學(xué)的重要支柱，已經(jīng)成為新世紀(jì)生命科學(xué)研究領(lǐng)域的熱門(mén)課題。蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器均為國(guó)外最新研制設(shè)備，配備最前沿分析技術(shù)，購(gòu)置成本昂貴。如雙向凝膠電泳儀、超高效液相、近紅外激光成像和蛋白相互作用系統(tǒng)價(jià)值均為數(shù)十萬(wàn)人民幣，飛行時(shí)間質(zhì)譜儀和X-Ray 晶體衍射儀價(jià)值甚至達(dá)數(shù)百萬(wàn)人民幣。這些進(jìn)口設(shè)備測(cè)試精密度高，維護(hù)、維修成本更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)的承擔(dān)能力。而且如果在本科教學(xué)使用過(guò)程中損壞了這些儀器，就直接影響到科研工作的順利進(jìn)展，所以傳統(tǒng)的教學(xué)方式即將此 類(lèi)大型儀器設(shè)備只面向研究生科研工作開(kāi)放使用，很少應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，影響了本科生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，同時(shí)也降低了大型儀器設(shè)備的共享使用率[5]。

機(jī)時(shí)緊張，數(shù)據(jù)分析和處理周期長(zhǎng) 由于蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器均為“高、精、尖”設(shè)備，多數(shù)高校僅有單臺(tái)（套）或幾臺(tái)（套）儀器，原本 科研需求 量就很大，再加之本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生人數(shù)多，致使在時(shí)間和場(chǎng)地上都很難滿(mǎn)足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)課要求。而且像飛行時(shí)間質(zhì)譜儀和X-Ray晶體衍射儀需要較長(zhǎng)的樣品準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)處理時(shí)間，需要占用大量的機(jī)時(shí)，無(wú)形中延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的周期，不僅增加了教師的工作量，而且長(zhǎng)時(shí)間的等待也會(huì)影響本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度的正常進(jìn)行。面對(duì)這些實(shí)際問(wèn)題，很多高校將相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目演變?yōu)橛^摩性實(shí)驗(yàn)或演示性實(shí)驗(yàn)，致使學(xué)生對(duì)大型儀器設(shè)備產(chǎn)生疏遠(yuǎn)和恐懼心理，嚴(yán)重影響了大型儀器設(shè)備在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的潛能發(fā)揮[6-8]。

樣品制備困難，儀器操作程序復(fù)雜 蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器對(duì)樣品的質(zhì)量具有很?chē)?yán)格的要求。如飛行時(shí)間質(zhì)譜儀要求樣品純度為90%以上，測(cè)試前樣品要進(jìn)行嚴(yán)格的除鹽和除雜處理；X-Ray 晶體衍射儀分析的對(duì)象是一粒蛋白質(zhì)晶體，而且蛋白質(zhì)的結(jié)晶過(guò)程要求較高水平的實(shí)驗(yàn)操作和技巧。另外，蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)設(shè)備的測(cè)試和分析軟件都是英文版本的，學(xué)習(xí)和掌握需要經(jīng)歷很長(zhǎng)的熟悉和練習(xí)過(guò)程。樣品制備的繁瑣過(guò)程和儀器操作程序的復(fù)雜，無(wú)形中限制了蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，更限制了優(yōu)質(zhì)資源的共享使用。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器在生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

為了充分發(fā)揮大型儀器設(shè)備在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用潛能，吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院依托國(guó)家級(jí)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和生命科學(xué)公共技術(shù)平臺(tái)，努力克服實(shí)際困難，為本科生開(kāi)展了不同層次的大型儀器認(rèn)知和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程。將大型儀器有計(jì)劃地融入和貫穿到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不但激發(fā)了學(xué)生的原始創(chuàng)新意識(shí)，而且提高了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能，為科研和就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

開(kāi)展認(rèn)知實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新意識(shí) 為了激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新意識(shí)，拓寬實(shí)驗(yàn)視野，吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為本科一年級(jí)學(xué)生開(kāi)展了大型儀器設(shè)備的認(rèn)知和實(shí)訓(xùn)課程。其中，蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器也按照學(xué)習(xí)的層次和難度，循序漸進(jìn)地被引入，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室與雙向凝膠電泳儀、近紅外激光成像系統(tǒng)和質(zhì)譜儀等大型儀器設(shè)備進(jìn)行零距離的接觸，消除學(xué)生對(duì)貴重儀器的陌生感，讓學(xué)生初步了解這些儀器的功能和用途。如利用雙向凝膠電泳儀、近紅外激光成像系統(tǒng)可以在整個(gè)基因組水平上檢測(cè)蛋白質(zhì)表達(dá)和分離情況，利用質(zhì)譜儀可以完成蛋白質(zhì)的鑒定，通過(guò)X-射線晶體衍射儀來(lái)獲得蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)等。再根據(jù)學(xué)生的知識(shí)背景逐漸向?qū)W生介紹蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器的操作方法和樣品準(zhǔn)備，使學(xué)生對(duì)這類(lèi)儀器有一個(gè)全面的認(rèn)知，根據(jù)情況還可以延伸介紹相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)。待時(shí)機(jī)成熟時(shí)，指導(dǎo)教師設(shè)置實(shí)驗(yàn)工藝路線，按照每組輪訓(xùn)的方式為學(xué)生開(kāi)展專(zhuān)業(yè)的上機(jī)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。

通過(guò)開(kāi)展蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器的認(rèn)知和實(shí)訓(xùn)課程，不僅能讓學(xué)生了解蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)儀器的功能、用途和基本操作技術(shù)，而且能讓學(xué)生感覺(jué)到蛋白質(zhì)組學(xué)的神奇，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)組學(xué)的興趣，為后續(xù)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，拓展專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能 為了有效培養(yǎng)本科生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在本科二年級(jí)生物化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課中開(kāi)展基于雙向電泳、質(zhì)譜分析和X-Ray 晶體衍射的蛋白質(zhì)組學(xué)綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有關(guān)蛋白質(zhì)組學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅是利用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分離蛋白質(zhì)等，學(xué)生僅學(xué)習(xí)到有關(guān)蛋白的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一[9-10]，遠(yuǎn)達(dá)不到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。

嘗試在該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，延伸至質(zhì)譜分析和X-Ray晶體衍射測(cè)試層面。即學(xué)生完成電泳實(shí)驗(yàn)后，每組學(xué)生隨機(jī)從凝膠上選取4 ～6 個(gè)蛋白點(diǎn)做酶解，然后進(jìn)行點(diǎn)靶，利用飛行時(shí)間質(zhì)譜進(jìn)樣鑒定蛋白分子量和氨基酸序列；再選取結(jié)果好的蛋白進(jìn)行蛋白質(zhì)的晶體培養(yǎng)，利用X-Ray 晶體衍射分析蛋白結(jié)構(gòu)。具體實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

雙向凝膠電泳、質(zhì)譜分子量鑒定、X-射線晶體衍射解析實(shí)驗(yàn)是一個(gè)綜合性大實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都緊密相連，涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較多，實(shí)驗(yàn)步驟繁瑣，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技巧要求也比較高。為了合理安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，讓學(xué)生以小組為單位準(zhǔn)備樣品，處理好的樣品統(tǒng)一點(diǎn)靶，利用質(zhì)譜檢測(cè)分子量；同時(shí)還可以進(jìn)行離子碎片的二級(jí)質(zhì)譜測(cè)定，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、對(duì)比和分析，鑒定蛋白的氨基酸序列。然后，選取高質(zhì)量的蛋白晶體，利用X-射線晶體衍射分析蛋白的結(jié)構(gòu)。在樣品的準(zhǔn)備過(guò)程中都有教師的細(xì)心指導(dǎo)，每臺(tái)儀器都有相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)和使用講解。

通過(guò)有計(jì)劃地將質(zhì)譜和X-Ray 晶體衍射技術(shù)延伸入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，將本科教學(xué)中簡(jiǎn)單的生物化學(xué)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)組學(xué)的綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生不僅掌握了該類(lèi)儀器設(shè)備的樣品準(zhǔn)備過(guò)程和詳細(xì)的操作流程，而且對(duì)于提高蛋白質(zhì)組學(xué)的實(shí)驗(yàn)技能具有重要意義。

開(kāi)設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，提高創(chuàng)新能力 為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，培養(yǎng)學(xué)生利用大型儀器獨(dú)立組織和完成科研實(shí)驗(yàn)的能力，吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院開(kāi)設(shè)了部分涉及蛋白質(zhì)組學(xué)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題，如“體外重組人DNA-PK 蛋白以及其特異抗體的制備”“類(lèi)組蛋白的重組、表達(dá)、純化及與重金屬離子的相互作用的研究”等。設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目題目新穎，緊跟蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)展前沿，內(nèi)容靈活多變，富有時(shí)代特點(diǎn)，并具有不同程度的難度和深度。學(xué)生針對(duì)自己的興趣愛(ài)好選題，根據(jù)認(rèn)知、實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)積累，自行查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線和方法，教師幫助審查學(xué)生方案的可行性。

為了更好地幫助學(xué)生完成設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，公共技術(shù)平臺(tái)每學(xué)期循環(huán)舉辦相關(guān)大型儀器設(shè)備的功能介紹、應(yīng)用講座、操作培訓(xùn)，學(xué)生可根據(jù)自身選題內(nèi)容，選擇相關(guān)常用的蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器進(jìn)行二次系統(tǒng)培訓(xùn)。為了迎合學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間的機(jī)動(dòng)性，公共技術(shù)平臺(tái)的所有蛋白質(zhì)學(xué)分析儀器均全方位開(kāi)放使用。

同時(shí)，吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院還開(kāi)設(shè)了生物物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新課程，主要介紹物理化學(xué)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其中主要部分是介紹大型儀器設(shè)備的原理和使用方法，為學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)奠定一定的理論基礎(chǔ)。通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和完成，不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合解決實(shí)際問(wèn)題的能力，而且開(kāi)拓了專(zhuān)業(yè)視野，更培養(yǎng)了創(chuàng)新思維。

3 教學(xué)效果分析

吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院依托國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中 心和生命科學(xué)公共技術(shù)平臺(tái)，嘗試為學(xué)生開(kāi)設(shè)多層次、多模式的蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。目前，蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器每年服務(wù)本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)400 人次，已開(kāi)設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目約40 個(gè)，將蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器融入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以讓學(xué)生了解蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器的基本原理，掌握蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐能力。有的學(xué)生甚至成為相關(guān)儀器公司的技術(shù)工程師，為就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

同時(shí)實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器的高層次開(kāi)放共享，至今蛋白質(zhì)組學(xué)分析儀器使用機(jī)時(shí)達(dá)1 萬(wàn)小時(shí)/年，測(cè)試樣品數(shù)約2 萬(wàn)個(gè)/年，有效提高了優(yōu)質(zhì)資源的共享利用率。

4 結(jié)語(yǔ)

大型儀器設(shè)備面向本科生開(kāi)放，是學(xué)科發(fā)展前沿對(duì)人才培養(yǎng)的要求，在培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新型人才中發(fā)揮著重大作用。本科學(xué)生在校期間通過(guò)各種方式接觸和使用這些設(shè)備，對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)技能，開(kāi)拓專(zhuān)業(yè)視野，培養(yǎng)創(chuàng)新思維具有重要作用；但如何有效將這種開(kāi)放模式長(zhǎng)期堅(jiān)持下來(lái)，是一項(xiàng)比較艱巨的系統(tǒng)工程。建議學(xué)校增加國(guó)產(chǎn)設(shè)備的投入資金，出臺(tái)相應(yīng)的傾斜政策和鼓勵(lì)制度，在教師和學(xué)生的相互配合下，逐步提高大型儀器在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用頻率，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)精神和創(chuàng)新意識(shí)，加強(qiáng)科研、教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的開(kāi)放共享效率。

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