張艷娟

摘要 豐富重組DNA分子模型的內(nèi)涵，突破目的基因正連和倒連、單酶切和雙酶切差異等教學(xué)難點(diǎn)，引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞 重組DNA分子 模型 深度學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

“DNA重組技術(shù)的基本工具”是人教版高中生物選修3專題1第一節(jié)的內(nèi)容，教材給出了重組DNA分子的模擬制作活動(dòng)建議，也有教師嘗試過(guò)展板模型。模型直觀模擬了分子水平的操作，帶給學(xué)生“邊做邊學(xué)”的生動(dòng)體驗(yàn)。然而，由于模型設(shè)計(jì)的局限性還有一些難點(diǎn)有待突破，如限制酶如何選擇、目的基因正連和倒連、雙酶切與單酶切的區(qū)別等。為此，筆者嘗試對(duì)模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)，豐富模型內(nèi)涵，引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)。

1模型設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1含目的基因的DNA片段模型

該模型有兩個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1目的基因有方向性，反向連接會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤表達(dá)，所以用開(kāi)始和結(jié)束表明方向（目的基因不一定帶啟動(dòng)子和終止子，所以未標(biāo)啟動(dòng)子和終止子）;2獲取目的基因時(shí)要既可用單酶切，又可用雙酶切。所以，目的基因兩側(cè)各設(shè)計(jì)了一個(gè)G↓AATTC的識(shí)別序列，并在目的基因左右兩側(cè)分別增加↓GATC和↓TCGA的識(shí)別序列。值得注意的是目的基因左側(cè)↓GATC和G↓AATTC之間要增加一個(gè)無(wú)關(guān)堿基對(duì)，否則兩個(gè)酶切序列連起來(lái)中間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)↓TCGA的識(shí)別序列，增加不必要的干擾;目的基因右側(cè)↓TCGA要設(shè)計(jì)在G↓AATTC的左側(cè)。這樣，可以在G↓AATTC酶切后模型的基礎(chǔ)上再切割↓TCGA位點(diǎn)。另外，如果↓TCGA在G↓AATTC的右側(cè)，即使添加兩種限制酶（酶2和酶3），目的基因兩側(cè)也只有酶2切割后產(chǎn)生的黏性末端。

1.2運(yùn)載體模型

該模型模擬了最常用的運(yùn)載體——質(zhì)粒，模擬目標(biāo)是既要體現(xiàn)單酶切和雙酶切的區(qū)別，又要至少體現(xiàn)運(yùn)載體具備的兩個(gè)條件：具有1個(gè)至多個(gè)限制酶切割位點(diǎn)便于與外源基因連接、具有某些標(biāo)記基因便于重組DNA的檢測(cè)與鑒定。因此，質(zhì)粒上設(shè)計(jì)了三種限制酶的識(shí)別序列G↓AATTC、↓GATC和↓TCGA，其中↓GATC的識(shí)別序列位于標(biāo)記基因中。

2模型制作方法

根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計(jì)了兩種模型：分組活動(dòng)模型和黑板展示模型。

分組活動(dòng)模型（圖1）以學(xué)案的形式印發(fā)給學(xué)生，確保每一位學(xué)生都能親自動(dòng)手操作。為了使目的基因與質(zhì)粒的連接美觀規(guī)范，兩種DNA模型的寬度要相同、堿基大小和間距要一致。

黑板展示模型（圖2）的要求是字大醒目，可在黑板上吸附和移動(dòng)，并能多次重復(fù)使用。該模型利用“不織布”制作，方便折疊，經(jīng)久耐用。不織布的正面粘貼印有“A、T、C、G”四個(gè)字母的彩紙，代表四種脫氧核苷酸;背面粘貼軟磁片，可吸附在黑板上。為了延長(zhǎng)模型使用時(shí)間，彩紙上貼一層寬膠帶。各限制酶的切口提前剪開(kāi)，斷開(kāi)處用透明膠帶粘起來(lái)，把透明膠帶的一頭對(duì)折，使其失去粘性，方便手持操作。因透明膠帶粘在光滑的寬膠帶表面，所以將透明膠帶撕開(kāi)、粘上的操作可多次重復(fù)。為了展示目的基因與目的基因相連和質(zhì)粒與質(zhì)粒相連，目的基因和質(zhì)粒各做2個(gè)。

3模型使用策略

該模型構(gòu)建活動(dòng)適合在學(xué)生初步了解相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深入拓展探究，所以安排在“DNA重組技術(shù)的基本工具”第1課時(shí)后。

3.1目的基因和質(zhì)粒的再認(rèn)識(shí)

為提高課堂效率，教師在課前下發(fā)印有模型的學(xué)案，請(qǐng)學(xué)生將目的基因所在DNA和質(zhì)粒DNA沿實(shí)線剪下來(lái)，并將質(zhì)粒首尾相連成環(huán)狀備用。課上，在學(xué)生觀察模型后，教師提出問(wèn)題：1什么是目的基因？2目的基因的方向會(huì)不會(huì)影響其表達(dá)？3從DNA中分離出目的基因需具備幾個(gè)限制酶酶切位點(diǎn)，水解幾個(gè)磷酸二酯鍵？4目的基因所在DNA被切割后會(huì)斷成幾部分？5質(zhì)粒的化學(xué)本質(zhì)是什么？6質(zhì)粒作為運(yùn)載體必須具備哪些條件？7質(zhì)粒被一種限制酶切割后會(huì)形成幾個(gè)DNA片段，出現(xiàn)幾個(gè)游離的磷酸基團(tuán)？被兩種限制酶切割呢？8如何區(qū)分不同長(zhǎng)度的DNA片段以便找到所需的DNA片段？接著，補(bǔ)充介紹凝膠電泳技術(shù)，幫助學(xué)生理解限制酶切割后應(yīng)對(duì)DNA片段進(jìn)行分離和鑒定，以防止切割后的DNA片段再度連接。

3.2體驗(yàn)重組質(zhì)粒的構(gòu)建

教師展示圖3，提出問(wèn)題：如何選擇獲取目的基因和切割質(zhì)粒的限制酶，切割后的末端應(yīng)具備什么特點(diǎn)？學(xué)生分析可知，不能選用酶1，因?yàn)闀?huì)破壞標(biāo)記基因，從而確定兩種可行方案：1使用酶2進(jìn)行單酶切;2使用酶2和酶3進(jìn)行雙酶切。

為了更好地對(duì)比體驗(yàn)單酶切和雙酶切的區(qū)別，學(xué)生先嘗試用酶2切割目的基因所在DNA片段和質(zhì)粒。教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：假如借助凝膠電泳技術(shù)分離和純化了目的基因片段，排除了目的基因兩側(cè)的DNA片段。現(xiàn)將很多目的基因和切割后的質(zhì)粒放進(jìn)一個(gè)容器，加入DNA連接酶后會(huì)產(chǎn)生多少種連接方式？學(xué)生兩人一組將各自切割后得到的目的基因和質(zhì)粒放在一起，模擬可能的連接方式。學(xué)生代表利用黑板展示模型匯報(bào)，可能的連接方式有6種：目的基因自身環(huán)化、質(zhì)粒自身環(huán)化、目的基因和目的基因連接、運(yùn)載體和運(yùn)載體連接、目的基因和運(yùn)載體連接（其中包括目的基因正連和倒連兩種情況）。接著，啟發(fā)學(xué)生思考：如何減少錯(cuò)誤連接，提高轉(zhuǎn)基因的成功率呢？學(xué)生自然會(huì)想到雙酶切，接著分組模擬體驗(yàn)酶2和酶3切割后的DNA片段連接方式，分析雙酶切（圖4）比單酶切（圖5）的優(yōu)越性。雙酶切排除了目的基因和質(zhì)粒的自身環(huán)化現(xiàn)象，也避免了目的基因倒連，但仍存在目的基因和目的基因、運(yùn)載體和運(yùn)載體相連的情況，所以轉(zhuǎn)基因后需進(jìn)行目的基因的檢測(cè)與鑒定。教師追問(wèn)，啟發(fā)學(xué)生思考：如果標(biāo)記基因?yàn)榘逼S青霉素抗性基因，如何鑒定目的基因是否導(dǎo)入？如果標(biāo)記基因?yàn)榘逼S青霉素抗性基因，酶3位于抗四環(huán)素基因中，如何鑒定目的基因是否導(dǎo)入？

4教學(xué)反思

該重組DNA分子模型補(bǔ)充設(shè)計(jì)了目的基因的方向性、從一種限制酶識(shí)別序列增加到三種限制酶識(shí)別序列，深入淺出地破解了目的基因正連和倒連、單酶切和雙酶切的差異等難點(diǎn)問(wèn)題，并將限制酶與凝膠電泳技術(shù)有機(jī)銜接，豐富模型內(nèi)涵。教師創(chuàng)設(shè)了驅(qū)動(dòng)深度學(xué)習(xí)的真實(shí)情境，促使學(xué)生主動(dòng)參與中解決有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題發(fā)展了科學(xué)思維。手腦并用的真實(shí)體驗(yàn)有利于模型建構(gòu)內(nèi)化為自覺(jué)的思維習(xí)慣和能力。

參考文獻(xiàn)：

汪林靜.設(shè)計(jì)展板模型突破基因工程的教學(xué)難點(diǎn)[J].生物學(xué)教學(xué)，2014，39（9）：33.