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分子生物学与生物技术范文1
【关键词】分子生物学技术;中药;作用机理
中药自古以来就是我国人民防治疾病的主要武器,对中华民族的生存与繁衍起着不可忽视的作用,长期的医疗实践累积了宝贵而丰富的经验,并与中医学共同形成了一套完整独特的理论体系。但如何用现代科学技术语言阐释其作用机理,提供科学依据,使其广为世界接受是一重大难题。近年来,分子生物学技术的发展,不仅根本性地改变了生命科学的研究方式,也为中药的作用机理研究提供了有力工具和良好的发展契机,使得中药基因转录水平的机理研究成为可能。笔者对近10年来有关分子生物学技术在中药基因转录水平作用机理研究中的应用综述如下。
1核酸分子杂交技术
核酸分子杂交技术是分子生物学的基本技术之一,基本原理是具有一定同源性的2条核酸单链在一定的条件下按碱基互补原则退火形成双链。杂交的双方是待测核酸序列及探针。其中将核酸提取分离后在体外与探针杂交的是印迹杂交,直接在组织细胞内进行的是原位杂交。
中药作用机理研究中较早常用的有RNA印迹杂交(Northernblot),点杂交(dotblot)和原位杂交。二仙汤是治疗妇女更年期综合征、抗衰老的名方,具温补肾阳、泻相火、调冲任功能。廖柏松等[1]采用Northernblot对18月龄雌性大鼠下丘脑内阿片肽的基因表达水平进行研究,结果表明,二仙汤组β内啡肽前体阿黑皮素原和脑啡肽原的mRNA水平明显升高,达到未衰老前水平。沈小珩等[2]则从衰老过程抗氧化酶活性降低,且酶活性降低与其蛋白质基因表达水平降低平行的现象出发,采用分子杂交等技术考察二仙汤及其拆方对超氧化物歧化酶、过氧化氢酶基因表达水平及其活性的影响。结果表明,抗氧化酶活性显著升高,且与其mRNA表达水平升高呈平行关系,提示二仙汤抗衰老是通过增强抗氧化酶基因表达水平而实现的。海风藤有祛风除湿、通经活络的功效。韩恩吉等[3]采用Northernblot观察它对人类神经母细胞瘤细胞系列淀粉样前体蛋白(βamyloidprecursorprotein,βAPP)基因表达的抑制作用。结果发现,海风藤选择性地抑制βAPP基因表达,为其防治阿尔茨海默病提供了一定依据。郑钦岳等[4]应用dotblot研究了补血和血方四物汤对白细胞介素6(interleukin6,IL6)mRNA表达的影响,实验表明,四物汤在0.01~1.00ng/mL浓度内可使IL6mRNA的表达明显增加。保心丸具有降脂、降低血浆内皮素、抑制血小板聚集等作用。为进一步阐明保心丸抗实验性动脉粥样硬化(artherosclerosis,AS)的机理,樊永平等[5]用原位杂交技术研究内皮素(endothelin,ET)和一氧化氮合酶(Nitricoxidesynthase,NOS)在AS家兔主动脉壁的基因表达。结果证实,保心丸组ET1mRNA的表达较模型组低,而NOSmRNA较模型组高,提示保心丸调节血管内源性NO和ET之间的平衡可能是其抗实验性AS的机理之一。精制血府胶囊是血府逐瘀汤的化裁精简方,其抗心肌缺血疗效明显优于原方,为揭示其作用机制,证实其疗效,王伟等[6,7]分别采用Northernblot和原位杂交等技术,研究其对于心肌缺血密切相关基因表达的影响,前者结果表明精制血府胶囊显著提高缺血缺糖心肌细胞NOSmRNA表达水平,后者的精制血府胶囊组,ET1和内皮素转换酶(endothelinconvertingenzyme,ECE)1的mRNA表达较其它组明显减少,且心肌细胞损伤也较其它组显著减轻。因而推测精制血府胶囊可能是通过提高NOS表达、促进NO生成及抑制ET1、ECE1的基因表达,减少ET1生成,减轻其对心肌细胞的直接损伤,发挥保护心肌细胞的作用。
Northernblot是用来测量真核生物RNA的量和大小及估计其丰度的实验方法,并可从大量RNA样本中同时获得这些信息,但需要大量的材料,受RNA降解影响大,敏感性低。dotblot的不足之处在于点于同一张膜上同样的样品杂交信号有时不稳定,且一般要用纯化的RNA样品。原位杂交的优势在于可对组织细胞中的核酸进行精确定位。核酸分子杂交是分子生物学基本技术,随着反转录聚合酶链式反应(reversetranscriptionpolymerasechainreaction,RTPCR)技术、差异显示PCR(differentialdisplayPCR,DDPCR)、DNA阵列等优势技术的出现、逐渐成熟而应用渐增,近5年应用基本的分子杂交技术研究中药作用机理的报道已少见。
2RTPCR技术
PCR是美国科学家Mullis于1983年发明的一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法,RTPCR是从RNA扩增cDNA拷贝的方法,即先将RNA反转录成cDNA,再用PCR扩增,使其敏感性大大提高,解决了dotblot或Northernblot中目的mRNA含量太低的问题,是目前中药机理研究中最常用的分子生物学技术,从发表的文献数量可以反映出来。
这方面的研究报道包括有Gumiganghwaltang(GMGHT)抗炎机制的研究,KIMSJ等[8]研究其在小鼠腹膜巨噬细胞中的抗炎机制,结果显示,GMGHT以剂量依赖的方式降低了脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的肿瘤坏死因子α(tumornecrosisfactoralpha,TNFα),IL6和环氧酶2mRNA表达水平,推测这是GMGHT减少炎症的重要分子机制之一。为了阐释二仙汤治疗肾阳虚证的作用机理,郑小伟等[9]考察了二仙汤不同时间对肾阳虚大鼠垂体促肾上腺皮质激素(adrenocorticotrophichormone,ACTH)基因表达的影响。结果是二仙汤可以上调垂体组织ACTH基因表达,且表达量随用药时间延长而增加,提示上调ACTHmRNA表达是二仙汤治疗肾阳虚证的作用机理之一。β地中海贫血是一种遗传性溶血性贫血病,补肾生血方具有补肾、益髓、生血作用,用于治疗杂合子患者疗效明显。为揭示其分子机理,吴志奎等[10]采用RTPCR等技术考察了用药者的α、β和γ珠蛋白mRNA转录水平。结果发现,补肾生血胶囊能明显提高β地中海贫血患者血红蛋白(hemoglobin,Hb)和抗碱血红蛋白(hemoglobinF),Hb珠蛋白链比增加,γ珠蛋白mRNA转录水平相应升高,说明补肾生血药具有促进γ珠蛋白转录和表达,诱导HbF合成作用,代偿了β珠蛋白基因的缺陷。益髓生血颗粒是补肾生血方的颗粒剂,易杰等[11]研究了其对β地中海贫血患者造血刺激因子干细胞因子(Stemcellfactor,SCF)及人红细胞生成素受体(erythropoietinreceptor,EPOR)mRNA表达的影响。结果显示,治疗后,外周血EPOR、SCFmRNA表达明显增强,因此推测益髓生血颗粒可能是通过影响SCF以及EPORmBNA表达来促进骨髓造血,提高Hb、红细胞的水平,达到治疗β地中海贫血的目的。陈智松等[12-14]从此方的抗衰老及中医肾生髓理论的角度出发,分别研究其对骨髓有核细胞中诱导细胞凋亡、促使机体衰老的原癌基因cmyc、抑制细胞凋亡的原癌基因Bcl2和造血刺激因子粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(granulocytemacrophagecolonystimutaingfactor,GMCSF)基因表达的影响。结果表明,衰老时高表达的骨髓cmyc,明显降低的Bcl2和GMCSF,用药后,前者表达水平明显下降甚至不表达,后两者表达明显提高。因此认为补肾生血方通过抑制cmyc的表达,促进Bcl2表达,从而抑制骨髓细胞凋亡,延长细胞寿命,延缓了衰老,并结合有关的医学成果,认为Bcl2和GMCSF是肾生髓的本质相关基因。凌云彪等[15]研究清热活血补益方(肝纤方)对大鼠肝脏Ⅰ型前胶原mRNA的表达和胶原酶活性的影响。结果表明,以清热活血补益方制备的含药血清抑制了Ⅰ型前胶原mRNA的表达,胶原酶的活性增加。提示此方抑制Ⅰ型前胶原mRNA的表达,减少胶原的合成,同时提高胶原酶的活性促进胶原的降解,可能是其抗肝纤维化的部分机制。此外,蔡晶等[16]通过检测雌激素受体(estrogenreceptor,ER)α和βmRNA表达量,考察了补肾阳中药羊藿和补肾阴中药女贞子对雄性大鼠杏仁核和皮质顶叶ERmRNA的调节表达差异,结果显示,两用药组大鼠杏仁核、皮质顶叶ERαmRNA表达量无明显变化,ERβmRNA表达量都上调,且羊藿组高于女贞子组,说明补肾中药可能是通过对ERβ的调节来发挥作用。
RTPCR的独特优势在于RNA纯度不必很高,仅少量RNA模板即能满足实验所需,尽管实践中RTPCR还远达不到理论上能检测到单一拷贝的RNA样品的敏感度,但远高于Northernblot。尤其适用于可获得的mRNA数量有限和目的基因表达水平很低时测定基因表达的强度。只是扩增步骤中样品间扩增效率的微小差异将极大地影响信号强度,使用内参照可以减少这一问题,但无法彻底排除[17]。总的来说,RTPCR是测量RNA样品中低丰度mRNA时的最佳方法。
3DDPCR技术
1992年,梁鹏等建立了一种对不同来源的mRNA样品用PCR技术对其中许多的cDNA基因一起进行扩增和显示的实验方法,即DDPCR。该方法依赖2套不同类型的合成寡核苷酸引物:一套锚定反义引物与一套随机正义引物。最后通过比较不同来源的扩增cDNA产物的电泳带谱,能够发现差异表达的基因。
中药作用机理研究中应用DDPCR的报道有唐发清等[18]对有抗鼻咽癌作用的益气解毒片干预鼻咽癌细胞基因表达的研究,旨在从基因选择性表达水平探讨其抗鼻咽癌的机理。结果表明,益气解毒片在体外能抑制鼻咽癌细胞基因的表达,同时诱导一些特异基因的表达,从而抑制鼻咽癌细胞的增殖。
相比以往的方法,DDPCR技术提供了几方面理论上的优势,如理论上能够灵敏地检测组织或细胞中表达量极低的mRNA样品的差异表达,能鉴别特定组织或细胞来源样品之间转录水平的mRNA定性和定量变化。这种优势同样可体现在中药机理研究中,可同时显示中药作用后对多种基因转录的不同影响,将有影响的靶基因条带回收,再扩增、克隆、测序,查询确定是什么基因,是已知或未知序列,这样就可以确定中药起效可能源于影响那些基因转录。但这些优势目前部分还停留在理论上,还有许多技术问题有待解决,如经DDPCR鉴定出来的超过半数的cDNA是假阳性条带,靶细胞的总mRNA中的一部分不能被高水平扩增、造成丢失等[17]。尽管目前DDPCR应用在中药基因转录水平的机理研究报道还很少,但毋庸置疑,其潜力巨大。
4DNA阵列技术
DNA阵列技术是新发展起来的可同时分析数千个基因表达谱的技术。其原理同核酸分子杂交。在不同的文献中的称谓不尽相同,如基因芯片、DNA芯片、微阵列等,目前没有明确区分,通常混用。
目前有零散的采用商用或自制微阵列研究中药基因表达水平的报道。如周联等[19]采用含2048个基因的小鼠基因表达谱芯片检测黄连解毒汤及其成分黄芩苷和盐酸小檗碱对LPS造型的小鼠脾细胞基因表达的影响,结果复方的作用明显优于有效成分的作用,但对具体基因表达影响的分析存在一定难度。王广良等[20]用自制的包含24个细胞周期相关基因的cDNA微阵列,对抑制肝癌细胞增殖的4种中药乌药、青蒿、紫草和黄芪的抗肿瘤分子机制研究表明,4种中药对细胞周期基因和损伤检测点基因均有不同程度改变,表现为部分上调,部分下调,通过分子生物学技术进一步验证了用其治疗癌症的合理性。
在中药作用机理研究中,DNA阵列技术可以同时对使用中药前后的数千个基因表达情况进行比较和差异分析;且具有所需样品的用量极少、自动化程度高、被测目标DNA密度高的优点。但目前微阵列技术也存在许多问题,如其小型化和高通量的特点使得对外界和内部的变动都很敏感,因此宜采用取平均值并标准化操作的办法,但目前尚无普遍认可的规则和标准来指导微阵列实验,数据采集和分析方法及操作系统也存在很大不同[17]。此外,基因表达与调控研究的滞后,使得中药机理研究中获得的很多信息难于解释;昂贵的制作费用也是一个限制因素。
5展望
总体来讲,中药的作用机理研究应是多水平的,不仅包括基因转录水平,也包括转录后、蛋白质翻译及翻译后水平的调控上,对每个特定的中药/中药复方,可能不一定在各水平上都有影响,基因转录水平的机理研究主要就是考察对相关靶基因mRNA水平的改变,也是目前分子生物学技术在中药机理研究中的主要应用范畴。中药尤其是中药复方的多成分多功效决定了其很可能对基因转录水平有影响,已完成的研究结果已证明了这一点。
中药的机理研究通过应用分子生物学技术已深入到几乎是最根本的基因转录水平,并在该水平上对中药的疗效获得了一定解释,但整体上还处于探索阶段。已有的研究主要是应用如核酸分子杂交、RTPCR技术等考察“单基因”的技术,应用如DDPCR、DNA阵列等研究多基因的技术的报道较少。中药调节机体平衡的特点决定了对基因转录的影响很可能是对多基因的协同影响,如对补肾生血方的系列研究已表明此方的功效与影响EPOR、SCF、cmyc、Bcl2、GMCSF基因表达有关。因此,应用研究多基因表达的技术考察对多基因的协同影响将是未来中药基因转录水平作用机理研究的主要方向。相信随着现有技术的不断发展和完善、新技术的出现及多种技术相结合加上疾病细胞分子水平研究的深入,复杂的中药作用机理会逐步得到阐释,中药的疗效和可能发现的新功效将从机理上获得科学依据,为中药获得像西药一样的市场准入权提供有力的支撑。
【参考文献】
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分子生物学与生物技术范文2
关键词:独立学院;生物技术;课程体系
中图分类号:G642.0 文献标识码:C DOI:10.3969/j.issn.1672-8181.2016.11.150
现代生物技术的蓬勃发展从1953年弗朗西斯•克里克和詹姆斯•沃森发现DNA双螺旋结构开始,分子生物学、细胞生物学技经过60年的发展把整个生物学带入了崭新的应用领域。生物技术的最大特点是涉及的技术种类多样且复杂,是一门跨领域特性极强的综合性学科,可广泛应用于医学、农业、军事、工业、环境、能源等领域,其研究的深度和广度可以小至分子、细胞乃至纳米层次,也可大到组织、个体、群落甚至整个生态系统。如果没有生物技术的一个公认的定义,就很难区分什么不是生物技术,生物技术学科相对独立的学术体系,相对完整的理论框架将非常难于设置,人才培养课程体系的确立也无据可依。我国自1997年高校批准设立生物技术专业至今,普遍采用以基因工程、细胞工程、蛋白质与酶工程、发酵工程为代表的现代生物技术对生物技术定义进行界定,在人才培养上主要以理为主,以工为辅。生物技术的定义决定了生物技术专业教学的课程体系,课程体系依赖生物技术定义,并随着定义的发展而调整。
1关于生物技术人才培养目标的确立
新的工程技术的出现,经常是在学科的边缘或交叉点上。由于一个专业要求多种学科的综合,而一个学科是在不同领域的应用[1],在我国高校现行体制中,生物技术专业往往被等同于一个二级学科,以学科的定义成为高校教学、科研的功能单位,对教师教学、科研及为社会服务进行了界定。在这种模式下,生物技术面对大量的学科交叉应用,在教学上却固步自封,本科专业方向设置狭隘,闭门造车,教育教学和产业应用脱节严重,在医学、农业、军事、工业、环境、能源等领域甘当配角,失去了生物技术专业在学科交叉领域的大好发展机遇。生物技术专业课程体系中的专业方向课程体现的应该是专业在多种学科的综合后在某个领域的应用,是具体的人才培养应用方向。在生物技术强国美国[2],斯坦福大学的生物学专业包括生物物理、海洋生物、分子与细胞生物学、神经生物学、生态与进化生物学方向;哈佛大学直接将生命科学划成了生物学和生物化学两个专业,生物学从遗传学和分子生物学跨越到生态学和古生物学,而生物化学专业则主要关注的是分子和细胞的结构和功能;加利福尼亚大学伯克利分校含有综合生物学与分子和细胞生物学两个专业,后者包括生物化学和分子生物学方向、细胞和发育生物学方向、遗传学和发育方向、免疫学方向以及神经生物学方向。美国一流高校在生物技术人才培养上的显著特点是:将生物学的二级学科作为本科人才培养的方向(又称为课程方案)。在我国只有“985”,“211”大学才具备将生命科学的专业分支建设为生物技术的专业培养方向的能力,其原因主要是生物技术为实验性科学、需要大量的高端生物技术相关设备以及相应的研究型学者师资。国内独立学院受师资、设备和资金的局限性,2013年办学较好的前十个独立院校中只有华中科技大学武昌分校、燕山大学里仁学院、北京师范大学珠海分校举办生物类专业,而且在传统意义上,独立学院生物技术学科布局非常不完善,不可能看齐国内外一流大学,将生物学的二级学科建设为多个人才专业方向。因此,将生物技术人才培养与产业应用相结合,跨学科建设专业方向,延展学科资源共享效益,建立特色课程体系并付诸实践是独立学院举办特色生物技术相关专业的关键步骤。珠海市食品、医药和医疗机械制造产业发达,社会对跨学科的生物技术专业体现出的能力要求表现为食品安全领域的生物技术应用需求、制药领域的生物技术应用需求以及医疗器械领域对生物技术的应用需求。北京师范大学珠海分校在学科布局上对生物技术在专业方向设置上提供了很好的跨专业资源共享平台。我们结合泛珠三角经济发展需求、依据自身实际条件首先确立如下专业培养目标:培养拥有扎实的现代生物技术基础理论,系统掌握生物技术的应用实践技能,富有利用生物技术研发生物制品的科学思维与实践能力,可从事生物制造与生物制品安全以及食品检验检疫等领域中生物技术应用的相关研发与管理工作的高素质专门化应用型人才。同时,在未来5-10年内逐步规划制药领域、医疗器械领域的应用型人才培养方向,服务珠海市生物技术跨学科应用型人才需求。
2关于课程模块的优化实践
生物技术课程模块式优化有利于适用于社会对人才培养的需求,也有利于课程设置的稳定性,容易总结经验提高教学质量。经过7年的改革实践,我校生物技术课程模块优化主要分为三个部分:一是精准勾勒专业知识模块。模块优化主要使学生清楚哪些是生物技术专业的核心课程,哪些是自己必须了解的生物基础知识。生物技术专业课程体系包括微生物学、细胞生物学、遗传学、动物学、植物学、生态学、植物生理学、动物生理学、生物化学、分子生物学、工业微生物学育种学、基因工程、细胞工程、微生物工程、生化工程、生物工程下游技术、发酵工程设备、酶工程等专业内容。受限于160学分的总限制,生物技术专业不可能将所有的内容都开设成单独的课程,而且各类课程中重复性内容较多,不利于学生综合掌握专业基础知识,因此在专业课程内容设置上,必须做到“有基础,有专业”。有基础,用12个学分构建生物技术的专业基础知识结构,共5门理论课程,知识点覆盖微生物学、细胞生物学、遗传学、动物学、植物学、生态学、植物生理学、动物生理学、生物化学、分子生物学、微生物学、人体结构与生理等上游生物技术基础知识;有专业,用20个学分构建五个核心专业课程,含基因工程与分子生物学,细胞工程,发酵工程,蛋白质工程原理及应用,酶学原理与酶工程。二是构筑适应社会需求的专业应用模块。专业方向课程的设置要具备一定的灵活性,以应用性、实用性为准则,必修和选修互补,模块上除设置食品安全检验检疫生物技术必修模块外,充分考虑学生就业、升学、留学需求,尽可能提供适应学生需求的选修课程模块,满足个性发展需求。专业方向必修模块包括:现代仪器分析、HACCP原理与应用、分子生物学检测技术、食品安全控制技术、食品卫生毒理学、现代食品分析技术。专业方向选修模块包括:生物化学和分子生物学、细胞和发育生物学、遗传学、发育生物学、免疫学、神经生物学、药物设计与药物研究、生物物理学、生物仪器分析、工程制图、电工电子学等。总之,专业方向课程模块优化的方向是甩开传统学科分类包袱,以实际应用为导向,以现实资源为依托,开展交叉学科人才培养适应社会需求。三是夯实提高学生实践能力的实践模块。人才培养要做到实效性,必须用实验课程来培养学生。我们逐步取消了一课一实验配套的办法,将所有实验课整合成独立规划的实践课程,综合后分为4个阶段:第一阶段主要在各专业实验课里完成,实行课堂化管理(分为四个技能训练课程,每周4-6学时),最后考察评价,夯实基本生物技术实验能力;第二阶段在专题研究课程内完成,教师单独辅导,以开题报告,研究报告作为评价标准,获得相应学分;第三阶段主要在国内外实践基地统一组织、自由安排时间进行专业技能培训,以大量的实践、见习、参观为主要手段,融入部分毕业实习内容,独立撰写实习报告;第四阶段主要在校内外实验室完成,根据毕业论文具体要求,在相应实验结果前提下,独立撰写毕业论文,并参加答辩。
3关于保障生物技术课程体系实施的实验条件
生物技术在学科划分上理工不分,即可以发理学学位,也可以发工学学位,实验科学的特性决定了生物技术人才培养的高成本,高投入。独立学院自筹经费的特点决定了学校在举办生物类专业上与公办高校在人才、资金投入上相去甚远的现状。我校作为高等教育改革试验区,举办生物技术专业同样面临资金、人才匮乏局面。只有通过社会资源的整合,协同创新办学体制才能解决生物技术专业对高端设备的需求,同时实践基地的建设要从人才培养的角度出发,设备应符合现代生物技术人才培养以及特色专业培养目标的需求。经过文献搜索和对珠海300家企业的调研发现:与用人单位共同培养食品安全领域的生物技术应用人才符合国家和珠海地区发展的需要。2007年我校与国家进出口检验检疫局珠海局正式签署协议协同培养生物技术专业人才。通过办学模式的创新,“平等自愿、产权不变、协同建设、资源共享”的方针使得双方能够大胆持续投入,共建共享实验室,至今我校已经建立了分子生物学、卫生检验检疫两个国家级实验室,部分生物实验室达到生物安全二级水平,实验条件满足生物技术课程体系的教学实践要求。另外,在实践课程经费投入方面,生均实验材料费为750元/人,学院预算仪器购置费为2857元/生,年度生均实践环节总投入为3607元/生,将教育部2004年2号文件“学费20%直接用于教学”的规定不打折扣落到实处。
4生物技术课程体系改革实践效果
学生服务社会的能力是课程体系改革成功与否的试金石。首先,实验条件是实现生物技术专业课程体系规划的重要保障,“检学”协同创建高水平的、可持续发展的专业实验室体系为执行生物技术课程体系,进行人才培养、创造了先进的实验室基础,学生实验训练得到有力的保障;其次,通过实验室共建、资源共享,协同管理,把直接为企业提供食品安全检测的国家级区域性中心实验室对学生开放,作为学生通过高层次技术服务学习的平台,对学生具有深远的“学有所用”的意义,学生能够用自己的专业知识直接服务于社会,并作为切身利益方对课程体系设置的反馈能够直接基于社会的实际需求,这优于任何第三方去评价课程体系改革效果;最后,摸索出了适应特殊机制大学应用型生物技术人才培养课程体系,取得了明显效果,学生升学率达20%,就业率高于地区平均水平,学生得到了实实在在的收获。
参考文献:
[1]刘春惠.论“学科”与“专业”的关系[J].北京邮电大学学报(社会科学版),2006,(2):66-71.
分子生物学与生物技术范文3
关键词:分子生物学;教学改革;实验教改
中图分类号: G642.0 文献标识码: A 文章编号: 1674-0432(2013)-08-92-2
引言
分子生物学是在分子水平研究生命现象本质及其规律的一门新兴学科,它是研究核酸等生物大分子功能、形态结构特征及其重要性和规律性的学科,是人类从生物分子水平上真正揭开生物世界奥秘,由被动适应自然界转向主动地改造和重组自然界的学科[1]。近些年来分子生物学已日益渗透到生物学的各个领域之中,并产生了巨大的影响。而分子生物学实验技术也已成为生物学、医学、农学等学科站在新的高度和角度揭示生命奥秘的重要手段。分子生物学的理论掌握和实验操作是掌握分子生物学精髓的重要途径。因此,从培养学生能力出发科学地创建分子生物学理论和实验体系、选择适当的实验教学方法及客观地评定学生实验课成绩,会对分子生物学理论课理解和实验教学的效果产生重要的影响。高等学校传统的分子生物学实验教学[2]往往只是结合各自的实验室条件开展有局限的分子生物学实验教学,缺乏科学的实验体系,忽略合适实验方法的选择,缺少对实验教学效果全面、客观、系统的评估,这些都不利于学生学习兴趣和创新能力的培养。而高校是孕育和培养创新型人才的摇篮。实验教学作为高校教学体系的一个重要组成部分,是培养学生科学思维、创新意识的重要途径[3]。本文就分子生物学课程教学的改革阐述一些观点和体会,以期为提高分子生物学教学质量及培养创新型和素质型人才提供一定的参考。
1 分子生物学教学改革具体的措施
1.1 教学体系的优化
分子生物学是在生物化学和遗传学的基础上发展而来[4]。随着分子生物学研究的快速发展,分子生物学已经成为一门独立的学科。很多分子生物学教材的内容与生物化学、细胞生物学、分子遗传学、遗传学等课程重复较多,例如DNA 和染色体的结构,RNA转录和蛋白质翻译等课程内容在分子生物学、生物化学和分子遗传学方面都有一定篇幅的介绍,重复的课程内容占用了大量的教学课时。因此,为了避免课程教学的重复,通过与生物化学、遗传学,细胞生物学,分子遗传学等课程的教师交流与研讨,对相关课程内容进行了具体而系统的优化,明确课程之间的有机衔接,突出了分子生物学的教学重点。在“RNA转录和蛋白质翻译”这部分的教学内容中进行了相应的优化,生物化学注重讲述转录和翻译的基本过程、而分子生物学则注重介绍具体的分子机制,又如原核和真核转录起始复合物的形成过程及分子机制的教学内容生物化学和分子生物学也进行了相应的侧重。
1.2教材的优化选择
通过多年的教学实践过程,选取适合本科生学习的分子生物学教材,对于学生系统的掌握本课程的理论知识及最新研究动态至关重要。课程设置之初选取阎隆飞主编的《分子生物学》第二版,之后开始侧重理论课与实验课的有机结合,选用朱玉贤等主编的《现代分子生物学》,它的知识体系较为完整,内容较前沿,尤其是第三版将分子生物学研究法分为了两章,分别讲述了DNA、RNA及蛋白质操作技术和基因功能研究技术,突出强调了分子生物学实验技术和原理,同时对基因组与比较基因组学也做了较大幅度的修改和充实[5]。这些内容均体现分子生物学的最新技术和研究成果,同时也满足学生了解分子生物学最新进展和考研的需要。为避免教材单一的局限性,还为学生推荐阎隆飞编著的《分子生物学》(第二版),LewinB主编的《Gene Ⅷ》,吴乃虎主编的《基因工程原理》(第二版)等书籍作为参考教材,并在教师的指导下有针对性地学习,这样不仅满足了大多数学生考研的需求,同时也加深了学生对分子生物学学习的兴趣及教学难点和重点的理解,取得了较好的教学效果。
1.3教学方法与教学手段的改善
在教学方法上,除了采用传统的教师讲授方法之外,为发挥学生作为教学主体的能动性,根据具体的教学内容安排启发式,讨论式等多种教学方法,让学生参与到教学过程中。如在讲授分子生物学研究法时,在班级内以各个学习小组为单位进行研究讨论会,以学生为主体讨论他们感兴趣的分子生物学实验技术,鼓励学生主动思考,自由发表他们的观点,通过讨论的方式测试相应的知识,以学生乐于接受的方式完成对知识的学习。本课程通过多种教学方法的有机结合,充分调动了学生的学习兴趣,分子生物学课程也因此受到学生的好评。近几年来学生考研选择生物化学及分子生物学作为专业课的人数日益增加并且考研专业课成绩逐年上升。
在教学手段上,采用传统教学与计算机辅助教学 CAI相结合的方法。计算机辅助教学 CAI 应用于高等学校教育已成为主流趋势,它的优势在于可以通过文本、图形、动画、音频、视频、仿真软件等多种媒体最大限度地整合教学资源,形象直观地进行教学内容的呈现[6],使学生通过多种展示方法理解并掌握课程的难点。如在“DNA高级结构” 这部分教学内容中,学生对DNA的分子结构感觉很抽象,在教学过程中通过图片和视频等手段使学生对此结构有了具体的感知。又如在“DNA复制,RNA转录,翻译和真核和原核生物的基因表达调控”的教学内容中,仅通过传统课堂讲解,学生无法理解,通过多媒体的方法,利用动画、视频和图片对其涉及的微观机制进行相应的演示,使学生理解其具体过程和分子机制,提高了学生学习的积极性。
2 分子生物学实验教学的改革措施
2.1加强实验教学条件建设,构建良好的实验教学平台
分子生物学是20世纪中期随着核酸的发现及结构和功能的研究发展起来的新兴学科,研究基础较为薄弱。我校前身是师范类院校,对物理、化学、数学、计算机等传统学科侧重较多。自2004年我校升级为本科院校,由师范类院校转变为综合类院校,学校增加了对各学科的实验教学投入。分子生物学实验室先后配备了Eppendorf PCR扩增仪、Eppendorf梯度PCR扩增仪、高效制冰机、UVP凝胶成像系统、Millipore超纯水系统、Eppendorf台式高速离心机、sigma大型高速冷冻离心机、日本三洋超低温冰箱、分子杂交仪等先进仪器,满足了分子生物学基础实验和综合性实验课程的开设要求,为学生的实验教学与科研构建了一个良好的平台,为我院分子生物学实验课教学改革提供了有力的支持。通过上述平台由我院学生参与的分子生物学方向科研实验在国家级挑战杯竞赛中取得了良好的成绩。
2.2 实验教学体系的优化
之前由于实验条件的限制,我院分子生物学实验教学主要以基础性和验证性实验为主。随着实验条件的改善,逐步在实验设计上加大综合性、设计性实验、所占的比例。实验内容的选取也根据生物科学、生物技术专业的不同专业特点设置相应的实验教学内容。根据生物科学师范类专业的特点,在注重分子生物学基础验证实验的同时开设与分子生物学快速发展相结合的综合性实验。在生物技术专业的实验教学上则注重选取以实践操作为主的操作性和设计性实验。
在实验教学体系的优化中应注意各个实验内容之间的衔接与关联[7]。实验教学内容中建立好各实验之间的衔接对学生系统思维的培养具有重要意义,有利于学生对所学实验操作内容的理解和熟练掌握以及实验技术逻辑体系的建立。我院在实验课内容开设的顺序为基因组DNA的提取,聚合酶链式反应获得目的片段,电泳检测,大肠杆菌活化、感受态细胞的制备,质粒 DNA 提取,DNA 片断酶切,目的片段与载体的连接,转化等,当学生预习实验时,会注意到各实验内容之间彼此承接与关联。前面实验效果的好坏直接影响到下一个实验的正常进行,以此来培养学生在分子生物学实验操作过程中的系统性与逻辑性。
2.3分子生物学实验教学方法的探索
合理的实验教学方法可以使实验内容取得预期的实验效果,在实验教学方法上注重深入浅出的阐述原理,重点在实验环节的解析。针对学生的兴趣特点在教学方法上做了以下几点改进。一、把学生分成多个实验小组,每组选出一人辅助实验教师完成实验的准备工作。在学生准备实验的过程中发现问题。二、发现问题后,在实验课讲授的过程中,教师对问题有针对的讲解与演示,强调标准的操作方法及实验中各环节的注意事项。并将实验过程做成电子课件指导学生正确操作。三、在实验过程中注意实验操作主体的差异性指导。教师在实验课讲授和演示结束后,注意观察学生的操作过程,针对学生存在的普遍问题,给予及时纠正和指导;对于少数同学存在的个别问题个别指导。这样既保证学生实验操作的准确性,又达到在有限的时间内完成实验教学任务的要求。
2.4分子生物学实验课成绩评定方式的改进
科学、有效评价学生实验理论及操作技能是提高实验教学质量强有力的措施[8]。在分子生物学实验成绩评定中采用多样化考核手段,主要从两个方面评定:一、实验理论的评定,主要通过实验报告考察学生对实验原理和步骤的掌握和理解。通过结果分析考查学生对整个实验的理解与掌握。二、实验操作技能的评定。在实验过程中,各实验小组不同学生实验态度以及对实验教学内容的理解思考差异很大。鼓励那些大胆对实验步骤提出疑问的同学,同时激励其他的同学,在成绩评定中不同学生的评定会有所区别。
3 结语
如何教好分子生物学课程,提高学生的学习兴趣,改变学生为了考试而学习的观念,提高教学效果,是摆在所有分子生物学理论及实验教学工作者面前的一个共同问题[9-10]。通过以上的改革和探索。无论及教学,考研,科研还是就业都取得了一定的成效。为了更好地提高分子生物学的教学效果,希望能够与各高校的分子生物教师进行交流和合作,进一步优化分子生物学理论和实验教学的课程体系及教学方法和手段。从学生作为教学主体出发,发挥学生的主动性和能动性,以期培养出更高质量的高校毕业生。
参考文献
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[8] 杨晓杰, 刘质纯. 利用多媒体技术促进生物学教学改革[J]. 黑龙江高教研究, 2001, 103(5) : 112-113.
[9] 张宝珠, 陈德福. 培养学生实验能力“分子生物学实验”课程体系的建立[J]. 高等理科教育, 2005, 4(62):90-92.
分子生物学与生物技术范文4
[关键词]现代分子生物学技术;医学检验
随着基因克隆技术趋向成熟和基因测序工作逐步完善,后基因时代逐步到来。20世纪末数理科学在生物学领域广泛渗透,在结构基因组学,功能基因组学和环境基因组学逢勃发展形势下,分子诊断学技术将会取得突破性进展,也给检验医学带来了崭新的领域,为学科发展提供了新的机遇。
1 分子生物传感器在医学检验中的应用
分子生物传感器是利用一定的生物或化学的固定技术,将生物识别元件(酶、抗体、抗原、蛋白、核酸、受体、细胞、微生物、动植物组织等)固定在换能器上,当待测物与生物识别元件发生特异性反应后,通过换能器将所产生的反应结果转变为可以输出、检测的电信号和光信号等,以此对待测物质进行定性和定量分析,从而达到检测分析的目的。
分子生物传感器可以广泛地应用于对体液中的微量蛋白、小分子有机物、核酸等多种物质的检测。在现代医学检验中,这些项目是临床诊断和病情分析的重要依据。能够在体内实时监控的生物传感器对于手术中和重症监护的病人很有帮助。
Skladal等用经过寡核苷酸探针修饰的压电传感器检测血清中的丙型肝炎病毒(HCV)并实时监测其DNA的结构转录和聚合酶链式反应(PCR)扩增过程,完成整个监测过程仅需10 min且装置可重复使用。
Petricoin等用压电传感器研究了破骨细胞生成抑制因子(OPG)和几种相应抗体的相互作用,研发出可快速检验血清中OPG的压电免疫传感器。
Dro-sten等报道了检测神经递质的酶电报,将电极放置在神经肌肉接点附近可实时测定并记录邻近的神经元去极化后所释放的递质谷氨酸。
2 分子生物芯片技术在医学检验中的应用
随着分子生物学的发展及人们对疾病过程的认识加深,传统的医学检验技术已不能完全适应微量、快速、准确、全面的要求。
所谓的生物芯片是指将大量探针分子固定于支持物上(通常支持物上的一个点代表一种分子探针),并与标记的样品杂交或反应,通过自动化仪器检测杂交或反应信号的强度而判断样品中靶分子的数量。
在检测病原菌方面,由于大部分细菌、病毒的基因组测序已完成,将许多代表每种微生物的特殊基因制成1张芯片。通过反转录可检测标本中的有无病原体基因的表达及表达的情况,以判断病人感染病原及感染的进程、宿主的反应。由于P53抑癌基因在多数肿瘤中均发生突变,因此其是重要的肿瘤诊断靶基因。
Nam等人将硅基质上合成的寡核苷酸芯片用于血清样品中的丙型肝炎病毒分型。3 分子生物纳米技术在医学检验中的应用生物活性物质的检测有很多种方法,其中,以抗体为基础的技术尤其重要。免疫分析加上磁性修饰已成功地用于各种生物活性物质和异生质(如药物、致癌物等)的检测。将特异性抗体或抗原固定到纳米磁球表面,并以酶、放射性同位素、荧光染料或化学发光物质为基础所产生的检测与传统微量滴定板技术相比具有简单、快速和灵敏的特点。
Van Helden等将抗体连接的纳米磁性微球与高效率、快速的化学发光免疫测定技术相结合的自动检测系统,则成功地用于血清中人免疫缺陷病毒1型和2型(HIV-1和HIV-2)抗体的检测。另外,用于人胰岛素检测的全自动夹心法免疫测定技术也已建立,其中亦用到抗体、蛋白纳米磁性微粒复合物和碱性磷酸酶标记二抗。
4 分子蛋白组学在医学检验中的应用
当前有关分子蛋白质组学的大量研究成果喜人,但一大部分结论是众说纷纭、甚至是互相矛盾。一些经典的肿瘤标志物却无法在当前以表面增强激光解析离子化-飞行时间质谱(SELDI-TOF-MS)技术为代表的蛋白质组学技术中体现出来。可能存在以下几方面的问题。一方面是SELDI-TOF-MS技术自身的限制性,包括敏感性、重复性以及使用当前设备对每个峰值蛋白确认的局限性;另一方面是实验设计及对照组选择是否恰当,某个蛋白组模式反映的是肿瘤的特异性,还是炎症反应,或是代谢紊乱等无法定论;另一方面是不同实验室结果可比性、标本处理过程的差异无法探究。只有这些问题得到解决, SELDI-TOF-MS技术在检验医学中才能发挥革命性作用。
5 分子生物学技术在医学检验发展中的趋势
检验医学中的分子生物学技术发展趋势有二:一是定量PCR;二是PCR的全自动化,如应用扩增与检测于一体的一次性试验卡,可较好地解决PCR污染问题。除PCR以外的体外基因扩增技术如连接酶反应(LCR),链置换扩增系统(SDA),转录扩增系统(TAS),自限序列扩增系统(3SR),QB复制酶扩增系统等技术也将由科研进入临床。分子生物学技术的标准化和质量控制引起了广泛关注,特别是卫生部颁发的PCR实验室管理办法对PCR技术应用的健康发展起到了关键作用。为解决PCR交叉污染问题,从标本制备到检测的全封闭系统及相应的自动化仪器已在国内逐步普及。
结语:通过对现代分子生物学技术在医学检验中的作用的研究,可以证明,不管是从什么角度看待这两门看似毫不相关的学科,其实有着莫大的联系。二者如果能很好的结合运用,将会为医学与生物学带来许多好处,并且可以相互发展,相互进步。
参考文献:
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分子生物学与生物技术范文5
关键词: 现代药学; 化学; 生物学; 基础教育
加强基础教育,改变过去“基础教育为专业教育服务”;的传统观念,确立基础教育为提高学生全面素质服务的指导思想,把数学、计算机、外语作为学生终生受用的基本功来抓。更新并深化现代药学的理论基础,加强具有分子水平内容的现代生命科学知识的教学。目前,许多学校从以下几个方面进行了有益而又卓有成效的探索。
1 根据培养目标和学科发展的需要,改革课程设置化学基础课是药学专业本专科教学计划的重要组成部分,是专业学习和发展的基石。但是,沿用至今的,按照无机化学、分析化学、有机化学和物理化学设置课程的教学体系乃是前苏联化学教育体制的产物。传统的课程设置造成教学内容交叉重叠,几门课程对某些章节的归属问题争论不休,以至尚未出版的新一轮规划教材仍未解决这一“积重难返”;的问题。然而,国内一些重点大学的化学和生物专业早已改革了这种课程体系,他们将无机—分析或无机—物化—分析—有机融合为一门课程,定名为“大学化学”;或“化学原理”;或“现代化学基础”;等,并出版了多套面向21世纪课程教材,较好地解决了教学内容重复的问题。
作为药学专业的化学基础课,应该紧紧围绕药学教育的培养目标,根据专业学习的需要和学科发展的趋势以及化学课程在药学教育中的作用设置课程;打破按照化学二级学科界定课程的传统观念,将学科相关性强的无机化学、分析化学 (容量分析部分)和物理化学重组为一门课程开设, 课程拟名为“基础化学”;,理论课讲授约140学时。这样设置课程不仅避免了3门课程间部分内容的交叉重叠,而且使无机化学原理与分析化学方法,以及无机化学知识与物理化学知识的关联性更加密切、更为突出,从而使化学基础课程的设置更加科学、合理、经济,更有利于培养学员综合思维能力及综合运用知识分析问题、解决问题的能力。目前,第二军医大学已对药学专业化学基础课教学进行了改革,并取得了初步的教改成果,这一改革的成果值得借鉴。
2 药学基础实行从单一的化学模式转向以化学和生命科学相结合的模式在药学的基础学科中,一方面加强生命科学的有关内容;另一方面强调化学与生命科学的融合作为药学的基础,以分子生物学、分子药理学和药物分子设计作为药学基础之核心内容。为此,中国药科大学在“基地班”;开设了一系列生命科学相关课程, 如生物学、药学的生物化学基础、分子生物学、现代生化药学、细胞生物学等。分子生物学当今在新药设计、研究、生产、质量控制及药物作用机理研究应用中已经取得迅猛发展,其本身又是一门理论性与实践性很强的课程,学校在医药院校中率先为本科生开设分子生物学实验,目前开设的范围已扩大到其他相关专业。现代生化药学是研究与药学科学相关的生物化学理论、原理与技术及其在新药发现、药物研究、药品生产、药物质量控制及临床应用的综合性基础学科,学生通过该课程的学习,将在掌握化学与生命科学相结合的现代药学研究模式方面打下坚实的理论基础。
分子生物学与生物技术范文6
[关键词] 中药学研究生;分子生物技术;知识结构;医学教育
[中图分类号] G643 [文献标识码] C [文章编号] 1674-4721(2012)02(c)-0153-02
Improve the knowledge structure of graduates by strengthening the study of molecular biotechnology
WANG Lili DAI Liping CHEN Suiqing
Pharmacy College of Henan University of TCM, Zhengzhou 450008, China
[Abstract] In order to improve the knowledge structure, research and innovation ability of graduates who major in traditional Chinese medicine, a variety of ways and means were performed to enhance their study in molecular biotechnology, these ways include basic theory strengthening, experimental ability training, cooperation with enterprise etc..
[Key words] Graduate; Molecular biotechnology; Knowledge structure; Medical education
几千年来,中医药已形成独特的、系统的医药学理论,其中,中药学传统理论是中药体系中不可或缺的重要组成部分,是中药学教育的核心体系。但是如果我国的医药教育尤其是中药研究生教育仍停留在传统的中药学知识教育的层面上,将会面临知识结构落伍的困境。目前,大量在读硕士研究生已逐渐成为中药科技创新体系中的生力军,因此,研究生教育关系到国家自主创新能力的提升,意义重大[1]。当今分子生物技术、基因工程技术的发展日新月异,为中药的发展增添了新的驱动力。以中药材为例,分子生物技术在中药栽培、育种,建立动植物基因库,稀缺天然成分的转化,贵重药材的分子鉴别,药材的种质资源研究等方面取得了重大进展。因此,加强对现代分子生物学技术的研究,从基因水平上对中药材进行分析和鉴别,是现代研究生需要掌握的一项基本技能。在《中国药典》2010年版中已经收载了蕲蛇和乌梢蛇的聚合酶链式(PCR)的鉴别方法[2],由此可见,生物技术已经成为中药研究生教育的必修课。为了培养和促进研究生对现代生物技术的掌握,本研究室为中药学专业研究生开辟了多条途径,以期能够完善其知识结构,提高其科研能力和水平。
1 加强基础生物学课程的学习
由长期在科研和教学一线工作的教师来进行《现代生物技术》、《分子生药学》和《生物工程技术概论》等基础课程的讲授,注重基础理论知识和基本理论的讲解。由于生物技术发展迅速,时效性较强,任课教师应及时查阅国内外该学科的新进展、新技术、新方法,并对这些新技术、新方法进行大致分析与介绍,突出其在中药研究中的意义,尽可能使课程内容与最新的前沿研究同步,使研究生尽可能接触最新的研究进展,拓宽科研思路。同时,本学科的发展和分子生物技术的结合应该作为重点内容来讲述。以中药质量标准为例,分子生物学手段特别是DNA分子遗传标记技术,可从分子水平鉴别药材主流品种及其种下等级的遗传背景差异,为生药品种标准化提供先进可行的方法和稳定可靠的标准,进而为中药质量标准规范化奠定坚实的基础。近年分子诊断技术也广泛应用于生药的鉴别中,限制性片段长度多态性(RFLP)分析、随机扩展多态性DNA(RAPD)分析、扩增片段长度多态性(AFLP)技术等的出现,为生药的鉴别特别是贵重药材的鉴别提供了分子水平的依据。与此同时,应该培养研究生的阅读能力,为其介绍国内外一流的分子医药学期刊及网站,加强其文献检索的能力,扩大其眼界和知识面。
2 通过多种途径,培养研究生的动手能力
动手能力是科研能力的重要保证之一,是实验研究能力和实验创新能力的基础。为了提高研究生的实际操作能力,使研究生在理论学习阶段提前进入实验室进行实际操作训练。本校中药学实验室开展了分子中药鉴定、细胞培养等多个方向的研究生课题,使研究生在学习理论知识的同时,了解PCR扩增、蛋白质电泳、植物愈伤组织培养、细胞培养等的基本原理和操作规程,从而提高理论和实际动手能力,在实际操作中,发现问题,解决问题,提高科研能力和水平。以PCR扩增为例,首先需要了解微量移液器、PCR扩增仪等仪器的使用方法,该实验实际操作过程繁琐,试剂种类较多,试剂量是以微升进行计量,加入量有时肉眼难以看到,对操作者要求较高。因此,必须对研究生进行实验操作规程和技能的训练,培养其观察和分析问题的能力,使其能够独立解决实验过程中出现的异常现象和问题,增强科研实践和创新能力。
3 加强与外单位科研院所合作交流
定期选派研究生赴中国医学科学院等合作单位进行中药生物工程技术方面的学习与交流,鼓励和支持研究生参加高水平学术交流活动,为研究生提供更多更优质的创新平台与机会。充分利用校外优质资源, 扩大学校与政府、科研院所、企事业单位的研究生联合培养,加强教育科研资源的整合,科学发挥科研中心的高层次教育功能,加强与生物医药公司的合作,形成产、学、研一条龙,共同培养中药行业需求的高层次应用型、复合型人才。
4 组织研究生到生物制药企业、农业生物园区等参观见习
为了使研究生加深对生物药品生产过程的了解,应该组织研究生到生物制药企业进行参观见习,提供企业和研究生深层次交流的机会。通过这样的交流,研究生可以更多的了解企业需求,针对企业生产过程中需要的知识进行学习调整,使研究生明确如何适应企业要求找到适合自己的岗位,为以后顺利就业打下基础。企业也可以把技术革新等方面的需求反映给研究生,增强研究生的创新实践能力,为其研究思路指明方向。通过参观学习,可以开拓研究生的思维,刺激其学习兴趣,增强其在实用技术方面创新的能力。这样既增加研究生的就业机会,也使企业得到充足的人才储备,达到校企双赢。
研究生学习阶段的一个重要任务就是拓宽研究视野,结合自己的研究方向及时更新和调整知识结构,及时把握本学科发展的大致方向与研究方法。随着现代生物工程技术的发展,一批新兴的交叉学科应运而生,中药的研究也面临着诸多挑战[3-4],生物工程技术发展使中药栽培、中药鉴别等达到了分子及细胞水平,因此,加强分子生物技术的学习,对中药学研究生知识结构的构建有着重大意义。
[参考文献]
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