化学生物学是20世纪90年代出现的一个交叉学科,又被称为化学遗传学,美国哈佛大学的S.L.施瑞伯对于化学生物学的诞生和发展做出了卓越的贡献。化学生物学主要使用小分子作为研究工具来解决生物学的问题,或通过干扰/调节正常过程来了解蛋白质的功能,从而为生命现象的理解和新药的研制带来了新的机遇。当今的化学与生物学、医学等学科日益融合渗透,对许多生命现象的研究已经进入分子水平,化学研究的手段和方法已经成为处于分子水平的生命科学的必不可少的重要工具。研究解决生命和医学等现象中的化学问题,是化学学科未来发展的主要动力,使得化学生物学这一新型学科得到了快速发展。随着化学生物学学科的发展,与之相对应的实验课程在国内外一些知名高校逐步开设起来。为了给学生提供必要的化学生物学基本知识和实验技能,浙江大学化学系和化学实验教学中心于2005年开始筹建“化学生物学实验”课程。由于当时化学生物学实验教材非常缺乏,我们组织了一批在该领域研究的教师设计了实验内容、编写了实验讲义,并于当年9月起开设了“化学生物学实验”课程。经过连续8年的教学实践,我们逐年对实验讲义进行修改和完善,每一次都进行了较好的提高和丰富。
2013年1月,由我系教师主编、科学出版社出版的《化学生物学实验》成为我国第一本正式出版的该领域的实验教材。
1 课程建设
“化学生物学实验”是一门研究生命现象中的化学问题的实验课程,主要通过生物化学、细胞生物学、分子生物学、基因工程和细胞工程等实验技术与化学实验手段相结合的方法,让学生掌握化学生物学实验的基本知识、基本原理和操作技能,培养学生在细胞层次和分子水平层次上的实验技能。
我校“化学生物学实验”课程2005年开设时共48学时,学分为1.5,随着课程的发展和选课学生的日益增加,2009年起学时数增加到128,学分改为4.0。目前该课程已成为了化学实验教学中心实验课程体系中的一门重要课程,主要面向化学和化工等专业的高年级本科生以及研究生,在实验内容上涵盖了蛋白质化学、糖化学、生物矿物和生物矿化、酶促化学、生物氧化、细胞和基因工程、计算机模拟实验等。其中特色实验有金属卟啉模拟生物氧化过程、纤连蛋白在羟磷灰石上吸附-脱附过程的分子模拟、荧光量子点的合成及FRET法测定蛋白酶的活性、抗肿瘤药物的合成及其对肿瘤细胞抑制和细胞形态观察、生物矿物和生物矿化的调控、酶催化Michael加成反应/酶促合成选择性调控、亲和色谱树脂的合成及其对溶菌酶的分离提纯等。
由于大部分实验是基于浙江大学化学系的特色,根据学科发展,从教师最新科研成果转化而来的,因此我们的课程及实验内容设置上具有以下特色:
(1)学科交叉的特色鲜明,涉及到基因工程、细胞工程、酶工程、计算化学、蛋白质化学等众多领域;(2)实验内容选题新颖,具有综合性、研究性和挑战性;(3)学生可以涉足不同的研究领域,得到多方位的实验技能训练和强化。
在实验安排上,学生以3~4人为一组进行实验,每次实验完成1个大的专题,每个专题由1个专职教师来指导。以研究问题为主线,将设计、探究、分析等部分有机地结合起来,充分培养学生的创新思维和创新技能,努力达到教育部提出的“重实践、求创新”的教学培养目标,达到“既传授化学知识与技能,又训练科学方法和思维”的全面化学教育要求。此外,为了巩固学生对课程的理解和掌握,学期结束时,学生要完成1篇相关的小论文,并统一答辩。
2 教材建设
8年来,化学系和化学实验教学中心组织了一批在化学生物学及相关研究领域取得卓越成果的教师投入实验教材的建设,将他们的前沿科研成果转化为学生实验,对培养新型交叉学科人才起到了重要的作用。
2005年筹建时,实验讲义中只有7个实验。课程组坚持每年出一本实验讲义,每次增加一些新实验。到2012年时,实验讲义内容已经增加至37个,具备一定的规模。2012年4月,课程组与科学出版社签订出版合同,教材于2013年1月正式出版。
正式出版的化学生物学实验教材共33万字,安排了41个实验,分为生化分离分析实验技术、生物材料制备技术、化学中基因工程实验技术、化学中蛋白质实验技术和化学中细胞实验技术5个部分。每个实验均精心编写了实验导读,提供了一定的背景材料,使学生能更好地了解这一交叉领域发展的基本状况和最新进展。此外,为了方便读者的使用,在第8章附录中还增加了26类化学生物学实验常用仪器的使用方法,以及试剂配制、使用说明等重要资料。
作为我国第一本正式出版的《化学生物学实验》教材,该书具有以下特点:(1)涉及学科多,涵盖基因工程、细胞工程、蛋白质化学等众多学科;(2)内容丰富,安排了41个来自不同领域的有代表性的实验;(3)选题新颖,许多内容来自于化学生物学前沿研究的成果;(4)难易结合,可以适合不同高校教学和不同读者学习的要求。
3 实验室条件建设
8年来,浙江大学化学系和化学实验教学中心投入专项资金近100万元,不断完善“化学生物学实验”课程的实验条件和实验环境。目前拥有3个学生实验室共352m2,其中64m2专业无菌室1个。购置了大量的仪器设备用于实验教学,如超净工作台(5张)、光学显微镜、酶标仪、可见-紫外分光光度计、核酸分离层析仪、恒温反应振荡箱、高配置计算机(13台,用于分子动力学模拟实验)、电泳仪、PCR扩增仪、高速冷冻离心机(2台)、超低温冰箱、电化学工作站、荧光倒置显微镜、高性能二氧化碳培养箱(2台)、表面等离子光谱(SPR)生物传感器等。此外,“化学生物学实验”在教学中还能充分享受化学系分析测试中心的大型仪器资源,学生随时可以利用红外分光光度计、荧光分光光度计、核磁共振仪、高效液相色谱仪、气相色谱仪和气质联用仪等大型仪器来完成每次的专题实验。
4 教师队伍建设
化学系一直非常重视“化学生物学实验”课程,设立了课程组长、实验室主任和课程负责人。“化学生物学实验”课程组稳定了一批积极参与学生实验指导的博士生导师和教授,如在分子模拟与分子设计领域发表数篇高质量SCI论文的王琦教授、国家高技术研究发展计划(863)重点项目主持人汤谷平教授、在分子细胞学研究上有突出成就的邬建敏教授等。这些博导和教授不但兢兢业业地指导学生,而且能不断向学生介绍各自领域的最新研究动态,从而丰富了学生的知识面,大大地调动了学生的学习积极性。
为了使“化学生物学实验”课程得到不断提升,课程组还吸引了一些留学回国的年轻教师参与课程建设和教学指导,如留学日本1年的姚波副教授和留学德国2年的吴起副教授。
5 结束语
化学生物学人才将在我国科学研究和科技应用中发挥重要作用,“化学生物学实验”课程在这些人才的创新意识和实验技能的培养上具有积极的主导作用。我校在“化学生物学实验”课程建设中开展一些工作,取得了一些教学成果。我们还要不断探索、不断总结,同时积极借鉴兄弟院校的成功经验,紧跟学科最新发展,开发出更多、更有特色的专业实验,为培养具有高素质化学生物学人才做出贡献。
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