植物合成生物学课程实验教学初探

课程教学

Curriculum Teaching tOBM 植物合成生物学课程实验教学初探

潘炜松汪启明谭成方刘齐军

(湖南农业大学生物科学技术学院湖南•长沙410128)

摘要植物合成生物学是生命科学相关专业重要的前沿专业课程,课程实验对于学生深刻把握合成生物学的学科理念和实验技术具有重要的意义.结合教学实践，本文介绍了我校植物合成生物学课程实验的设计思路和实践经验。

关键词植物合成生物学创新人才人才培养

中图分类号：G424文献标识码:A DOI:10.16400/ki.kjdks.2019.04.048

A Brief Discussion on Experiment Teaching of Plant Synthetic Biology

PAN Weisong,WANG Qiming,TAN Chengfang,LIU Qijun (College of Bioscience and Biotechnology,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan410128) Abstract Plant synthetic biology is an important specialized course of life science.The experiment teaching of plant syn­thetic biology is of great significance for students to grasp the concept and experimental technology of synthetic ­bining with teaching practice in our university,this paper introduces the design idea and practical experienee of the experiment of plant synthetic biology.

Keywords plant synthetic biology;innovating talent;cultivation

2010年5月21日，美国生物学家及企业家J.Craig Venter 领导的合成生物学研究团队在Science发表了具有划时代意义的研究成果一一首个人造生命（命名为“辛西娅,Synthial.O”）。其通过完全化学方法合成的基因组包含约901个基因序列，长达100万碱基对。“在初代辛西娅的基础上，6年后该团队继续在Science杂志报告称，他们设计并合成出一种具有最小基因组的微生物（“Synthia3.0”），辛西娅3.0具有473个基因，在实验室条件下可以自我复制丿1这些成果是合成生物学领域的里程碑式进展，大大推进了对生命奥秘的认知。合成生物学作为一种方兴未艾的具有颠覆性意义的新兴技术，已迅速发展为一门新兴的交叉学科，其重要的研究意义和巨大的应用前景引起了科学界乃至社会各界广泛的关注和讨论。

2017年科技部《“十三五”生物技术创新专项规划》指出，合成生物技术为颠覆性技术，要突破人工生命元器件、基因线路和生物计算、人工生命体，构建DNA合成与组装、生物计算与设计、元件木块底盘库共享平台，以及可生产化学品、材料、天然产物、生物能源的人工细胞工厂，抢占合成生物学战略制高点。针对合成生物学蓬勃发展的现状，及其巨大的应用前景和发展潜力，作为生命科学专业的本科生有必要对这一学科进行深入的了解。这门学科尽管建立时间不长，但发展极其迅猛，其理论研究意义和工业应用潜力已逐渐凸显。目前国内普通高校中面向生命科学相关专业本科生开设这门课程的不是很多,但许多国外一流高校（如MIT、哈佛大学等）以及有些国内985高校已经开始将其作为高年级本科生的专业课程。作为生命科学相关专业的教师，笔者认为将合成生物学作为的一门高级选修课程,面向生物工程、生物科学、生物技术等专业高年级本科生介绍这门新兴学科的学科理念、技术体系和应用价值等是极有必要的。鉴于植物学科在农林院校的优势地位，我们首先向学生介绍植物合成生物学课程。本文就植物合成生物学选修课程的实验部分的开设作一简要介绍。

合成生物学创新发展了一系列优秀的实验技术，从基本功能元件的构建与标准化，到高通量的微芯片基因合成技术与各种尺度（从bp至Mb）的DNA拼接组装方法，再到强大的基因组编辑工具,底盘细胞也因工具的不断创新得到了快速发展。微生物最小基因组的分析以及对基因组的连续删简优化，为构建一个具有可预测、可控制表型的优良底盘细胞奠定了基础，为促进基于细胞疗法的人类疾病治疗，哺乳动物细胞作为底盘细胞也正在开发中。°」因此，要较好的消化理解这些全新的实验技术，理解和掌握合成生物学最核心的工程化、标准化理念，光靠纸上谈兵显然是不行的，因此，我们反复讨论了植物合成生物学课程实验的设计方案，对实验教学内容进行精心设计，力求在较短学时数内完成从转录单位的构建，多个转录单位的组装及在模式植物中的表达与检测的实验流程。

合成生物学是生物技术在分子生物学和基因工程层面上的自然延伸，可以说，基因工程和合成生物学是生物技术发展的两个阶段，前者是后者的基础。但二者并没有明确的界线，有相当一部分内容是重叠的。e因此，我们在设计实验课程时注意到了与分子生物学实验课程的关系，避免重复性教学。在基因工程的实施过程中一般只转移个别外源基因，而合成生物学通常是转移一组基因，涉及到代谢途径甚至代谢网络等。合成生物学的核心理念是标准化、系统化、工程化。它遵循标准化-设计-建模/模拟-实施-测试的工程学思想。合成生物学家力图通过工程化的方法，将复杂的生物系统合理简化拆分为各个功能元件，通过对生物元件的逐级组装，直至设计和构建具有崭新功能的合成生物系统。151

传统的多基因克隆系统往往涉及繁杂的克隆操作，基于Ils 型限制性内切酶建立的克隆系统（如Golden Gate J6'Moclo,171 Golden Braid）1891则具有独特的优势严传统克隆方法所使用的

1042019年/第10期/4力（上）