在大肠杆菌中生产麦角硫因：河北工业大学姜艳军团队设计一种基于研究的生物化学与分子生物学教学方法

河北工业大学姜艳军团队设计了一套持续数周的项目式学习（PBL）课程，要求学生利用重组DNA技术，在大肠埃希菌（Escherichia coli）中完成麦角硫因（ERG，一种重要的抗氧化剂）的整个生产流程。具体实验内容包括分子克隆实验（可选）、蛋白表达分析、生物反应器发酵及产物定量分析。结果发表于ASM期刊Journal of Microbiology and Biology Education。

关键词

项目式学习，异源表达，发酵，大肠埃希菌，麦角硫因，生物化学实验室，重组蛋白，生物反应器

传统的“菜谱式”实验教学存在明显的局限性。学生只需要按照既定实验步骤操作，以获得可预见的结果，这种实验教学更侧重于验证过程，而非真正意义上的科学探索。在实验过程中，学生只是在机械性地完成任务，缺少对实验设计、问题解决等关键能力的培养。这种传统的教学方式也会加深学生对科学的误解，即，把科研错误理解为通向正确答案的一个直线过程，但科学本质上是一个需要反复探索的过程。此外，脱离更广阔的研究背景，孤立地传授科学技术也不利于学生充分理解这些技术的实际应用。学生缺乏真实的研究体验，尤其是缺乏处理非预期结果或阴性数据的经验，这不仅会减弱学生的主动性，也无法培养学生应对真实世界科研工作复杂性的能力。

鉴于上述局限性，教育工作者一直在探索能更有效地引导学生参与真实科学实践的教学方法。项目式学习（PBL）模式旨在将学生置于一个持续且真实的研究场景中，为解决这一难题提供了一个有效的解决方案。与传统的“菜谱式”实验不同，项目式实验要求学生自主设计实验方案、处理实验中的非预期结果、解决技术难点；因此，学生在完成实验的过程中，其韧性、分析思维能力和责任感均得到了有效锻炼。此外，学习小组成员间的合作也是对真实科研团队工作方式的模拟，有助于提升学生的人际交往与沟通能力。最重要的是，项目式学习模式可以加深学生对理论知识的理解，培养学生“像科学家一样思考”的能力，为他们未来在科研、工业和医学领域的职业发展奠定基础。

然而，项目式学习模式的成功实施关键在于选择一个合适的研究主题，既要有一定的科学深度，还要在教学上具有可行性。利用大肠埃希菌（Escherichia coli）进行麦角硫因（ERG）生物合成这个课题恰好能满足这些条件，这主要基于以下几个方面的考量。首先，麦角硫因是一种含硫抗氧化剂，被誉为“长寿维生素”，能缓解氧化应激和衰老相关疾病，因此具有显著的商业价值，这为学生提供了一个真实的研究背景。其次，麦角硫因的生物合成途径较为明确，如利用细菌耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）的egtA/B/C/D/E基因簇和真菌粗糙链孢霉（Neurospora crassa）的Egt1/Egt2系统进行生物合成（图1），是一个具有真实挑战性的生物工程项目。学生们可以比较不同的合成途径，选择在大肠埃希菌中表达原核、真核还是杂交基因簇，设计出麦角硫因的生物合成方案，并进行验证。第三，这些基因在大肠埃希菌中易于表达和调控，从而支持将大肠埃希菌作为活体实验室，使麦角硫因的生物合成项目成为开展基于项目的沉浸式合成生物学与发酵科学教学的一个理想平台。在项目实施过程中，学生们将直接接触异源表达、工艺优化、代谢负担等核心概念。

基于上述教学理念和科学适用性，我们设计了一个项目式学习课程，引导学生利用大肠埃希菌生产麦角硫因并测定其含量的完整实验流程（图2）。该课程的具体教学目标及相应的实验内容和评估方法详见表S1。

具体目标包括：

1提供从基因设计到产物分析整条生物工艺链的真实研究体验；

2通过实践操作巩固生物化学、分子生物学和微生物生理学中的核心概念；

3培养实验设计、技术操作、数据分析、问题解决及科学交流等基础科研能力；

4通过具有现实意义且富有挑战性的团队协作项目，提升学生的参与度及其职业素养。

图2 本科生实验课程的整体框架：时间线、教学方法与评估方式