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探寻基因奥秘——记苏州冷泉港亚洲基因中心学习之旅

发布时间:2016-11-29浏览次数:

20161120日,在陆芷茗副校长的带领下,我校教科室组织生物组教师及高一高二部分学生前往苏州独墅湖科教创新区参加南京一中“科学行”科学考察与体验活动。

上午,师生们来到冷泉港亚洲基因学习中心。剑桥大学博士后栾世路老师带领大家边参观“基因学习中心”,边进行生物学研究前沿状况的发展的介绍。据介绍,该中心是在DNA双螺旋结构发现者,诺贝尔生理学奖获得者詹姆斯•沃森博士的支持和关怀下筹建的,与美国冷泉港科学实验室合作,是亚太同类机构中规模最大、国内首家专注于基因科学教育及知识分享的机构。接着,同学们分组在栾世路老师和美国普渡大学生物学及教育学硕士桂宏吉老师组织下,进行了DNA指纹鉴别的实验。两位老师将美国的实验教学模式原汁原味地带到到了课堂,学生们与老师双语交流,平等对话,积极互动,动手科研,找到真正的“罪犯”,体现了科普教育国际化、专业化、趣味化。下午师生们参观了西交利物浦大学的会议中心、图书馆和实验中心等,感受了现代化的高等教育。
参加活动的学生们提交了20多篇学习体会和科学小论文,通过这次活动既学习了生命科学知识,了解的生命科学的前沿动态,又在实验中体验科学活动,领略生命在分子层面的精妙和美丽。参加活动的生物组老师们也表示,将依托省级课程基地进一步加强与高校、科研机构等的联系,开发丰富而有特色的课程资源,形成学生实践创新的有效路径,发展我校学生的科学素养和科学思维方式,提高学生发现问题和实际动手解决问题的能力以及创新能力。











附学生论文:


ShortDNA fingerprinting

琼脂糖凝胶电泳实验

王咏珊

原理1琼脂糖凝胶具有网络结构,相当于分子筛,大分子物质在涌动时受到的阻力大,因此分辨能力大大提高。

2DNA分子带负电,电泳中向正极移动

实验步骤

1,制备凝胶槽(两侧封上胶带),倒入1.5-2,125px厚的凝胶,数分钟后凝固成透明胶状固体。



2、将凝胶槽平缓放入电泳槽平台中,加入缓冲液(相当于电解质)至完全没过凝胶


3、将DNA样品液用输液枪加入到凝胶板的输液槽内(样品:4个,其中2个相等)



4、接通电源,开始电泳实验(观察到有大量气泡产生于负极,气泡由红圈圈出)


5、约40分钟后,切断电源,拿出凝胶槽观察,发现出现两条颜色的条带,拿至紫外线灯下观察


观察结果如图:(DNA分子存在位置呈橘黄色荧光,4条条带中有2等长的)


且电泳时间越长,条带越长越清晰。


影响DNA片段琼脂糖电泳的几个因素:

  1. DNA分子的大小

  2. 琼脂糖凝胶的浓度

  3. 电流的大小

总结:DNA的凝胶电泳技术按相对分子大小分离DNA,也可检验DNA的浓度(根据荧光的强度),但任何工序不理想,都无法进行下一道工序,这种情况必须重新实验,同时伴有区分度较小的缺点。


经了解,我们得知DNA的凝胶电泳技术已被用在如下几个方面:

分离大片段DNA

提取大分子DNA

这两个方面的使用可以惠及我们的社会及生活




赴冷泉港亚洲基因学习中心学习

高二(6)张予涵

冷泉港亚洲基因学习中心

冷泉港亚洲基因学习中心(以下简称“基因学习中心”)成立于20157,为目前亚太同类机构中规模最大、国内首家专注于基因科学教育及知识分享的机构。中心的筹办和建立得到了DNA双螺旋结构发现者,诺奖得主詹姆斯•沃森博士自始至终的大力支持和亲自关怀。

旨在把美国的成功教学模式原汁原味地移栽到中国,并为当前中国急需的科普教育探索出一条国际化、专业化、趣味化的新路。当今世界,科学发展日新月异,生命科学的进展更是异常活跃且激动人心!

该基地已经读出了人类全基因组代码,目前正在努力完全解码这一天地万古之“天书”!鉴于此,他们认为向大众普及基本的生命科学知识、分享科学研究可喜的进展,领略生命在分子层面的精妙和美丽显得非常及时和必要。

基因学习中心的教材重点采用美国冷泉港实验室在过去三十年里面向5-12年级学生开发的课程。其中一部分相当于美国高中的AP课程,有些甚至相当于美国大学课程;还有一些则侧重结合生活中常见的生物现象,从小学五六年级开始,引入介绍并普及基因科学的经典发现,以及生物研究的科学思路。

该中心力求将美国成功的科学教育模式同中国国情紧密结合,为提高我国民众的普遍科学素养和科学思维方式,为我国大学前教育同国际最高水准接轨,为提高青少年学生发现问题和实际动手解决问题的能力、以及社会紧缺的创新能力,作出力所能及的贡献。

基因学习中心的举办单位冷泉港亚洲为美国冷泉港实验室在亚太的唯一分支机构。自2008年创建后,平均每年为逾3000名亚太地区的科学同行提供和组织近20场国际学术会议。

该基地外部为细胞状,中央有两条螺旋状楼梯,寓意为DNA双螺旋结构。楼梯漆以不同颜色,分别代表着A,T,C,G四种不同碱基。


琼脂糖凝胶电泳实验

指导老师栾世路(毕业于瑞典于默奥大学,微生物学博士,英国剑桥大学博士后)

原理琼脂糖凝胶电泳是用琼脂糖作支持介质的一种电泳方法。其分析原理与其他支持物电泳最主要区别是:它兼有"分子筛""电泳"的双重作用。

琼脂糖凝胶具有网络结构,物质分子通过时会受到阻力,大分子物质在涌动时受到的阻力大,因此在凝胶电泳中,带电颗粒的分离不仅取决于净电荷的性质和数量,而且还取决于分子大小,这就大大提高了分辨能力。但由于其孔径相比于蛋白质太小,对大多数蛋白质来说其分子筛效应微不足道,现广泛应用于核酸的研究中。

蛋白质和核酸会根据pH不同带有不同电荷,在电场中受力大小不同,因此跑的速度不同,根据这个原理可将其分开。电泳缓冲液的pH6~9之间,离子强度0.02~0.05为最适。常用1%的琼脂糖作为电泳支持物。琼脂糖凝胶约可区分相差100bpDNA片段,其分辨率虽比聚丙烯酰胺凝胶低,但它制备容易,分离范围广。普通琼脂糖凝胶分离DNA的范围为0.2-20kb,利用脉冲电泳,可分离高达10^7bpDNA片段。

DNA分子在琼脂糖凝胶中泳动时有电荷效应和分子筛效应。DNA分子在高于等电点的pH溶液中带负电荷,在电场中向正极移动。由于糖-磷酸骨架在结构上的重复性质,相同数量的双链DNA几乎具有等量的净电荷,因此它们能以同样的速率向正极方向移动。

过程:首先介绍了基因的组成以及该实验的基本原理,生动形象地阐述了基因研究的实质。运用中英文结合的方式,用讲义呈现,使我们对该实验的印象更为深刻。


其后进行实验,栾老师首先给我们做出正确示范,强调重点后让我们两人一组进行独立操作,期间老师在小组之间走动,为没有听明白的同学再次耐心讲解。

实验的第一步即使制作0.8%的琼脂糖凝胶。将电解槽打开,取出其中的配胶板,用胶带封好后,加入60℃的凝胶。


琼脂糖凝胶即为从琼脂中除去带电荷的琼脂胶后,剩下的不含磺酸基团、羧酸基团等带电荷基团的中性部分,结构是链状的聚半乳糖,易溶于沸水,冷却后可依靠糖基间的氢键引力形成网状结构的凝胶。凝胶的网孔大小和凝胶的机械强度取决于琼脂糖浓度。因此琼脂糖凝胶可作为分子筛,常用于凝胶层析和电泳。

该物质的特性是煮沸时变为液体,冷却后即为果冻状固体。

塑性完成后,将其小心取出,栾老师特意做了示范,提醒了重要的细节。放入电解槽中,加入电解缓冲液(即为带离子的溶液,通常为TAETBE),用微量移液枪向凝胶的凹槽中加入已染成蓝紫色的DNA,接通160V的电源,设置时间为45分钟。

在等待DNA样品电泳时,栾老师对我们进行了进一步的讲解。比如该技术可以运用于查找嫌疑犯等高精度工作,即比较相同的DNA片段的不同区域,能匹配就是罪犯。运用PCR仪还可以进行DNA的复制,从而更简捷地用少量DNA进行分析。她还详细讲解了DNA片段的构成。‘

当电泳完成后,栾老师指导我们在紫外线仪器下观察琼脂糖凝胶。

观察到橙色条带。


          被染色的DNA



练习用染料

电泳槽内气泡



吸取DNA

 

  紫外灯下结果







苏州科学行纪实

高二(3)班李诗宸


1111日,怀着对实验活动的好奇与憧憬,我们踏上了去苏州的旅程。

我们的目的地是位于苏州工业园区的冷泉港亚洲基因学习中心。对于冷泉港实验室,我慕名已久。这是世界顶级的生物学实验室,曾由诺贝尔奖获得者、DNA双螺旋结构的发现者之一沃森领衔,是世界生命科学研究的圣地。它同时还有一重重要的身份,就是全球最有影响的生命科学教育基地。而苏州的基因学习中心是国内首个基因学习中心,也是冷泉港实验室在美国之外的第一个分支机构,自然令我们十分期待。

我们所进行的实验是建立在罪案侦破背景上的DNA检测实验,也就是常说的DNA指纹技术。

获取DNA指纹的方式是琼脂糖凝胶电泳(agarosegel electrophoresis),也就是俗称的跑胶。

首先,我们将加热融化的琼脂糖凝胶注入模具中,待凝固形成凝胶基质后放入电泳水槽中并注入TBE缓冲液,在基质上预留的空格中加入经限制性核酸内切酶处理的DNA样本,随后接通电源。

工作35分钟后,我们关闭电源,将琼脂糖凝胶基质取出后置入称量船。由于我们所选用的材料是荧光的,所以用紫外线仪器进行了观察。

当我透过窗口亲眼看到三条发光的DNA指纹时,确实有一种惊喜感。

在我学习生物的过程中,我了解到这项技术不但可以进行嫌疑人识别、亲子鉴定,还可以用于建立DNA数据库和检测生物的基因型。

由于显性基因与与隐性基因的不同,经限制酶处理后获得的片段也不同,在进行凝胶电泳时会在基质上留下不同的痕迹:显性纯合子为3条,杂合子为4条,隐性纯合子为2条。这无疑是一项应用型极强的技术。

我坐在中心里的吴瑞螺旋梯上,有了一些思考。

正是由于早年科学家们运用才智、竭尽所能地工作,科学理论才会有一次又一次的飞跃,而这推动了应用技术的不断发展,使我们的生活日益美好。这是我们所有人的幸事。而我们也应当努力学习,投身于这伟大的事业。

感谢学校给了我们一次如此好的学习机会,使我们既开阔了眼界,又有了深入的思考,提高了科学素养。