浅谈生物信息学在生物学研究中的应用

浅谈生物信息学在生物学研究中的应用（精选9篇）

浅谈生物信息学在生物学研究中的应用 篇1

10生乙 尹竹10517109

浅谈生物信息学在生物学研究中的应用

生物信息学（Bioinformatics）是一门新兴的、正在迅速发展的交叉学科，目前国内外对生物信息学的定义众说纷纭，没有形成统一认识。概括来说，现代生物信息学是以核酸和蛋白质等生物大分子数据库及其相关的图书、文献、资料为主要对象，以数学、信息学、计算机科学为主要手段，对浩如烟海的原始数据和原始资料进行存储、管理、注释、加工，使之成为具有明确生物意义的生物信息。并通过对生物信息的查询、搜索、比较、分析，从中获得基因的编码、凋控、遗传、突变等知识；研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构、功能及其相互关系；研究它们在生物体内的物质代谢、能量转移、信息传导等生命活动中的作用机制。

生物信息在生物学研究上的应用主要包括在基因组学研究上的应用和在蛋白质组学研究中的应用。

1.在基因组学研究中的应用

基因组（genome）表示一个生物体所有的遗传信息的总和。一个生物体基因所包含的信息决定了该生物体的生长、发育、繁殖和消亡等所有生命现象。有关基因组的研究称为基因组学(Genomics)，基因组学根据研究重点的不同分为序列基因组学(Sequence genomics)、结构基因组学(Structural genomics)、功能基因组学(Functional genomics)与比较基因组学(Comparative genomics)。结构基因组学的研究：结构基因组学(Structural genomics)是基于基因组学的一个重要组成部分和研究领域，它是一门通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学口。生物信息学在结构基因组学中的应用主要在于：基因组作图、核苷酸序列信息分析、基因定位、新基因的发现和鉴定等方面。比较基因组学的研究：借助生物信息学的手段对不同生物基因组的比较、分析，可以进行生物进化等方面的研究。

功能基因组学的研究：功能基因组学(Functional genomics)是指在全基因组序列测定的基础上，从整体水平研究基因及其产物在不同时空、条件下的结构与功能关系及活动规律的学科。功能基因组的研究是后基因组时代的关键点，它将借助生物信息学的技术平台，利用先进的基因表达技术及庞大的生物功能检测体系，从浩瀚无垠的基因库筛选并确知某一特定基因的功能，并通过比较分析基因及其表达的状态，确定出基因的功能内涵，揭示生命奥秘，甚至开发出基因产品。

2.在蛋白质组学的研究中的应用

在20世纪中后期，随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质空间结构的解析，生生命科学的研究进入了分子生物学时代，而遗传信息载体DNA和生命功能的体现者蛋白质的研究，成为了其主要内容。90年代初期启动的庞大的人类基因组计划，已经取得巨大的成在20世纪中后期，随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质

空间结构的解析，生生命科学的研就，人类基因组序列草图绘制完成后，生命科学研究跨入了后基因组时代。然而，人们清醒地识到基因仅是遗传信息的载体，而生命活动的执行者是基因的表达产物—蛋白质，它是生命现象复杂性和多变性的直接体现者。

蛋白质组一词是澳大利亚学者马克威尔金斯在1994年最先提出来的，它是指基因组表达的所有相应的蛋白质，也可以说是指细胞或组织或机体全部蛋白质的存在及其活动方式。蛋白质组学是从整体的蛋白质水平上,在一个更加深入、更加贴近生命本质的层次上去探讨和发现生命活动的规律和重要生理、病理现象的本质等。蛋白质组学的研究对揭示生命活动规律，探讨重大疾病机制，疾病诊断和防治、新药的开发提供重要的理论基础。

生物信息学在蛋白质组学中的蛋白质数据库的应用

2.1蛋白质组数据库

蛋白质组数据库是蛋白质组学研究的主要内容之一。通过构建不同环境条件下组织或细胞全部蛋白质的数据库来研究蛋白质表达的差异情况。与其他数据库相比, 目前大部分蛋白质组数据库都有以下几个方面的特点:（1）由于蛋白质相关数据的种类繁多,蛋白质组数据库的种类也多种多样,如双向电泳数据库、基于蛋白序列的数据库、蛋白质一级或高级结构数据库、蛋白质相互作用数据库等等;（2）新速度快,网络上的蛋白质组数据库的数据几乎每天都在更新;（3）网共享程度高, 越来越多的数据库资源与互联网相互配合,使得蛋白质相关数据的利用率空前的提高。蛋白质组数据库的主要内容即集中在基于双向电泳结果的数据库和基于蛋白质序列信息的数据库。

2.1.1基于双向电泳图谱的数据库

双向电泳技术是蛋白质组学研究中最重要的实验技术之一，所以基于双向电泳图片的数据库也成了蛋白质组学研究中主要内容。

2.1.2 基于蛋白质序列信息的数据库

基于蛋白质序列信息的数据库是生物信息学数据库中最基本的数据库，这些数据库以氨基酸残基顺序为基本内容，并附有注释信息（计算机的序列分析结果和生物学家查阅文献的结果）。基于蛋白质序列的数据库很多，主要有蛋白质信息资源数据库（PIR）、SWISS3D和 TrEMBL等等。

2.1.3 其他蛋白质组数据库

蛋白质生物信息学包含很多方面的内容：如蛋白质大分子的结构、相互作用等等，所以，除了上述的一些数据库之外，还有很多关于构象、相互作用等方面的数据库，是基于质谱应用的数据库，属于混合数据库。将生物信息学的实验思路引入蛋白质组学的实验方案后，实验人员可以通过互联网上的信息设计实验方

案，避免了很多重复性的劳动，少走很多弯路，为蛋白质组学的发展提供了可靠的信息资源。值得一提的是，上文提到的大多数数据库都能实现数据接收、在线查询和空间结构的可是化浏览等多种功能。而且，几乎所有这些数据库都是免费的，都可以免费下载或提供免费服务，使得蛋白质组学可以在生物信息学的辅助之下快速发展。

2.2生物信息学与蛋白质分析

在蛋白质组分析过程中，生物信息学的作用不仅仅体现在数据库的查阅和资料的整合中，生物信息学软件在蛋白质组研究领域的作用根式至关重要的。蛋白质分析软件应用主要集中在结合蛋白质组研究中的分离技术和坚定技术识别蛋白质（如2-DE）图像分析、Edman降解的序列组合、质谱数据的综合分析等），对有价值的未知蛋白质进行分析和预测（包括序列分析、结构预测、结构域、电点等性质的检测等）、针对蛋白质的分析预测方法应用的工具有4个方面。

2.2.1 蛋白质一级结构分析

根据20中氨基酸的理化性质可以分析电泳等实验中的未知蛋白质，同样也可以分析已知蛋白质的物化性质。设计PROPSEARCH的目的是为了通过排比方法查询一个新的蛋白质序列失败时,查找公认的蛋白质家族而设计的。PROPSEARCH可以通过氨基酸组分来查询,同时也可以通过其他的特性来进行查询,如从序列中计算所得的分子量、挑选的二肽组分的含量等。

2.2.2 蛋白质的物理性质预测

从蛋白质序列出发，预测蛋白质的许多物理性质，包括等电点、分子量、酶切特性、疏水性、电荷分布等。

2.2.3蛋白质二级结构预测

二级结构是指α螺旋和β折叠等规则的蛋白质局部结构元件。蛋白质的二级结构预测的基本依据是每一段相邻的氨基酸残基具有形成一定二级结构的倾向。因此,进行二级结构预测需要通过统计和分析发现这些倾向或者规律。蛋白质二级结构预测的方法有3种。一是由已知结构统计各种氨基酸残基形成二级结构 的构象趋势,其中最常用的是Chou和Fasman 法;二是基于氨基酸的物理化学性质,包括堆积性、疏水性、电荷性、氢键形成能力等;三是通过序列比对,由已知三维结构的同源蛋白推断未知蛋白的二级结构。各种方法预测的准确率随蛋白质类型的不同而变化。一般对于α螺旋预测精度较好,对β折叠差些,而对除α螺旋和β折叠等之外的无规则二级结构则效果很差。

2.2.4蛋白质的三维结构

蛋白质三维结构是预测时最复杂和最困难的预测技术。序列差异较大的蛋白质序列也可能折叠成类似的三维构象。由于蛋白质的折叠过程并不十分清晰,从理论上解决蛋白质折叠的问题还有待进一步的科学发展,但也有了一些有一定作

用的三维结构预测方法。即与已知结构的序列比较,同源模建,threading算法和 折叠识别方法。常见的预测算法有:SWISS-MODEL(自动蛋白质同源模建服务器)、CPHmodels等。

2.3 生物信息学与蛋白质功能

生物信息学发展到今天不仅可以对蛋白质组数据进行分析和预测，而且可以对已知或者未知的基因产物进行功能上全面的分析和预测。

生物信息学最常用的分析方法是模式识别。主要是利用存在于蛋白质序列结构中的某些特殊的特征模体来识别相关蛋白质性质。换而言之，就是从新的蛋白序列中发现标志性的序列或者结构，以此建立模式，然后在已经建立好的已知蛋白质数据库中，搜集于此相似的模式，来确定未知蛋白质的归属，从而预测它的功能。许多基因是在特定时期和条件下被激活，才能表达出来，在正常人工模拟的环境下根本无法表达。类似于这样的恩未知蛋白质也需要通过生物信息学的方法计算分析预测，以获得它的功能信息。

生物信息学的发展将给生命科学研究带来革命性的变革，将帮助人类认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质，揭示人体生理和病理过程的分子基础，为人类疾病的预测、诊断、预防和治疗提供合理和有效的方法或途径，同时还将对医药、卫生、食品、农业等产业产生巨大的推动作用，甚至可能引发新的产业革命。21世纪是生命科学的时代，生物信息学为生命科学的发展提供了便利和强有利的技术支持，推动着生命科学的迅速发展。

浅谈生物信息学在生物学研究中的应用 篇2

随着重组DNA 技术和计算机科学的发展,基因组研究开始兴起,特别是人类基因组计划的实施,在基因组与蛋白质组序列的测定、蛋白质结构及功能的预测等方面的研究中,科学家们获得了大量的分子生物学原始数据,综合利用数学、物理、计算机等学科分析处理这些数据,即产生了生物信息学[1,2,3]。目前生物信息学正在生物技术、生物医学、农业、食品、环境、能源等[4]众多领域发挥着巨大的影响力。

昆虫几丁质酶属于18家族糖苷水解酶,参与昆虫蜕皮、围食膜降解和防御等重要生命活动[5,6],在昆虫的生长发育过程中起着很重要的作用。因此可通过阻断几丁质酶,影响昆虫蜕皮和围食膜再生,从而达到消灭害虫的目的[7,8]。利用生物信息学的相关工具可以更好地了解昆虫几丁质酶的特性,目前生物信息学已应用于昆虫几丁质酶基因序列测序、基因的电子克隆、预测新基因、预测蛋白质的二、三级结构、构建分子进化树等方面,并为人们更好地了解昆虫几丁质酶的理化性质、酶学性质及体外表达提供有力的帮助。

1 昆虫几丁质酶

几丁质是N-乙酰-D-氨基葡萄糖通过β-1,4糖苷键聚合而成的的同聚物,是昆虫的外骨骼和围食膜的基本组成成分[9,10]。昆虫几丁质酶是一种18家族内切酶[11],能够水解几丁质,其水解产物为低分子量的N-乙酰-D-氨基葡萄糖或寡聚物[12,13]。目前利用分子生物学和生物信息学工具已经得到多种类型的昆虫几丁质酶,它们在分子量大小、空间结构、化学性质和酶学性质等方面存在较大的差异,并在昆虫不同组织、不同时期的表达量各不相同,对昆虫生长发育过程中几丁质的代谢起着重要的作用。随着昆虫几丁质酶研究的不断深入,人们把昆虫几丁质酶分为不同的类型并对不同类型的昆虫几丁质酶的功能进行了探究。

1.1 昆虫几丁质酶的类型及分类

昆虫几丁质酶及类似蛋白由多种基因编码而成。之前的研究结果表明在昆虫体内可能只存在单一的几丁质酶基因,但是随着家蚕后续实验的研究表明昆虫体内存在多种几丁质酶[14]。随着一些昆虫基因组序列的完成,更多种类的几丁质酶基因在一些昆虫种类中得到认同[15,16,17,18,19,20]。例如:果蝇、赤拟谷盗和冈比亚按蚊基因数据库的16、16和13几丁质酶和几丁质酶类似基因已经得到识别[21]。随着人们对昆虫几丁质酶及类似蛋白的进一步认识,Zhu QS等人利用生物信息学手段对氨基酸序列进行相似性对比将昆虫几丁质酶和几丁质酶类似蛋白分为5类。最近几年Yasuyki Arakane[22]等通过对昆虫几丁质酶及类似蛋白结构域进行系统进化分析将其归为8类,RNA干扰表明不同类型的昆虫几丁质酶在昆虫生长发育的过程中起着至关重要的作用。

1.2 昆虫几丁质酶的结构域及功能

八类昆虫几丁质酶和类似蛋白在分子量上有很大的差异,但是在氨基酸序列上有很高的相似性,各类型的结构和功能各不相同。

Ⅰ型昆虫几丁质酶是最具特征的几丁质酶,对于其的研究也相当深入。Ⅰ型几丁质酶基因在昆虫表皮中表达量最大,其蛋白质结构包含一个信号肽,一个催化区,一个富含苏氨酸、丝氨酸的连接区和一个C-端富含6个半胱氨酸的几丁质结合区。RNA干扰技术研究表明这种几丁质酶在消化旧的蛹表皮的过程中起到关键性的作用。

Ⅱ型几丁质酶氨基酸序列都很大,一般含有2 700个氨基酸,有的甚至可达到3 000个氨基酸以上[23],其氨基酸包括4～5个催化区,4～7个CBD区很好地分配在催化区之间。所有物种研究表明除了双翅目外都有5个催化区和5个CBD区外,双翅目只有4个催化区和4个CBD区。这类几丁质酶在昆虫的各个生命阶段十分重要,沉默后导致昆虫蜕皮困难,由于Ⅱ型几丁质酶分子量较大,目前对于其体外表达研究鲜有报道。

Ⅲ型几丁质酶包含2个催化区和1个CBD区,按催化区1-催化区2-CBD区排列。同样的蛋白质中催化区1比催化区2具更高的序列相似性,这说明这两个催化区有不同的功能或者进化起源。这组昆虫几丁质酶不同于其他昆虫几丁质酶,在N端含有一个预测的跨膜结构。这类蛋白可能与昆虫蛹化后腹部的收缩和翅膀的伸展有关。

Ⅳ型昆虫几丁质酶组成最大也是最为不同的一类,它包括在肠道和脂肪体内表达的一部分几丁质酶。这类昆虫几丁质酶有一个信号肽和单一的催化区,大多数缺少CBD区。对欧洲玉米螟的Ⅳ型几丁质酶RNA干扰实验首次表明,属于Ⅳ型几丁质酶的OnCht对于调节围食膜的几丁质含量起到重要的作用[24]。

Ⅴ型几丁质酶类似蛋白包括成虫盘生长因子(IDGFs),与几丁质酶催化区具有序列相似性。Ⅴ型昆虫几丁质酶类似蛋白有一个信号肽和一个催化区同时相对保守无CBD区,缺乏几丁质酶活性,在调控细胞增殖和重构昆虫和哺乳动物细胞中起到重要作用。

Ⅵ型几丁质酶比Ⅰ型几丁质酶大,但是结构域相似,都具有一个信号肽,一个N-端催化区和一个CBD区。然而在C-端有一个含有1 000～2 500氨基酸组成的很大的无规则的卷曲,这段卷曲含有25%～30%的丝氨酸/苏氨酸残基。这部分蛋白被推测是高度糖基化同时可能起到保护与其结构相仿几丁质酶不被蛋白酶降解的作用。

Ⅶ型几丁质酶与Ⅳ型几丁质酶具有相似的结构域相似性,包含一个信号肽、单一的催化区同时没有CBD区。系统发育分析表明该组与Ⅱ型几丁质酶较相近,其功能有待进一步研究。

Ⅷ型几丁质酶有一个催化区无CBD区,同时N-端的信号肽区被跨膜区取代,表明Ⅷ型蛋白是膜相关蛋白,目前对于Ⅷ型几丁质酶的功能也有待进一步研究。

2 生物信息学在昆虫几丁质酶中的应用

生物信息学是一门新兴的交叉学科,可以快速从海量数据库中挖掘出有价值的生物信息。近年来,生物信息学在发现新型昆虫几丁质酶基因、结构及功能预测等方面起着非常重要的作用。

2.1 新型昆虫几丁质酶基因的发现

生物信息学是昆虫几丁质酶基因组研究的基础,在不同种类昆虫新型几丁质酶基因的发现方面起到了很重要的作用。

昆虫体内存在一种还是多种几丁质酶基因在很长一段时间都存在争议,随着一些昆虫基因组序列测序的完成,利用生物学信息工具发现了一些新型的几丁质酶及类似基因。如:Qingsong Zhu[25]等利用5种不同的昆虫几丁质酶作为探针序列,利用BLASTP软件在果蝇的基因组中检索到18种几丁质酶及类似蛋白序列,并对其进行结构分析和系统发育分析表明18种几丁质酶及类似蛋白具有不同的结构和进化关系。

另外,属于Ⅰ型几丁质酶的昆虫几丁质酶存在于昆虫的蜕皮液和体壁中,通常由单一的几丁质酶基因编码而成。Qingsong Zhu[26]等利用信息生物学进行分析,鉴别出一种AgCht5类似基因,并这种基因的每一个编码区在冈比亚按蚊的EST序列数据库中进行检索,利用生物信息学软件设计相应的引物,分别克隆出5种不同的Cht5基因,随后又在其他两种不同的蚊子物种中分别检索出4种和3种不同的Ⅰ型几丁质酶类似基因,这些新型基因的发现对疟蚊的防治提供了很大的帮助。

这些新型几丁质酶及类似蛋白基因的发现,使人们了解到在昆虫的生长发育过程中昆虫不仅仅表达一种昆虫几丁质酶,同时为昆虫的几丁质降解机制提供理论基础,从而促进人们对昆虫几丁质代谢机制的深入了解。

2.2 结构分析

蛋白质的生物学功能与其空间结构有着密切的关系,因此对蛋白质的结构预测对研究未知蛋白质的生物学功能有着重要的意义。由于人们对蛋白质结构认识有限,实验测定蛋白质结构的过程又十分缓慢复杂,目前只得到少量的18家族几丁质酶或者几丁质酶类似蛋白的晶体结构[27]。大量的蛋白质结构信息不能及时通过实验方法获得,使人们很难进一步了解蛋白的生理学功能,因此生物信息学可在昆虫几丁质酶结构预测方面起重要的作用。

利用SWISS-MODEL 程序对赤拟谷盗Ⅰ型几丁质酶TcCht5催化区和V 型几丁质酶类似蛋白成虫盘生长因子TcIDGF2进行同源建模,结果表明TcIDGF2具有18家族几丁质酶特有的(αβ)8型TIM结构,然而与18家族hevamine相比,分别在β-4折叠和α-4螺旋,β-7折叠和α-7螺旋之间有一个显著的卷曲。β-4折叠和α-4螺旋之间的卷曲在V 型几丁质酶类似蛋白中高度保守可能与其功能有关,位于β-7折叠和α-7螺旋之间的卷曲在不同种类昆虫和成虫盘生长因子内各不相同[21]。

另外,利用生物信息学软件还可对昆虫几丁质酶及类似蛋白的结构域进行分析。一直以来学者们都认为昆虫几丁质酶只有分泌到细胞外才可完成降解几丁质的功能,Qingsong Zhu等[28]通过TMHMM软件分析在赤拟谷盗、冈比亚按蚊的基因组中找到了一种含有跨膜区的几丁质酶基因,将其重组到杆状病毒上后,在昆虫细胞HI-5中进行了表达,结果发现这种含跨膜区的蛋白并没有在培养基中检测到,而是在细胞破碎液中存在,这一结论深入了对几丁质降解机制的认识。

2.3 昆虫几丁质酶的后基因组时代

在昆虫的整个生命周期中往往不只表达一种几丁质酶,家蚕几丁质酶的研究证实了这一点[14]。随着一些昆虫基因组计划的完成,在生物信息学手段的帮助下,使得人们可以在昆虫基因组上找到所有编码几丁质酶和类似蛋白的基因的碱基序列,对几丁质降解机制的认识不再停留在单个基因作用的水平上,而是上升到系统作用水平。Qingsong Zhu[29]等设计特异性引物对赤拟谷盗各个生长时期,进行RT-PCR得到了不同种类的昆虫几丁质酶基因和类似基因,这一研究充分证明了几丁质酶和几丁质酶类似蛋白在昆虫不同的生长时期和不同的组织中进行不同的表达,随后又通过RNA干扰实验表明这些基因在功能、表达时期、表达组织上存在较大差异,如Ⅱ型几丁质酶是20种几丁质酶中分子量最大、功能域最多的一种,它在任何时期的表达沉默都将导致昆虫的生长受到抑制。各种类型昆虫几丁质酶基因都有着独特的不可替代的作用,这些几丁质酶协同作用才使得昆虫能在生长发育过程中使几丁质代谢水平保持平衡。

3 问题和措施

越来越多的昆虫基因组测序的完成和生物信息学的不断发展促使人们对昆虫几丁质酶的认识不断深入,但是对于昆虫几丁质酶的研究仍然存在一些问题。

3.1 昆虫几丁质酶的分类问题

随着人们对昆虫几丁质酶研究的不断深入,不同昆虫体内存在多种昆虫几丁质酶及类似蛋白已经得到证实,昆虫几丁质酶及类似蛋白的分类标准有待进一步统一完善。目前人们对于这个问题的解决主要通过利用生物信息学工具对不同种类的昆虫几丁质酶进行比对和系统进化分析进而将其划分为不同的类型,但由于不同生物信息学软件标准不同致使分析结果存在一定的差异。现阶段对于昆虫几丁质酶的研究很有必要划分出统一标准。

3.2 几丁质酶的作用机制有待深入研究

几丁质酶是昆虫体内重要的18家族水解酶类,参与昆虫的破卵、蜕皮、翅展、侵染、化蛹等多个生理活动,但是对于其具体作用机制仍不明了,不同类型之间的相互作用、与其它生物分子的协作关系都还尚不明确,这极大限制了其在害虫防治上的应用。随着生物信息学的不断发展,结合核磁共振、生物芯片、RNA干扰、蛋白质质谱分析等技术,有助于我们深入认识昆虫几丁质酶的表达、调控、功能及其相互间的作用机理。目前实验研究方法比较缓慢,应该完善有关昆虫几丁质酶蛋白相互作用数据库,使人们更简单方便地了解到蛋白质间的相互作用,进一步了解几丁质酶调节几丁质的代谢机制。同时为不同物种昆虫的蛋白质相互作用研究提供参考,从而有助于人们更好的进行病虫害生物防治。

3.3 几丁质酶的未知功能的确定

近几年来,利用生物信息学工具把昆虫几丁质酶和几丁质酶类似蛋白划分为不同的类型。由于人们不能完全分离出昆虫各个组织中的几丁质酶致使对于每种昆虫几丁质酶功能检测出现了一定难度。随着生物技术的不断发展,科学家们利用RNA干扰技术解决了这一难题并了解到一部分几丁质酶在昆虫生长发育阶段的功能。目前人们对属于不同种类几丁质酶的特性比较方面有了一些了解,但是一些类型的几丁质酶类似蛋白的功能尚不清楚,这就需要我们尽快完善昆虫几丁质酶蛋白功能预测数据库,对于不同物种昆虫的几丁质酶功能研究提供帮助。另外,中科院遗传与发育生物学研究所朱祯[30]课题组在近期的研究中发现在不含有几丁质的高等植物水稻中,几丁质酶参与了水稻纤维素的合成,这一结论启示我们昆虫几丁质酶家族也可能参与除几丁质代谢之外的其他生理活动。

4 展望

浅谈生物信息学在生物学研究中的应用 篇3

【关键词】“学案”导学;高中生物教学;实验设计;案例;调查分析

“学案”导学的重点在于“学与导”，是教师针对课时课标为课堂知识进行总结、导入知识、传授知识的教学过程，所以该模式具有极强的传递性与针对性。不同于传统教案，“学案”导学更注重“学什么？”和“怎么学”，它以导向性方式来引导学生不断丰富积累知识，它相比于传统教案多出了教育过程框架整合与把控的过程，其内涵更加丰富。

一、高中生物“学案”导学教学模式的实验操作流程

（一）设计实验概述

基于“学案”导学教学模式的高中生物一般会以分组实验法展开教学过程。假设以生物成绩接近的两个班级展开实验，对两班级内学生进行生物考试评价，确定他们的考试成绩是否接近。如果成绩接近，则要用到“学案”导学模式对他们进行分批实验，分别记录两个班级中学生的不同听课状态与课后知识反映状况，最终进行调查给出分析结果，明确“学案”导学对于高中生学习生物所产生的正负面效应。

（二）“学案”导学实验教学过程展开

（1）基本流程。由于“学案”导学具有极强的灵活性与开放性，所以它的学案设计更加灵活，当教师了解到学生的兴趣爱好后，就可以基于目标设定来给出具体学习任务，最后对实验学生对象实施调查以确定教学结果，寻求与学生教与学过程达成共识。

按照教材的基础课标规定，教材的任务方向是应该提前确定的，教师也可以参照多种不同教材课标来实现教学任务方向制定，总结归纳教学内容，对其中的重难点进行针对性提出，并适当添加创新元素。

（2）展开要点。在“学案”导学中应该加入适当的创新元素，同时也要注重基础元素普及。例如对知识、情感态度与价值观的传导，按照教学大纲来引用通俗易懂解释以便于快速增进学生适应新教学模式的能力，吸收更多教学内容等等。在编写内容方面，一定要注重学案编写的灵活性，要实现内容可控制，主要以完整的教学任务作为一个学案，并设定其中包含1～2个课时为基准，其编写内容就主要包括了学习目标、课前预习过程、课堂导学过程、小结以及课后作业布置。

二、高中生物“学案”导学教学案例分析

在开展“学案”导学教学过程前应该明确一点，该教学模式主要针对新开课程与复习课程设定，它的设计主要目的是针对课程类型及教学目标需求而展开并完成。虽然说不同科目、不同课程内容所涉及的“学案”导学设计结构不同，但它们的整体思路与学习方法基本相同。以高中生物教学为例，通过抓住内容重难点，明确“学案”导学教学程序，给出《生命活动的主要承担者—蛋白质》这一课的教学案例过程分析。

（一）课前预习

在课前预习中，教师会将提前做好的学案分发给学生，并为他们布置课前预习任务。在学生方面则主要要完成教师所布置的任务，填写学案中的相关内容，划出自己所认为的课程知识难点与重点。

（二）课堂引导

课堂引导主要分为5步：

第一步，理论教学，教师提出食物链金字塔相关理论问题，引导学生基于预习内容初步深入蛋白质单元内容展开学习活动，学生则拿出预习“学案”来对应明确教师所讲授的理论内容。

第二步，教师给出氨基酸结构分子式示例展示给学生，引导学生思考和观察它分子式的相关特点及类型。

第三步，教师引导学生归纳总结有关氨基酸分子结构式的相关特点类型。

第四步，教师将知识章节内容引出，指导学生或分组、或集体讨论，完成学案中所涉及的教学内容，并进入课后知识复习汇总。此时为学生提供自由讨论时间，指导他们分析有关蛋白质的练习题问题，并寻求解决途径。

第五步，引导学生学习蛋白质的功能及相关内容，让学生发表自己的学习意见。

三、高中生物“学案”导学教学模式课后调查及结果分析

为了进一步明确高中生物“学案”导学教学效果，对实验教学班进行课后调查，发放学生问卷100份，回收100份，回收有效率100%，调查学生之于该教学模式的主观评价。

根据调查结果显示，学生对学案导学的教学模式相对来说比较适应，且通过“学案”导学获得生物知识及学习能力提升的学生占到绝大多数。其中有73.5%的学生非常喜欢这种教学模式，他们基本适应了生物教学通过“学案”导学开展;有50%的学生养成了课前预习的习惯，他们表示“学案”导学提升了他们对于生物课前预习的学习兴趣，特别是帮助促进了他们在课上的听课质量;但也有28.4%的学生认为这种教学模式对他们的学习主动性提升不大，这说明“学案”导学在引导学生学习实践方面还有加强上升空间。

四、总结

根据上述分析可以见得，“学案”导学在我国中学教学过程中是具有很强操作性的，尤其是对生物这种重视实践的教学科目来说，它的自由性、人性化更能提高学生的参与度，让学生在轻松氛围中就能学到知识，是值得深入研究和广泛推广的优秀教学模式。

参考文献：

信息技术在生物教学中的应用 篇4

计算机现代化的教学手段以其形、光、声和色等多种功能作用于学生的多个感官,不仅能吸引学生的注意力,激发学生的学习兴趣,更能激发学生的求知欲,极大地调动他们的学习热情,使其积极主动地投入到学习之中,呈现最佳的学习状态。如讲“DNA结构和复制”一节,我采取声像点睛的方式,首先让同学们看一段课外阅读,思考什么是遗传物质,DNA为什么能控制性状的遗传,引导学生去探索DNA结构与功能的关系。然后打开显示器,就可出现DNA的基本组成单位及代表各种化学分子的图形……在复制过程中,首先出现一个旋转的DNA空间结构,有一个动态的自动解旋、碱基的配对和形成两条DNA分子的过程,这是在其他教学手段中所不能比拟的。在演示DNA分子复制的同时,还可进行强化训练,也可自学练习。如碱基配对有一定的规律:这就是A(腺嘌呤)一定与T(胸腺嘧啶)配对,G(鸟嘌呤)一定与C(胞嘧啶)配对。在计算机的显示器上如碱基配对不符,会发出“嘟嘟”的响声。(我用它的谐音“不不”)这就对学生出现了声刺激,如果对了会发出清脆悦耳的音乐声。学了这节课后,同学们记忆深刻,课后练习时正确率达到90%。对计算机辅助教学具有极大的兴趣。突出生物教学的直观性,并且能使微观世界宏观化

直观性原则是教学中一个重要原则。利用现代化教学手段能够真实、生动、形象地展示生物的各种生理活动,显示生物的宏观世界和微观世界,把抽象的内容形象化,如讲葫芦藓的生殖特点。葫芦藓个体小,生殖过程必须借助于水的条件才能完成。采用现代化的教学手段,显示器上首先出现葫芦藓的完整植株,再把各个部分用分解的形式描述:其蒴帽和蒴盖脱落后,由孢蒴中放散出大量的孢子,孢子萌发形成原丝体、长出假根和芽体,由芽发育成葫芦藓植株(配子体)。配子体中的精子器和颈卵器放大,精子器中产生精子,借助水游到颈卵器中与卵细胞融合,完成受精过程。受精卵在颈卵器中进一步发育成胚,长出长柄……。整个的显示过程形象逼真,给同学以直观的感受,使不易理解的教学难点轻松自如地解决。通过计算机软件的显示,90%的同学都能自己概括出葫芦藓的生殖过程。能化难为易、化繁为简、化抽象为具体

生理学科的特点是细微、动态、抽象。如人体的细胞、血液的流动和尿的生成等。这些均是教 1 学中的难点、重点,但又看不见、摸不着,理解起来有一定的困难。比如,讲血液循环时,过去我用“讲述 版画”的形式讲授,以语言讲述为主,板画为辅,虽然也能强调重点,但缺点是既不真实,也缺乏动感。如果应用计算机软件来显示这一生理过程,既能真实、艺术地再现心脏的结构和血液流动的动态过程,化静为动,化抽象为形象,增强了学生的感性认识,使枯燥乏味的生命运动现象变得新颖有趣。在显示之前可设思考题,让同学带着问题去看。如心室收缩时,心房处于什么状态?血液为什么没有流回心房?心房收缩时心室处于什么状态?另外,教师可先出示模型,使同学对心脏的形态、大小,各部分结构有一个大致的了解。打开显示器,首先出现的是心脏剖面图。用光点把4个腔进行强化,接着就是瓣膜的强化。血管与4个腔相连,分别用红光和蓝光强化,然后就是心脏搏动和血流方向,说明心脏是动力器官,使同学进一步懂得心脏的重要性,为下节讲体育锻练对心脏的影响奠定基础。另外在显示过程中,可以根据时间放慢速度,边讲边显示。这样学生在形象化、趣味化的接受知识过程中,又得到教师适时、适度的强化,使这一难于理解的知识变得易于接受。以后测验这一内容时,85%的同学都能用绘图的方式画出血流的方向,绝大部分同学都能准确掌握这部分内容。能提高一节课的知识含量

计算机软件运用了视、听并用的记忆效果,在帮助学生认识与记忆学习材料方面起到积极作用,从而大大提高了教学效果。“葫芦藓的生殖和蕨类植物的生殖”这一节,过去用一节课时间特别紧张甚至还需延长时间,现在通过运用软件教学,大大缩短学生对重点、难点的学习理解过程,仅用半节课就完成了。目前计算机主要通过屏幕显示提供视觉刺激,通过声音提供听觉刺激,所显示的图象是平面的。将来立体电视技术的应用将可使学生见到立体图象;香味电视技术则可以使学生嗅到不同的气味。生物教学采用现代化的教学手段,优化我们的教学结构,使我们的生物教学充满生机与活力,将为培养我们的生物科技人才做出更大贡献。--

信息技术的飞速发展，不仅深刻地影响着人类的生活方式和工作方式，而且深刻地改变着人类的教育方式、学习方式乃至思维方式。如何将信息技术与各学科课程教学进行整合，达到全面提高各学科课程的教学质量，培养学生的创新精神和创新能力，以适应21世纪对人才的要求，是近年来国内外广大教育工作者所关注的热点问题。

生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学。它是农业、医学、林学、环境等生物学科的基础；社会的发展，人类文明的进步，个人生活质量的提高，都要靠生物学的发展和应用。生物教学注重于宏观和微观两个方面，强调实验能力和科学素质的培养。而多媒体可以化静为动，化虚 为实，化抽象为直观；能够拓宽课本知识体系，拓宽教学的时间和空间，拓宽和加深课堂学习的内涵和外延。因而，随着素质教育的深入开展，多媒体技术在中学教学尤其是生物学科的教学中越来越体现出其优越性。

1、能更好地激发学生学习生物学的兴趣

中学生正处于一个求知欲强，接受新鲜事物快的年龄时期，而多媒体具有的声、光、电的综合刺激，能够激发学生的积极性，引起学生的注意。中学生的空间想象力还不够，加上生物的部分比化学相关的内容早接触，给教学和学生的学习也带来了麻烦。根据生物学科的这些特点，运用直观教学是帮助学生理解教学内容，提高教学质量必不可少的途径之一。

在生物课堂，让学生接触尽量多的生物资料，有助于提高学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面。例如在学习义务教育课程标准实验教科书《生物学》七年级上册《生物的特征》的多媒体课件教学中，生物体的六个基本特征是一个重点，我为了讲清楚这一部分内容，就从网上收集了大量的图片、电影资料，展现给学生，使学生一目了然。如果是按照原来的教学的方式：教师讲，学生学。那么学生理解起来很难，利用多媒体，在网络环境下，收集的大量图片、电影资料只需要使用超级链接，通过网络将这些资料从教学资料中学传输过来，一一展现在学生面前就可以使学生从不同侧面接触教学内容，达到教学要求的同时，拓宽了知识面，取得了良好的教学效果，并且，降低了我们教师的备课强度，可以起到事半功倍的效果。而且，在以后的教学中，一旦需要同样的素材，仍可以通过网络从教学资料中心获取。突出生物教学的直观性,并且能使微观世界宏观化

例如在学习义务教育课程标准实验教科书《生物学》七年级上册《植株的生长》这一节时，我就制作了这样一个课件：在多媒体计算机上尝试“种”一株“植物”。学生可以根据自己的想法用鼠标点取不同的“肥料”加在“植物”上，得到计算机显示的各种表现的“植株”。在这个过程中，学生通过阅读教科书和教师的指导，终于“种”出了一株“健壮的植物”，就这样，在游戏中，层次不同的学生都能够带着极大的兴趣去探索，并且还能得出植株的生长需要多种无机盐，一旦缺乏某种无机盐，植株就不能正常生长，出现响应的症状。这样学生就可以掌握更多的知识。又如：在学习《开花和结果》这一节时，我发现学生不容易掌握花的各个部位（如雄蕊、雌蕊、花瓣、萼片等）的相对位置。这时，我做了一个课件给学生完成这样一个练习： 提供一些散乱摆放的花的部分，学生用鼠标点击，拖动各个部件到屏幕上一确定位置，位置正确则连接，同时给予表扬，错误则返回原处，并给予提示。经过多次尝试，学生能够轻松地掌握花的结构的知识。3 能化难为易、化繁为简、化抽象为具体

生物学是一门以实验为基础的学科，实验可以培养学生的动手能力和观察能力，也是培养学生创新思维和创新能力的主要阵地。实验本身一般是不适宜选用多媒体来替代的。一些在课堂上无法完成的演示实验或现象，以及在现有的条件下无法完成的一些经典实验，则可以通过电脑模拟来实现，帮助解决问题。比如,讲血液循环时,过去我用“讲述+板式画”的形式讲授,以语言讲述为主,板画为辅,虽然也能强调重点,但缺点是既不真实,也缺乏动感。如果应用计算机软件来显示这一生理过程,既能真实、艺术地再现心脏的结构和血液流动的动态过程,化静为动,化抽象为形象,增强了学生的感性认识,使枯燥乏味的生命运动现象变得新颖有趣。在显示之前可设思考题,让同学带着问题去看。如心室收缩时,心房处于什么状态?血液为什么没有流回心房?心房收缩时心室处于什么状态?另外,教师可先出示模型,使同学对心脏的形态、大小,各部分结构有一个大致的了解。打开显示器,首先出现的是心脏剖面图。用光点把4个腔进行强化,接着就是瓣膜的强化。血管与4个腔相连,分别用红光和蓝光强化,然后就是心脏搏动和血流方向,说明心脏是动力器官,使同学进一步懂得心脏的重要性,为下节讲奠定基础。另外在显示过程中,可以根据时间放慢速度,边讲边显示。这样学生在形象化、趣味化的接受知识过程中,又得到教师适时、适度的强化,使这一难于理解的知识变得易于接受。以后测验这一内容时,85%的同学都能用绘图的方式画出血流的方向,绝大部分同学都能准确掌握这部分内容。4 能提高一节课的知识含量

计算机软件运用了视、听并用的记忆效果,在帮助学生认识与记忆学习材料方面起到积极作用,从而大大提高了教学效果。“葫芦藓的生殖和蕨类植物的生殖”这一节,过去用一节课时间特别紧张甚至还需延长时间,现在通过运用软件教学,大大缩短学生对重点、难点的学习理解过程,仅用半节课就完成了。生物教学采用现代化的教学手段,优化我们的教学结构,使我们的生物教学充满生机与活力,将为培养我们的生物科技人才做出更大贡献。

5、能加强学生之间的合作与交流 实践证明，课堂讲授与适当组织讨论相结合，可以加深学生对生物知识的理解与辨识，而且可以使他们在这种讨论中，更好地认识自我，促进其开拓思维的形成与发展。多媒体技术的发展，为更有效地组织讨论提供了便利条件。例如，有一次讲到转基因食品是否可以大力推广时，同学们发生了争执，我就让学生自己上网寻找答案。如果你认为可以，你找到哪些理由，如果你认为不可以，你的原因是什么。最后我就将有代表性的一些看法转换到大屏幕上进行交流。这样的讨论,充分地调动了每一个学生的积极性,让每一位同学都能够充分发表自己的看法。通过教师利用多媒体课件点拨、开导，可以使学生获得更多的东西，而这正多媒体技术与生物学科教学的整合的教育价值所在。

6、可以提高复习质量

生物的许多内容都是需要反复理解和记忆的，学生可以通过终端与网络中心连接，将课堂上讲解的多媒体课件再次从教学资料中心的服务器读取，对不理解的环节可以反复观看，并且可以观看其他教师的教学内容，这不仅大幅度降低了教师的工作强度，而且极大地提高了学生的学习兴趣。

浅谈比喻在生物学教学中的应用 篇5

谭邦应

（湖北省秭归县职教中心

443600）

著名教育家夸美纽斯曾说：“兴趣是创造一个欢乐和光明的教学环境的主要途径之一”。当学生对学习产生兴趣时，学习起来就会积极主动、精力充沛、信心百倍。高中生物学教材中有很多概念性的知识表述往往比较抽象枯燥，显得深奥难懂，如果在教学中引用一些恰当的比喻，就可以使这些知识变得形象生动、通俗易懂，从而大大提高学生的学习兴趣。下面举几个例子间要说明比喻在生物学教学中的应用。

1用储蓄存款比喻人体内的能源物质

人体内的能源物质有ATP、葡萄糖、肝糖元、脂肪等，它们为机体供能时有先后顺序并且高协调。可以这样比喻：

ATP——零花钱。其特点是数目不多，但可以随时利用存折向银行支取。葡萄糖——活期存折。当机体内ATP含量下降，可立即由葡萄糖分解补充。

肝糖元、脂肪——定期存折。如机体内能量过多，会合成糖元和脂肪等大分子物质储存起来。肝糖元则属于定期较短的存折，脂肪相当于定期较长的那种，在饥荒年月（如动物冬眠）就可排上大用场了。2 噬菌体侵染细菌的程好比是医生在给病人注射

在教学中发现学生对噬菌体侵染细菌的过程容易误认为是整个噬菌体都侵入了，通过以下比喻可以让学生一次性记住。

蛋白质外壳——注射器，医生给病人注射时，注射器自然是留在外面的。注射液——DNA，噬菌体侵染细菌以后，只有DNA进入到细菌内部去了。蛋白质的合成过程可以比喻为人们织毛衣

氨基酸——毛绒，毛绒是构成毛线的基本单位，氨基酸则是构成蛋白质基本单位。

多肽链——毛线，把氨基酸脱水缩合成多肽链比作是用毛绒纺成毛线。蛋白质——毛衣，由多肽链折叠盘旋而成蛋白质就好象是用毛线编织成的毛衣，有它独特的空间结构。DNA的空间结构很象是一架螺旋状的梯子

多核苷酸链——扶手，由脱氧核糖和磷酸交替连接而成，一共有两条，共同构成梯子的骨架。

碱基对——梯板，碱基对间的氢键相当于给两块木板间上的销，G和C之间有三个，A和T之间有两个。

这架梯子的扶手之间、梯板之间以及上下螺旋之间的距离都很规则，不仅外形美观，而且结构牢固，从而保证了遗传物质的稳定性。5 物质出入细胞的方式好象是不同的人过河一样 顺水自由漂流——自由扩散，会游泳的人可采用这种方式。

顺水乘船漂流——协助扩散，不会游泳的人需要借助船（载体蛋白质）才能完成。

逆水行舟——主动运输，不会游泳的人从下游到上游时，他必须乘船（需载体蛋白质），需奋力划船（消耗ATP）方可完成。这样，把原本很抽象的知识形象化，能吸引学生的注意力，且容易记住。6 遗传信息的表达就象是邮局发电报

电报密码——遗传密码，电报密码由阿拉伯数字组成，而遗传密码则由碱基组成。

电报文字——氨基酸，用电报密码可翻译成中文汉字，氨基酸则是通过遗传密码翻译而成的。

电报语句——多肽链，用文字可以组成语言，由氨基酸脱水缩合而形成多肽链。染色质与染色体的关系简直就是钢丝与弹簧的关系

纲丝——染色质，呈细丝状，比较长。

弹簧——染色体，是由染色质螺旋化缩短变粗而成的，与染色质是同一物质，只不过形态不同。把细胞比喻为我们生活中的电视机

若把细胞比喻为电视机，那么构成电视机的电子元件就是细胞器，各种电子元件不具备收看电视的功能，必须组装成电视机才能收看电视。细胞也是这样，它是生物体结构和功能的基本单位。

浅谈生物信息学在生物学研究中的应用 篇6

医学生物信息学在心血管研究领域的应用--数据与知识

随着生物技术的进步,特别是以基因组、蛋白质组为标志的导致高通量实验数据产生的工作的开展,大量的实验数据在各个领域堆积拥塞,与领域内的知识的累计出现了极为不平衡的发展,因此,对这些数据的处理成为了学科发展的.迫切需求.为了避免这些数据成为垃圾,数据库、统计学、信号处理、数据挖掘、知识管理、人工智能等多种技术被运用到医学生物学领域,使得医学生物信息学不再是医学、生物学和信息学、计算机科学的单纯交叉,而独立成为一门专业的学科, 重点也由原来单纯的研究计算机信息技术在医学生物信息学中的延展和运用,转变到研究、发现、开发、创新适合医学生物学自身特点的新思想和新方法上来[1,2].本文对近年来心血管领域内医学生物信息发展和运用的情况进行了回顾和分析,并对该领域可能的发展方向做出判断.

作 者：张其鹏 孙冬泳 卢铭 覃璞 尚彤 ZHANG Qi-Peng SUN Dong-Yong LU Ming QIN Pu SHANG Tong  作者单位：北京大学,医学部心血管研究所,北京,100083 刊 名：生理科学进展  ISTIC PKU英文刊名：PROGRESS IN PHYSIOLOGICAL SCIENCES 年，卷(期)： 36(2) 分类号：N949 关键词：医学生物信息学   数据库   数据挖掘   知识管理   心血管学  

浅谈生物信息学在生物学研究中的应用 篇7

关键词：宏基因组学,微生物,基因组文库,文库筛选

一直以来, 自然环境中微生物鉴定识别的唯一途径就是用传统的方法进行分离培养, 这不但阻碍了人们认识微生物世界的视野, 还限制了生物资源的开发和利用。随着分子生物学技术的快速发展, 为了研究不能培养的微生物, 一个全新的理念宏基因组学应运而生, 宏基因组学技术克服了相关培养技术的困难和限制, 跳过传统培养而直接从环境样品中提取总DNA, 通过构建宏基因组文库、筛选来获得新的功能基因和生物活性物质。宏基因组学的产生和快速发展已渗透到各个领域, 包括海洋、土壤、热液口、热泉、人体口腔及胃肠道等, 并在医药、替代能源、环境修复、生物技术、农业、生物防御等各方面显示了重要的价值[1,2,3]。

1 宏基因组学的概念

1998年, 科学家Handelsman等首次提出了宏基因组 (metagenome) 的概念, 宏基因组学又称为环境基因组学, 或者群落基因组学, 它是指环境中全部微生物基因的总和, 包含细菌基因组和真菌基因组, 所获得的基因是包含了可培养的和还不能培养的微生物的总基因[2,3], 是目前一种新的微生物研究方法。宏基因组学其显著的特征在于获得环境微生物基因组的方法是非传统培养方法, 通过基因筛选和序列分析等手段, 来研究环境微生物的功能活性、多样性、种群结构、进化关系, 以及它们与环境之间的关系, 获得新的酶及生物活性物质, 可极大地拓展微生物基因资源的利用空间, 研究其功能和彼此之间的关系和相互作用, 并揭示其内在规律。

2 宏基因组学发展

早期对微生物群落的研究, 主要是根据微生物的生理特性, 通过原位染色标记技术来确定微生物群落的分类。可依据其菌落的形态特征、不同的生长媒介和代谢产物等来区分不同微生物的菌群。但此种方法有很大的局限性, 它只可检测到那些在实验室生长条件下容易生长的有机体, 但对于研究非培养的微生物有很大的限制。

直至发展到免培养技术, 即直接从样品中提取总DNA, 并用这些DNA来分析物种的多样性, 也可描述一个群体不同物种间的关系。早期DNA的方法是通过杂交或者聚合酶链式反应 (polymerase chain reaction, PCR) 扩增特异的靶基因, 探索目标群体的DNA[6,7], 这些研究手段通常能在一个较广泛的层面上描述生物多样性。

最早宏基因组分析实验, 只用来研究荧光原位杂交 (fluorescent in situ hybridization, FISH) 未检测到且未报道过的DNA菌群, 只限定在16Sr RNA的标记基因, 之后可用它来识别群体特定酶区域的功能基因探针。早期的宏基因组学分析主要针对于细菌和真菌, 直至2002年, Breitbart等应用宏基因组学方法分析海水中的微生物种群, 发现噬菌体是海水中的主要病毒, 这一研究开启了病毒宏基因组学 (viral metagenomics) 研究, 为宏基因组学研究迎来新局面。为了更高效地分析微生物群落, 大多数的研究都采用了高通量测序技术。新一代高通量测序技术的广泛应用及性价比较高的DNA测序技术, 宏基因组的研究也随之被普及。

3 宏基因组学研究方法[3,4,5,6]

3.1 基因组文库构建

DNA提取, 获得高质量的总DNA是宏基因组文库构建的关键因素之一, DNA提取方法主要有2种:一种是直接裂解法, 直接裂解环境样品中的微生物细胞进行DNA抽提。另一种是间接裂解法, 即先采用差速离心等物理手段, 将微生物细胞从环境样品中分离出来, 再用较温和的方法来对DNA进行抽提。

3.1.1 载体选择。

DNA提取后构建文库, 在文库构建过程中, 载体是文库构建所必需的因素。载体选择主要考虑是否有利于目标基因扩增、表达, 以及在筛选细胞毒类物质时表达量的调控等。目前多采用细菌人工染色体 (BAC) 和粘粒 (Cosmid) 或Fosmids载体。1992年SHIZUYA等研究表明, 用BAC载体可插入片段, 但克隆效率低;用Fosmids载体可插入中等大小片段 (38-52kb) 克隆, 克隆效率较高。

3.1.2 宿主的选择。

宿主菌株的选择主要考虑:转化效率、载体在宿主细胞稳定性、宏基因的表达、目标性状筛选等因素。不同微生物种类所产生的活性物质类型有明显差异, 因此可根据研究目标的不同选择不同的宿主菌株。目前, 构建宏基因组文库最常用的宿主有大肠杆菌 (Escherichia coli) 、青链霉菌 (Streptomyces lividans) 和恶臭假单胞杆菌 (Pseudomonasputida) 、根癌土壤杆菌、黄单胞菌、根瘤菌等。

3.2 宏基因组文库的筛选[7,8,9,10]

目前用于宏基因组文库的筛选方法主要有功能筛选法 (fuction-basedscreening method) 、序列筛选法 (sequence-based screening) 、化合物结构筛选法和底物诱导基因表达筛选法 (substrate-induced gene expression screeningmethod, SIGEX) 4种。

3.2.1 功能筛选法。

基于克隆子产生新的生物活性进行筛选, 通过建立和优化合适的方法, 从基因组文库中获得具有特殊功能。如抗菌素耐药性基因、酯酶、脂肪酶、膜蛋白质、几丁质酶、4-羟基丁酸的基因编码酶等常用物质。通过功能性筛选的方法, 可以快速地从多个克隆子中鉴定出全长基因, 并由此获得这些功能基因的产物, 为工业、医药和农业提供一些具有潜在活性的天然产物或蛋白质。该方法限制性在于许多基因不仅在宿主菌株 (如大肠杆菌) 里表达不明显, 所以更新的宿主和更高的表达效率还有待开发。

3.2.2 序列筛选法。基于已知相关功能基因的序列设计探针或PCR引物, 通过杂交或PCR扩增筛选阳性克隆;2001年Stokes等对该该方法进行改进, 采用整合子-基因盒系统, 由1个整合酶基因和1个含59 bp的重组位点组成, 基因盒可从这个特异的重组位点插入并将这个位点分隔开与之比邻, 被分隔开的这些位点常含有约25 bp的保守序列 (反向重复序列) , 以这些保守位点序列作为PCR引物扩增即可获得基因盒中的全长基因, 采用该技术巧妙地解决了从复杂的土壤基因组文库中分离到全长基因的难题。

3.2.3 化合物结构筛选法。

通过比较转入和未转入外源基因的宿主细胞或发酵液、提取液的色谱图不同进行筛选, 但该方法筛选的物质未必具有活性。

3.2.4 底物诱导基因表达筛选法。

即利用代谢相关基因或酶基因在有底物存在的条件下才表达, 反之则不表达这个原理来筛选目的代谢基因, 这种方法可用于活性酶的筛选, 现已成功应用于地下水宏基因组中芳香族碳水化合物的筛选。

4 宏基因组学应用研究

随着近年来研究的深入, 宏基因组学研究已渗透到各个研究领域, 包括食品科学、微生物活性筛选、新基因挖掘、医药领域、替代能源、环境修复、生物降解、农业、生物防御、海洋、土壤、热泉、人体口腔及胃肠道等各方面显示了重要的价值[10,11,12,13,14,15,16,17,18]。因研究涉及领域较多, 仅例举在食品和微生物活性物质筛选基因组学进行介绍。

4.1 宏基因组学在食品领域的应用

采用宏基因组学的方法, 可以提取更多更高效的酶类。目前, 多糖修饰酶也是食品工业相当重要的一类酶, 如:淀粉酶、水合酶、脂肪酶、蛋白酶、腈水解酶、糖苷酶和肌醇六磷酸酶等已经被成功商业化。到目前为止, 研究人员已经利用以功能和序列为基础的方法, 通过宏基因组搜寻, 鉴定了4-羟基丁酸脱氢酶、L-氨基酸氧化酶、脂肽、核酸酶、葡糖酸还原酶、脂蛋白、具有表面活性的脂多糖等多个这样的新型生物催化剂。欧敏功等通过实验筛选了甲基丙二酸半醛脱氢酶 (MMS-DH) 。Suenaga等构建的Fosmid文库用邻苯二酚作为基质筛选出雌二醇加双氧酶, 产出91个雌二醇加双氧酶[17,18,19,20]。

4.2 微生物活性物质筛选

传统的培养方法限制了生物活性物质的开发和利用, 宏基因组学技术的发展, 使人们能够进行非培养微生物进行活性物质筛选, 加快了生物活性物质开发和利用的步伐。研究发现的抗生素的生物合成基因都是成簇排列的, 因此有可能克隆到完整的次级代谢产物合成基因簇, 使其在异源宿主中表达。例如Wang等首次以链霉菌为宿主从土壤中筛选到具有抗菌活性的5种新的小分子生物活性物质[14,15,16,17,18,19,20]。2000年, Brady等筛选出65个具有抗芽孢杆菌活性的克隆, 并从中分离出一系列具有抗菌活性的长链N-酰基酪氨酸类新化合物。2001年Brady等又筛选到一株产生蓝色色素的克隆, 并从中分离到蓝色化合物, 该物质具有抗菌和诱导成纤维细胞凋亡等生物活性。2003年Diaz-Torres等利用人唾液分离到一种新的四环素抗性基因tet[20,21,22,23,24]。

5 展望

宏基因组学是一个非常有活力的研究领域, 克服了传统培养方法限制了很多微生物资源开发和利用, 该技术已成为研究免培养微生物的重要手段。运用宏基因组学可分析微生物分类图谱, 深入了解微生物的多样性, 有可能挖掘和利用99%以上的不可培养微生物, 这为功能微生物资源开发利用提供了丰富的研究资源。

浅谈生物信息学在生物学研究中的应用 篇8

用和实践

王振超

（华南师范大学生命科学学院，广东广州 510631）

摘要：分析生物信息学的学科特点，根据其特点说明多媒体这一现代化教学手段在其课程教学中的必要性，介绍多媒体在实际教学中的具体应用。关键词：生物信息学 多媒体 教学实践

21世纪是生命科学的世纪，生物科学是自然科学中发展最迅速的学科之一。在生命科学研究中，人们需要用信息科学的方法来研究生命信息。对面庞大的生物信息数据、及其快速的发展，在实际的教学中运用现代化的教学手段是必不可少的。生物信息学的主要研究内容及其特点

1.1生物信息学的研究内容

任何一门学科，研究的内容决定了研究方法和手段。

生物信息学（Bioinformatics）研究对象是生物学数据，更直接地说是分子生物学数据。随着分子生物学及其实验技术的日趋成熟，生命科学研究进入了前所未有的高速发展时期。生物信息学也成为了生物医学、数学、信息科学以及计算机科学等诸多学科的崭新交叉学科。它运用数学、计算机科学和生物学工具对生物数据进行储存、检索、分析和处理，以达到揭示生物数据中的生物学内涵的目的。

其研究内容主要包括：①大规模基因组测序中的信息分析；②完整基因组的比较研究；③生物大分子的结构模拟与药物设计；④遗传密码的起源与生物进化分析；⑤生物信息学分析方法学的研究；⑥生物信息数据库的建立与服务。[1] 1.2 生物信息学的学科特点

生物信息学主要有三大特点：①以生物数据库为基础，其中的生物数据庞大而复杂； ②生物信息的处理分析主要依托于计算机作为基础工具，利用互联网对信息的搜索及存储功能实现数据收集、管理和更新，并借助数学算法进行数据分析，所以说生物信息学结合分子生物学、数学、计算机科学等学科的前沿学科，具有更强的交叉性；③ 生物信息学是近几年随着基因测序而迅速兴起的，发展时间短、难度大，还在不断地完善中。多媒体教学的应用

根据生物信息学的研究内容和特点，在其教学中，必须使用多种现代化的教学手段。

2.1 基本的多媒体设备

可以链接网络的多媒体电脑、投影仪、摄像机等。多媒体电脑主要用于安装课件、视频等，与投影仪连接之后演示教学内容。投影仪的屏幕投影功能可以将多媒体课件、视频、文字、图片直接展示给学生。

2.2 多媒体教学的具体应用

2.2.1 生物信息学教学难点

生物信息学新近兴起，还在不断发展完善中，需要学生保持自身知识的不断更新；信息数据庞大而繁杂，仅仅是人类基因组的序列图，就由30亿对核苷酸组成，如何让学生有效认识利用这些信息是难点；生物信息学交叉性强，需要培养学生的综合能力；生物信息学涉及的数据库、软件大多是英文的，这样就增加了学生自主学习的难度。

2.2.2 多媒体教学实施

①多媒体教学只是作为一种教学的辅助，不是唯一的教学手段，教师不可完全依赖于多媒体。在多媒体的使用过程中应选择重难点，突出学生不易理解、抽象的知识，利用多媒体视频、图片的功能形象直接地表现出来；

②多媒体课件的文字应当尽量简练，重点突出；其中援引的图片、视频应当清晰恰当；对于课本上文字难以清晰表述的问题及操作，应当利用互联网连接、FLASH动画、视频等工具，让学生对知识有直观理解；

③涉及到具体的计算机操作问题，老师应该现在教学现场演示，让学生跟随老师一步一步操作，提高学生的学习效率；

④多媒体教学只是一种教学手段，不能解决所有问题这就有赖于教师发挥引导作用，运用各种方法和教学手段，让学生更高效率地掌握知识；

2.3 多媒体教学与网络化教学的结合

互联网上有大量的生物学数据库，有着大量的生物信息。例如，美国国立生物技术信息中心（NCBI）的Gen Bank、欧洲生物信息学研究所（EBI）的EMBL核酸序列数据库等等。这些数据库都有许多生物信息软件和服务项目，如，BLAST序列比对分析、FASTA序列对比分析等；互联网上丰富的生物信息学资源是很方便学生利用的。

在教学中，利用可以链接互联网的电脑进行演示教学，可以直观展示，加强学生的记忆；又可以教给学生各种生物信息学有关软件的具体使用方法，这样学生在课下就可以自主利用互联网进行学习，并充分利用互联网资源加深对理论知识理解、提高实际应用能力。结语

综上所述，生物信息学是新时代生命科学的产物，具有新颖前沿、交叉综合的特点。鉴于生物信息学课程的教授内容和特点，运用多媒体这一现代化教学手段教学，是非常适合课程特点的，对于提高教与学的效率和质量有着重大意义。参考文献：

浅谈生物信息学在生物学研究中的应用 篇9

摘要：一直以来，生物学科在初中教育中的地位不够高，这源自于我国“应试教育”的影响，使得全体师生都将自己的关注点放在了中考考查科目上，对于生物教学得过且过，完全忽视了学生的学习兴趣与内心需要，也从未考虑如何以学生的学习能动性来展开生物教学活动。生物学科在高中甚至是高等教育中的地位十分重要，开展探究性教学活动，让学生参与进来，为他们未来的学习做好准备。对如何在初中生物课堂之中展开探究性教学进行探讨。

关键词：初中生物 探究性教学 问题 合作 展示

探究性教学模式是指教师要通过利用多种方式，引导学生以科学家的思维方式来获取知识，并在此过程中形成科学的思维，掌握必备的探索技能，从而初步具备科学的探究精神。生物学科本身便是一门自然科学，生物研究成果对于促进社会文明的进步有着十分积极的作用。在初中生物课堂中应用探究性教学模式，不仅是为了让学生们掌握科学的学习方式，受到良好的生物启蒙教育，还是为了培养与提高他们的科学素养，使其正确看待生物学科，了解这门学科的重要性，从而产生浓厚的学习兴趣，《全日制义务教育生物课程标准》（2011版）也明确指出要“倡导探究性学习”。下面，笔者从问题激疑、以合作促探究、以展示促兴趣三个方面，讨论在初中生物课堂中展开探究性教学活动的具体做法。

一、以问题激疑

问题是探究性教学活动的一个主要内容，提问本身也是教师常常使用的一种教学策略。在提问的时候，教师一定要注意问题的探究性，不要设计一些明知故问，或者答案唯一的问题，以免桎梏学生们的思路；教师也要考虑问题的梯级，遵循由易到难的原则，使学生们能够层层深入地思考，同时也考虑不同认知水平的学生的不同需要，让不同层次的学生思考不同难度的问题，使每个学生都能够保持思维的活跃性。只要教师设计出科学的问题，便可以大大激发出学生的好奇心，让他们在疑问中不断探究，从而提高他们的质疑能力。在《花的结构和类型》一课中，我在课堂上带了一朵百合花，让学生们轮流到讲台上观察，然后提出了几个问题，引导学生思考：“你知道花的结构是什么吗？各自的名称与功能又是什么？”“什么结构是花最重要的结构呢？”“花缺少哪种结构之后就无法结出果实了？为什么？”如此一来，学生们便可以带着疑问进行自学，并在教材中探究这些问题的答案。

二、以合作促探究

自主、合作、探究教学模式是新课改所倡导的基本教学方式之一，而合作?W习也是每个初中生都应该掌握的基本学习能力之一。因此，教师可以在初中生物课堂中展开合作探究与交流活动，让学生们在同伴的帮助下更加全面的思考问题，学会借鉴其他同学的思维方式，并在讨论与交流中获得更多的知识，从而完成探究活动。在展开合作探究教学活动的时候，教师一定要遵循“同组异质，异组同质”的原则，即将智能不同、学习能力不同、生活经验不同等具有差异性的学生分在同一个小组之内，保证小组内部能够彼此促进，互帮互助；同时，教师还要保证每个小组的探究水平是大体相当的，让每个小组都能够公平地参与到课堂活动之中。在《婴儿的诞生》一课中，我充分利用了学生们的好奇心，将4个学生组成一个小组，让他们在课下收集生殖系统的知识。学生们对这些知识有着一定的好奇心，但是却不好意思直接询问，所以让他们主动在课下收集资料，既可以满足他们的好奇心，也能够使他们克服害羞心理。在学生收集完毕之后，他们需要将自己所获取的信息在小组内部进行交流，分享他们在网络上、图书馆、询问家长等所收集到的男性、女性的生殖系统结构与功能，以及受精过程及胚胎发育过程的相关资料。

三、以展示激兴趣

初中生十分渴望得到他人的认同，希望他们所付出的努力能够得到别人的赞扬，尤其是教师的肯定。因此，教师要注意为学生提供展示探究成果的机会，为初中生提供一个展示平台，使他们每个人都能够充分发挥自己的聪明才智。而学生们也会在展示过程中不断获得自信，肯定自己的进步，正视自己的不足，从而对生物教学更有兴趣。不仅如此，初中生是一个十分爱表现自我的群体，如果教师十分重视探究成果的展示，即使有一部分学生在一开始对生物学科并没有学习兴趣，他们也会为了吸引他人的目光而主动参与探究活动，这是激发他们学习兴趣与提高探究能力的有效途径。在每次探究性教学之中，我都会留出10分钟的时间，让学生们毛遂自荐，以小组的形式展示探究成果，我会根据这些反馈成果来评选出最佳小组，以使他们获得激励。

总之，为了改善教学成果，提高教学效率，实现教学相长，教师就必须要在初中生物课堂中展开探究性教学活动，以学生的主动学代替教师的被动教，真正发挥初中生的主人翁作用。

参考文献：