当前位置: 模型材料 >> 模型材料发展 >> 将分子模拟应用于本科生的医学免疫学教学,
分子模拟是二十世纪初发展起来的一种计算机模拟方法,用于在原子或分子水平上研究大分子的物理和化学性质。
分子模拟根据分子的物理和化学的基本原理构建数学模型,采用高性能计算机进行运算,获取分子的物理和化学信息,用以代替实验测量的研究方法。其应用范围覆盖了生物生物医学、物理、化学、化工及材料等学科领域,多数能够得到与实验结果近似的计算结果,己经成为与实验技术并重的强有力的研究手段。
由于模拟结果随着计算机的发展与模拟方法(算法)的改良而更加精确,分子模拟已成为包括生物医学在内的众多领域中不可缺少的工具
随着基于图形处理器的高性能计算机的性价比的不断提升,这一高效计算平台正在不断得到推广,分子模拟技术也随之得到普及。
因此,分子模拟技术逐渐被引入生物医学本科生的教学中,也将会成为一种非常重要的教学辅助手段。
分子模拟技术中心常用分子图像可视化软件将分子的三维结构数据通过各种模型,如cartoon、newcartoon、范德华表面、licorice等呈现出来,并通过不同的渲染手段,制作成高清和极具观赏价值的分子图像。常用的分子图像可视化软件有VMD、PyMOL、chimera等。将分子模拟技术可生动、形象呈现生物大分子的三维结构和功能。
目前已有高校将分子模拟技术纳入化学、物理和材料学等专业的本科教学中。但是,目前鲜见将这该技术应用于生物医学分子形态、功能教学的报道。
本文就笔者近年来将该技术应用于《医学免疫学》教学中的应用进行总结。分子模拟技术在《医学免疫学》教学应用中的探索《医学免疫学》是重要的基础医学课程。
免疫分子(抗原、抗体、补体、白细胞分化抗原、细胞因子及HLA等)的结构、相互作用和功能是认识免疫系统的起点,也是医学免疫学的基础知识,对于进一步学习免疫应答及调节机制具有极为重要的作用。但是由于免疫分子的知识中涉及较多分子结构及相互作用的内容,因此,这部分内容也是教学中的难点。
目前各版教材中涉及到免疫相关分子结构的内容,大多采用示意图或静态模型来表示,免疫分子作用机制多采用一些机械的示意图展示,都难以真正具体、生动地呈现免疫相关分子的形态、结构,
更不能动态展示与免疫相关分子之间的相互作用、免疫相关分子的结构变化以并发挥功能的过程。因此,在一定程度上说,我们采用的教材及教学手段在免疫相关分子形态、结构、相互作用及功能方面,都只教给学生“然”而没有教给学生“所以然”。
这导致在我们多年的教学过程中,学生不断提出问题,例如:不同免疫相关分子的具体结构是什么?免疫相关分子的结构如何服务其功能?免疫相关分子的结构异常如何影响其功能?
免疫分子间到底如何相互作用?现有的教材不能很好地回答上述问题,其结果将必然是学生对于免疫相关分子的结构及执行生理功能的过程的理解并不透彻,进而影响学生免疫系统的机制理解。
在没有现成教材的情况下我们又该如何做呢?近年来,笔者所在教研室的《医学免疫学》课程教学团队将科研中所采用的分子模拟技术应用于免疫相关分子的教学中。
一方面针对我校大学二年级临床医学、口腔医学和预防医学本科生,在教学准备过程中,我们从蛋白质晶体结构数据库(RCSB)中查找典型的免疫分子的晶体结构,然后采用分子图像可视化软件VMD等制作免疫相关分子真实的的三维结构及相互作用模式的静态图片,
采用分子动力学模拟软件预测免疫分子的行为,获得能充分体现分子结构特点或分子之间相互作用的分子热运动轨迹的视频,从而弥补课本中的抽象、静态示意图的不足。另一方面,我们开设了一门可供全校医学相关专业本科生选修的、分子模拟技术相关的任意选修课——《分子恋爱的研究》。
本选修课共30学时,通过本课程的教学,我们向学生传授分子模拟技术理论及操作技能,并向学生开放高性能图形处理器工作站,将让学生有机会亲自动手对免疫相关分子进行原子水平的模拟,
认识免疫相关分子的结构、分子热运动以及分子之间的相互作用,除了让学生认识正常的免疫分子外,我们还设置了异常免疫分子的拓展研究课程,让学生分析免疫分子基因突变对免疫功能的影响。
学生对发生突变的或疾病相关的免疫相关分子进行模拟,使学生深刻体会免疫相关分子结构与功能的关系,以及免疫相关分子在疾病发生过程中以及药物作用机制。
例如,在呈现抗体结构及抗原-抗体相互作用时,选取最新的研究进展——新冠病毒刺突蛋白中和抗体的晶体结构作为展示对象。
我们采用VMD软件,呈现了新冠病毒中和抗体与病毒spike蛋白之间的整体结合模式,然后呈现抗体的CDR及与病毒刺突蛋白受体结合域的相互接触面,并采用Ligplot软件分析抗体与抗原的相互作用残基及作用力。
这种呈现方式可以体现抗体CDR在结合抗原时的重要性,尤其可展示重链CDR3在抗体结合抗原作用中较其他CDR更为重要。
上述结果我们一方面呈现在多媒体课件中,另一方面,在课堂授课中,我们也采用VMD现场向学生呈现结果。我们认为将分子模拟引入《医学免疫学》分子结构功能相关课程的教学具有5大优势。据我们了解,从事《医学免疫学》教学工作的教师中,大部分对免疫分子的结构及基于结构的功能的知识仍然欠缺。
教师在采用分子模拟技术准备免疫分子形态、结构及功能的教学素材过程中,须首先掌握更加细致免疫分子结构的基本知识,并通过分子模拟技术,将分子的特征及相互作用呈现出来。在这一过程中,教师的免疫学专业知识必将得到进一步拓展。
有效激发生物医学生的学习热情:分子模拟是一个涉及生物学、计算机、数学和化学的交叉学科,是一门“高、大、上”的学科,能将抽象的分子具体地呈现在学生的面前,相关的学习不仅可以强化生物医学生对免疫相关分子本质的认识,而且将会有效地激发生物医学生对科学研究的热情;
实验完全不受场地和实验设备的限制;我们通常所说的实验研究需要特定的实验场所,并使用多种实验设备,而分子模拟实验则完全不受场地限制,而只需要为计算机提供一个机房和网络环境即可,只要有网络,学生即可用手机方便地进行远程操作,
因此,可以大大降低实验成本;实验不受时间的限制:由于教师工作时间的限制,普通实验室是不可能随时接纳学生开展实验,而分子模拟实验室可以让学生可以根据自己的时间安排,随时开展实验,而且可以同时接纳上百个学生组成的小团队长时间开展实验;
维护成本低,相对于普通实验室来说,分子模拟实验室只需要对计算进进行日常的维护,只需要1-2名专业人员即可完成维护工作。
此外,虽然分子模拟与通常所说的实验不同,但是广义上来讲,也是实验科学,在这个过程中,学生需要学习大量的理论知识,并进行实践探索。因此,能培养学生的分析和解决问题的能力、培养学生的科研思维和基本的科研素养。
我们首先在教学团队内部开展分子模拟理论及技术教学,开设分子模拟理论及技术课程,内容主要包括理论和操作实践两大部分。
理论知识涉及到蛋白质分子结构、蛋白质物理、分子间相互作用理论知识和分子模拟的理论知识。操作实践包括分子动力学模拟体系的构建、模拟参数的讲解、模拟结果的分析等。
在教师掌握了分子图像和分子模拟技术后,再用来制作教学所需的素材。此外,我们教学团队每年都从各届本科生中,挑选若干优秀的学生系统学习分子模拟理论和技术。
目前已组建了一支由10余人组成、覆盖各个年级的在校本科生分子模拟团队。团队的本科生均接受过半年的、较为系统学习,均掌握了分子模拟的基本理论和基本的实验操作技能,部分学生正在负责教师的科研项目。
在我们选修课的授课过程中,我们充分发挥这些“种子”的作用,现场协助解决学生在操作实践过程中遇到的问题,取得了良好的教学效果。结语“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”。
分子模拟分子图像技术既可以让教师深入学习免疫相关分子的结构及功能,提升教学质量,也可以让学生亲手观察分子结构、模拟分子功能,尤其是在实践操作教学过程中,还可以增加师生互动,加强师生之间的联系。
因此,掌握分子模拟理论和技术将可能成为生物医学生本科教育中非常重要的一门课程。而建立计算机辅助的分子模拟平台将会为这一课程的发展提供有力的支持。