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摘要：为进一步提高制药专业的学生的生物催化与生物转化课程教学质量，激发学生的专业兴趣，本文从选用合适教材、重构教学体系、创新授课形式等方面探讨了该课程教学改革的必要性，闡述了对生物催化与生物转化课程融入思想政治教育的思考，为制药专业的学生教学改革实践与应用提供借鉴。
关键词：生物催化与生物转化;教学实践;改革;制药工程;
中图分类号：G4 文献标识码：A
随着当今社会科学技术的快速发展，制药工业对工艺水平的要求不断提升，为提高工艺效率，生物催化与生物转化技术已广泛应用于传统制药行业中，通过生物催化的应用，可改变传统制药工业的模式，实现技术创新，为制药工业提供更好的技术支撑和保障。近20年来，生物催化与生物转化技术已成为各生物医药公司争夺的目标，被誉为医药生产的“新宠"。2018年诺贝尔化学奖获得者弗朗西斯.阿诺德（FrancesH.Arnold）正是由于开创生物催化剂的定向进化这一技术而获奖，预计将推动新一轮生物催化在药物研发领域的革新与进步，该研究的突破使得可用快于自然进化千倍的速度改良药物成为可能。我国《“十三五”生物产业发展规划》也明确指出：以生物催化剂的发现和工程化应用为核心，构建高效的工业生物催化与转化技术体系，大幅提高工业酶和蛋白质的催化效率、工业应用属性，显著降低生产成本，建立生物催化合成路线，推动规模化生产与应用示范，实现化学原料药、食品添加剂等安全、清洁、可持续生产。在此背景下，制药工程的生物催化与生物转化课程教学改革与实践迫在眉睫。如何培养高质量的生物催化专业技术人才，满足专业建设和社会发展需求已成为制药工程高等教育的一项重要任务。
1重构教学体系，强化理论基础
1.1生物催化剂的酶学与生物化学研究
基因是遗传信息的携带者，而生命活动的执行者却是基因的表达产物蛋白质。在基因编码的全部蛋白质中，酶占据了重要比例，了解这些酶的功能是开展生物催化与生物转化研究的重要内容。这部分主要讲述生物催化剂的酶学与生物化学研究原理及技术路线，重点围绕酶的研究历史、化学本质、分类命名、分离纯化、作为催化剂所具备的特点、酶促反应动力学、酶的化学修饰、活性中心功能基团性质、酶结构与功能以及酶制剂的生产应用等。这部分内容的教学目标主要是指导学生认识酶和生物催化剂、理解酶作为-种催化剂的基本特征及其酶学理论基础，为今后学习利用生物催化剂进行药物或中间体的绿色生物制造打好理论基础。
1.2生物催化剂的高效挖掘
随着生物技术的快速发展和生产效率的不断提升，为了保持技术竞争力，工业化生产中对于酶催化剂的酶活和催化性能提出了更高的要求，这就使得研发工作中需要不断寻找性能更加优越的新型生物催化剂以满足工业生产需求。传统的基于微生物培养的筛选策略已获得大量生物催化剂及产生菌，其中部分也已成功应用于工业生产中。但传统方法存在筛选周期长、效率较低、目标不明确等问题，同时，自然界中99%以上的微生物在目前现有的培养条件下难以实现人工培养，因此，传统筛选策略也可能导致遗漏大量潜在的性能优越的生物催化剂。此外，随着测序技术的快速进步以及进入后基因组时代以来，海量的基因数据库资源为酶催化剂的挖掘提供了新的途径，如何根据特定催化反应需求，从基因数据库中进行数据虚拟筛选获得酶编码信息并通过异源表达获得性能优异的酶催化剂也成为了新的研究热点。该部分内容旨在借助生物催化领域最新研究成果和研究案例让学生明白酶崔化剂作为生物催化基础的重要性、寻找高效挖掘策略的必要性，同时也能深入理解科学技术现代化”元素在生物催化发展历程中的关键作用。
1.3酶分子的设计改造与高通量筛选
自弗朗西斯阿诺德团队于1993年开创性地使用多轮易错PCR技术进行随机突变提高枯草杆菌蛋白酶在有机溶剂中的稳定性以来，生物催化剂的定向进化技术在20多年里已取得了突破性进展。通过在实验室条件下模拟自然进化并通过高通量筛选获得满足生产需求的特定突变体，显著拓展了酶催化剂的应用范围。以美国默克公司的重磅药物西格列汀（Sitagliptin）合成工艺优化为例，通过与Codexis合作开发出高效的转氨酶，催化活性提高2500倍，同时没有副产物生成，也避免了传统方法的高压加氢以及后续贵金属催化剂回收。但定向进化技术的应用潜力还远未被挖掘，主要挑战在于高品质突变库的构建及高通量筛选方法的建立。近年来生物信息学、结构生物学及人工智能技术的快速发展为生物催化剂的设计改造注入了新的学术思想和技术手段，采用人工智能AI技术指导蛋白质设计以及DavidBaker团队开发的Rosetta软件开展蛋白从头设计，为蛋白质工程化设计改造开辟了新方向。
2创新授课形式，深化教学改革
2.1深度融入思想政治教育
如何根据该课程特点，落实思想政治教育、融入课程思政元素，对学生进行正确的思想教育和价值引领，是本课程教学中的一项重要研究内容。在2020年6月教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》指导下，结合生物催化与生物转化课程特点，我们将从如下方面挖掘和凝练课程思政元素：
（1）厚植爱国情怀、弘扬劳动精神。
通过对一些知名药企和行业顶尖院士专家学者的成功案例进行引经据典，启发学生的学习兴趣。如我国酶工程领域的倡导者张树政院士在建国初期艰苦条件下围绕白地霉糖代谢、红曲霉糖化酶结构与功能、右旋糖苷酶防龋、黑曲霉糖化酶的应用等方面所开展的创造性工作;郑裕国院士团队研发的糖尿病治疗药物一阿卡波糖片“卡博平”打破了国外医药企业的垄断，节省了糖尿病患者的药物开销。
（2）宣扬国家战略、激发学习热情。
作为新兴生物产业的“芯片”，为避免再次被西方卡脖子，我国也从政策层面大力扶持生物催化产业的发展。《中国制造2025》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要》等文件都明确指出要围绕生物催化剂的创制进行全链条设计，构建具有自主知识产权的核心生物催化剂，建立现代生物制造产业的支撑技术体系。因此，要向学生大力宣扬生物催化领域的专业发展趋势和国家发展战略，激发学生学习热情和报效祖国决心，推动生物制药的颠覆性创新和应用。 （3）加强传统文化教育、融入学科前沿进展。
充分汲取生物催化领域传统文化中蕴含的思政资源，引导学生树立正确的世界观、乐观进取的人生观和积极向上的价值观，进而内化人文素养、升华道德情操，并将传统文化有机融入现代学科前沿进展和最新科学研究成果中。生物催化与生物转化的一项重要研究内容是探究利用微生物酶系进行各类代谢产物和产品的生产过程涉及的工艺问题。中华民族历史悠久，诞生了大量非物质文化遗产，中国传统酿造食醋和白酒就是其中的典型代表，而酿造过程中所使用的醋醅和酒曲中就含有丰富的生物酶系，包括淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等，它们在物质的生物转化和产品的良好风味品质形成过程中发挥了关键作用，这些传统文化遗产也为现代酿造和发酵工业奠定了坚实基础。在介绍屠呦呦因发现新型治疗疟疾新药青蒿素的突出贡献而成为中国首位诺贝尔生理学或医学奖获得者时，可以陈述目前科学家已经能够利用合成生物学手段人工构建基因工程酵母菌合成青蒿素，通过途径关键酶的强化表达和蛋白质工程改造可提升其生产潜力，有望替代传统植物提取法，使学生能了解目前合成生物学和生物催化剂工程等最新技术带来的生产方式变革，引发学生共鸣。
2.2课堂教学与学生自主学习有机结合
传统教学模式以教师讲授、学生聆听为主，这种模式对于学生学习过程容易产生疲态、较被动，影响教学效果和课堂氛围。尤其是针对这门应用性极强的课程，应通过经典案例阐述引导学生主动思考。这种案例教学法最初由哈佛大学提出，其最大优点是将知识从单向灌输转变为双向交流，引导课堂氛围由被动听讲转为主动参与，将枯燥乏味的生物催化理论知识陈述转变成形象生动、旁征博引、妙趣横生的案例讲解，有效改善教学效果并激发学生的学习积极性，在调动学生鉆研创新兴趣的同时，让学生感觉上课是轻松愉快的。知识无限，而课堂时间有限，老师可通过设置该课程相关主题的思考题，给学生布置课后查阅资料和小组讨论的任务，讨论结束后由小组派代表在课堂上对整理的资料进行汇报、其他小组可以针对汇报中存在的问题及不同观点进行探讨和辩论，教师在该过程中负责把控全局并适时提出建议，通过这种交互式方法进一步调动学生的学习主观能动性。同时，在以上资料调研过程中教师也要注意对学生给予合理引导，目前网络信息发达，资料来源多样，如果放任学生面对庞大的网络数据库漫无目的自行查找资料，不仅浪费时间、效率低下，而且可能导致抄袭成风、敷衍应付学习任务，起到适得其反的效果。在此过程中教师的引导作用至关重要，指导学生下载网上相关的精品课程与课件，进入图书馆选择对应的书籍专著和期刊论文，从信息多样的网络数据库中筛选合适的有针对性的数据资料和学习素材。通过这种启发式的以学生为主体的高效主动学习，使学生能切身感受到自主查找资料的乐趣和自我获得知识的成就感，培养其主动学习和终生学习的习惯。
结语
随着我国教育教学体系改革和创新的不断推进，对相关理论课程进行改革和创新将成为必然方向。本文主要针对《生物催化与生物转化》教学体系进行完善和凝练，在教学中融入思想政治教育，同时对授课形式进行创新与改进，激发学生的学习热情和专业兴趣，使学生养成主动学习、终生学习的习惯，有利于培养学生在未来学习和工作过程中的持久推动力，以期提高我校制药专业的办学能力，实现强化生物制药背景”的特色人才培养目标。
参考文献
[1]许烽.课程思政背景下高校生物制药工艺学教育探索[J].中国医药工业杂志，2021，52（09）：1264.
关键词：生物催化与生物转化;教学实践;改革;制药工程;
中图分类号：G4 文献标识码：A
随着当今社会科学技术的快速发展，制药工业对工艺水平的要求不断提升，为提高工艺效率，生物催化与生物转化技术已广泛应用于传统制药行业中，通过生物催化的应用，可改变传统制药工业的模式，实现技术创新，为制药工业提供更好的技术支撑和保障。近20年来，生物催化与生物转化技术已成为各生物医药公司争夺的目标，被誉为医药生产的“新宠"。2018年诺贝尔化学奖获得者弗朗西斯.阿诺德（FrancesH.Arnold）正是由于开创生物催化剂的定向进化这一技术而获奖，预计将推动新一轮生物催化在药物研发领域的革新与进步，该研究的突破使得可用快于自然进化千倍的速度改良药物成为可能。我国《“十三五”生物产业发展规划》也明确指出：以生物催化剂的发现和工程化应用为核心，构建高效的工业生物催化与转化技术体系，大幅提高工业酶和蛋白质的催化效率、工业应用属性，显著降低生产成本，建立生物催化合成路线，推动规模化生产与应用示范，实现化学原料药、食品添加剂等安全、清洁、可持续生产。在此背景下，制药工程的生物催化与生物转化课程教学改革与实践迫在眉睫。如何培养高质量的生物催化专业技术人才，满足专业建设和社会发展需求已成为制药工程高等教育的一项重要任务。
1重构教学体系，强化理论基础
1.1生物催化剂的酶学与生物化学研究
基因是遗传信息的携带者，而生命活动的执行者却是基因的表达产物蛋白质。在基因编码的全部蛋白质中，酶占据了重要比例，了解这些酶的功能是开展生物催化与生物转化研究的重要内容。这部分主要讲述生物催化剂的酶学与生物化学研究原理及技术路线，重点围绕酶的研究历史、化学本质、分类命名、分离纯化、作为催化剂所具备的特点、酶促反应动力学、酶的化学修饰、活性中心功能基团性质、酶结构与功能以及酶制剂的生产应用等。这部分内容的教学目标主要是指导学生认识酶和生物催化剂、理解酶作为-种催化剂的基本特征及其酶学理论基础，为今后学习利用生物催化剂进行药物或中间体的绿色生物制造打好理论基础。
1.2生物催化剂的高效挖掘
随着生物技术的快速发展和生产效率的不断提升，为了保持技术竞争力，工业化生产中对于酶催化剂的酶活和催化性能提出了更高的要求，这就使得研发工作中需要不断寻找性能更加优越的新型生物催化剂以满足工业生产需求。传统的基于微生物培养的筛选策略已获得大量生物催化剂及产生菌，其中部分也已成功应用于工业生产中。但传统方法存在筛选周期长、效率较低、目标不明确等问题，同时，自然界中99%以上的微生物在目前现有的培养条件下难以实现人工培养，因此，传统筛选策略也可能导致遗漏大量潜在的性能优越的生物催化剂。此外，随着测序技术的快速进步以及进入后基因组时代以来，海量的基因数据库资源为酶催化剂的挖掘提供了新的途径，如何根据特定催化反应需求，从基因数据库中进行数据虚拟筛选获得酶编码信息并通过异源表达获得性能优异的酶催化剂也成为了新的研究热点。该部分内容旨在借助生物催化领域最新研究成果和研究案例让学生明白酶崔化剂作为生物催化基础的重要性、寻找高效挖掘策略的必要性，同时也能深入理解科学技术现代化”元素在生物催化发展历程中的关键作用。
1.3酶分子的设计改造与高通量筛选
自弗朗西斯阿诺德团队于1993年开创性地使用多轮易错PCR技术进行随机突变提高枯草杆菌蛋白酶在有机溶剂中的稳定性以来，生物催化剂的定向进化技术在20多年里已取得了突破性进展。通过在实验室条件下模拟自然进化并通过高通量筛选获得满足生产需求的特定突变体，显著拓展了酶催化剂的应用范围。以美国默克公司的重磅药物西格列汀（Sitagliptin）合成工艺优化为例，通过与Codexis合作开发出高效的转氨酶，催化活性提高2500倍，同时没有副产物生成，也避免了传统方法的高压加氢以及后续贵金属催化剂回收。但定向进化技术的应用潜力还远未被挖掘，主要挑战在于高品质突变库的构建及高通量筛选方法的建立。近年来生物信息学、结构生物学及人工智能技术的快速发展为生物催化剂的设计改造注入了新的学术思想和技术手段，采用人工智能AI技术指导蛋白质设计以及DavidBaker团队开发的Rosetta软件开展蛋白从头设计，为蛋白质工程化设计改造开辟了新方向。
2创新授课形式，深化教学改革
2.1深度融入思想政治教育
如何根据该课程特点，落实思想政治教育、融入课程思政元素，对学生进行正确的思想教育和价值引领，是本课程教学中的一项重要研究内容。在2020年6月教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》指导下，结合生物催化与生物转化课程特点，我们将从如下方面挖掘和凝练课程思政元素：
（1）厚植爱国情怀、弘扬劳动精神。
通过对一些知名药企和行业顶尖院士专家学者的成功案例进行引经据典，启发学生的学习兴趣。如我国酶工程领域的倡导者张树政院士在建国初期艰苦条件下围绕白地霉糖代谢、红曲霉糖化酶结构与功能、右旋糖苷酶防龋、黑曲霉糖化酶的应用等方面所开展的创造性工作;郑裕国院士团队研发的糖尿病治疗药物一阿卡波糖片“卡博平”打破了国外医药企业的垄断，节省了糖尿病患者的药物开销。
（2）宣扬国家战略、激发学习热情。
作为新兴生物产业的“芯片”，为避免再次被西方卡脖子，我国也从政策层面大力扶持生物催化产业的发展。《中国制造2025》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要》等文件都明确指出要围绕生物催化剂的创制进行全链条设计，构建具有自主知识产权的核心生物催化剂，建立现代生物制造产业的支撑技术体系。因此，要向学生大力宣扬生物催化领域的专业发展趋势和国家发展战略，激发学生学习热情和报效祖国决心，推动生物制药的颠覆性创新和应用。 （3）加强传统文化教育、融入学科前沿进展。
充分汲取生物催化领域传统文化中蕴含的思政资源，引导学生树立正确的世界观、乐观进取的人生观和积极向上的价值观，进而内化人文素养、升华道德情操，并将传统文化有机融入现代学科前沿进展和最新科学研究成果中。生物催化与生物转化的一项重要研究内容是探究利用微生物酶系进行各类代谢产物和产品的生产过程涉及的工艺问题。中华民族历史悠久，诞生了大量非物质文化遗产，中国传统酿造食醋和白酒就是其中的典型代表，而酿造过程中所使用的醋醅和酒曲中就含有丰富的生物酶系，包括淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等，它们在物质的生物转化和产品的良好风味品质形成过程中发挥了关键作用，这些传统文化遗产也为现代酿造和发酵工业奠定了坚实基础。在介绍屠呦呦因发现新型治疗疟疾新药青蒿素的突出贡献而成为中国首位诺贝尔生理学或医学奖获得者时，可以陈述目前科学家已经能够利用合成生物学手段人工构建基因工程酵母菌合成青蒿素，通过途径关键酶的强化表达和蛋白质工程改造可提升其生产潜力，有望替代传统植物提取法，使学生能了解目前合成生物学和生物催化剂工程等最新技术带来的生产方式变革，引发学生共鸣。
2.2课堂教学与学生自主学习有机结合
传统教学模式以教师讲授、学生聆听为主，这种模式对于学生学习过程容易产生疲态、较被动，影响教学效果和课堂氛围。尤其是针对这门应用性极强的课程，应通过经典案例阐述引导学生主动思考。这种案例教学法最初由哈佛大学提出，其最大优点是将知识从单向灌输转变为双向交流，引导课堂氛围由被动听讲转为主动参与，将枯燥乏味的生物催化理论知识陈述转变成形象生动、旁征博引、妙趣横生的案例讲解，有效改善教学效果并激发学生的学习积极性，在调动学生鉆研创新兴趣的同时，让学生感觉上课是轻松愉快的。知识无限，而课堂时间有限，老师可通过设置该课程相关主题的思考题，给学生布置课后查阅资料和小组讨论的任务，讨论结束后由小组派代表在课堂上对整理的资料进行汇报、其他小组可以针对汇报中存在的问题及不同观点进行探讨和辩论，教师在该过程中负责把控全局并适时提出建议，通过这种交互式方法进一步调动学生的学习主观能动性。同时，在以上资料调研过程中教师也要注意对学生给予合理引导，目前网络信息发达，资料来源多样，如果放任学生面对庞大的网络数据库漫无目的自行查找资料，不仅浪费时间、效率低下，而且可能导致抄袭成风、敷衍应付学习任务，起到适得其反的效果。在此过程中教师的引导作用至关重要，指导学生下载网上相关的精品课程与课件，进入图书馆选择对应的书籍专著和期刊论文，从信息多样的网络数据库中筛选合适的有针对性的数据资料和学习素材。通过这种启发式的以学生为主体的高效主动学习，使学生能切身感受到自主查找资料的乐趣和自我获得知识的成就感，培养其主动学习和终生学习的习惯。
结语
随着我国教育教学体系改革和创新的不断推进，对相关理论课程进行改革和创新将成为必然方向。本文主要针对《生物催化与生物转化》教学体系进行完善和凝练，在教学中融入思想政治教育，同时对授课形式进行创新与改进，激发学生的学习热情和专业兴趣，使学生养成主动学习、终生学习的习惯，有利于培养学生在未来学习和工作过程中的持久推动力，以期提高我校制药专业的办学能力，实现强化生物制药背景”的特色人才培养目标。
参考文献
[1]许烽.课程思政背景下高校生物制药工艺学教育探索[J].中国医药工业杂志，2021，52（09）：1264.