郝曉冉 邴 杰 陳金波 向本瓊 郝俊冉

（1北京師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心 北京 100875 2北京市八一學(xué)校 北京 100080）

國際遺傳工程機器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM），簡稱iGEM 競 賽 ，http：//igem.org/Main_Page 為 iGEM 競賽的官網(wǎng)，是一年一度的世界性合成生物學(xué)學(xué)術(shù)競賽。2003年由美國麻省理工學(xué)院創(chuàng)辦，2005年發(fā)展為國際賽事，旨在通過利用標(biāo)準(zhǔn)的可替換部件 （standard biological parts，也 稱 為 BioBricks）建立基因工程生物系統(tǒng)，解決現(xiàn)實生活中遇到的難題和挑戰(zhàn)。研究方向涉及能源、環(huán)境、營養(yǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療、通信、工業(yè)、新應(yīng)用等多個方面，直接搭建起了基礎(chǔ)生物學(xué)研究和生產(chǎn)生活實踐之間的橋梁，所以同時受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注，以及 Nature［1］、Science［2］等 頂級 學(xué)術(shù) 期刊及 BBC 等著名媒體的關(guān)注及專題報道。自創(chuàng)辦以來，參賽團隊的數(shù)量逐年增長，參賽人群也由大學(xué)本科生擴展到研究生和高中生。由于其特有的趣味性和實際應(yīng)用性，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前iGEM競賽已成為最具影響力的世界級大學(xué)生學(xué)術(shù)競賽之一，吸引了包括哈佛大學(xué)［3］、牛津大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、劍橋大學(xué)等多所世界著名高校的年輕人踴躍參加。2016年有來自全球42個國家和地區(qū)的300個團隊參賽。

1 iGEM競賽的流程

每年iGEM競賽的時間軸不同。一般而言12月至次年1月為隊伍形成時間，包括：獲得學(xué)院批準(zhǔn)、宣傳并招募隊員、獲得資助、頭腦風(fēng)暴設(shè)計題目。2月初至3月末，隊伍在官網(wǎng)注冊；注冊成功后，iGEM主辦方會在4月份給各個隊伍郵寄DNA distribution Kit。5月至8月，項目的主要工作在實驗室進(jìn)行，在此期間，隊伍還要進(jìn)行區(qū)域性會議交流，社會拓展調(diào)查，總結(jié)項目進(jìn)展并以Wiki的形式展示。9月，隊員總結(jié)項目結(jié)果、口語展示、海報、提交新的DNA模塊等，為參加最終的Giant Jamboree做準(zhǔn)備；10月，所有參賽隊伍參加Giant Jamboree并展示、分享隊伍的努力成果。因此，iGEM競賽的準(zhǔn)備時間主要集中在夏季。在這段時間內(nèi)，每個iGEM團隊自主設(shè)計、建立并檢測研究項目。

2 iGEM競賽的內(nèi)容

具體到每個項目，主要分為4個模塊：1）實驗部分，要求隊員自主設(shè)計參賽題目及實驗流程，并通過實驗對相關(guān)的理論設(shè)想進(jìn)行實踐，在實驗過程中通過與其他參賽隊伍交流不斷完善相關(guān)項目。該過程鍛煉了學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研能力、創(chuàng)新和邏輯思維能力，學(xué)習(xí)并熟練掌握一些基本實驗技能，同時增進(jìn)了學(xué)生的語言表達(dá)和學(xué)術(shù)交流能力。為保證項目的科學(xué)性及按時完成，要求每支隊伍要有2個學(xué)術(shù)導(dǎo)師全程參與，此外鼓勵研究生或者相關(guān)學(xué)科教授作為顧問，以協(xié)助隊伍順利完成整個項目。2）Human practices，是iGEM項目發(fā)展的關(guān)鍵組成部分。號召每個團隊建立應(yīng)包含生物學(xué)家、化學(xué)家、物理學(xué)家、工程師、計算機科學(xué)家等跨領(lǐng)域?qū)＜覉F隊，并對這些不同領(lǐng)域?qū)＜姨岢鲋T如“合成生物學(xué)可以在本領(lǐng)域發(fā)揮哪些新的作用”等問題。參賽隊伍在進(jìn)行項目構(gòu)思及實驗的同時還要進(jìn)行市場調(diào)查及相關(guān)政策法規(guī)的咨詢，這個過程真正地將教材及學(xué)校里學(xué)到的理論知識拿到社會上驗證，檢測并評估實驗室基礎(chǔ)研究與社會需求之間的距離，即所做的題目和內(nèi)容對普通民眾有什么意義，如何能夠?qū)Υ蠖鄶?shù)人的生活有哪怕最微小的改變，使學(xué)生覺得學(xué)有所用，并學(xué)以致用。在這個過程中，隊員還要進(jìn)行項目的初步宣傳活動，一方面擴大項目的影響力，另一方面也評估社會和普通民眾對項目的接受程度，同時培育iGEM競賽的新生力量。3）美工和Wiki部分，在隊伍宣傳、實踐、交流及參賽的各個環(huán)節(jié)都有體現(xiàn)，涉及到項目logo、隊服、旗幟、海報、網(wǎng)頁及參賽PPT等方面。其中Wiki是iGEM競賽中很重要的一個部分，它可以向全世界其他隊伍詳細(xì)地介紹項目，展示隊員風(fēng)采，更重要的是，Wiki可以長期保存。4）數(shù)據(jù)建模，既然稱之為合成生物學(xué)，自然需要控制開關(guān)，例如：需要通過特定的數(shù)學(xué)模型控制相應(yīng)功能蛋白的表達(dá)，從而控制相關(guān)菌種的生長和死亡。雖然競賽看起來更像生物學(xué)或者工程學(xué)項目，但是實際上還需要諸如計算機科學(xué)、藝術(shù)設(shè)計、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、市場營銷學(xué)、社會科學(xué)等多種學(xué)科的隊員共同參與完成這個項目。

3 iGEM競賽的賽制及獲獎條件

每一年度的iGEM競賽，組委會都會在官網(wǎng)上公布最新的評估手冊（Judging Handbook），方便隊伍在項目進(jìn)行過程中進(jìn)行自我評估，也是評委進(jìn)行評獎的依據(jù)。手冊會結(jié)合具體的項目詳細(xì)地說明獲得金、銀、銅獎及各單項獎的條件。每年的Judging Handbook在得獎的條件上都會有一定的改變，如果要想在比賽中取得令人滿意的成績，對每年最新的Judging Handbook進(jìn)行詳細(xì)的解讀是非常必要的。以2014年比賽為例，隊伍需要完成下列內(nèi)容才能獲得銅牌：1）注冊；2）完成Judging form；3）有隊伍 Wiki和海報；在 Jamboree上介紹項目；4）至少提交了1個新的注釋良好的標(biāo)準(zhǔn)組件（BioBrick Part or Device），或者是對以前組件的新應(yīng)用和增加了定量化的功能注釋。在銅牌條件之外，如果滿足以下條件就可以獲得銀牌：提供數(shù)據(jù)證明團隊構(gòu)建的新組件或項目確實按照預(yù)期工作，測定了至少1個新組件的功能特點并提交到Part/Device Registry系統(tǒng)中。在銀牌條件之外，如果滿足下列條件之一，就可以獲得金牌：①提高1個已存在組件的性能；②幫助另一支iGEM團隊，例如幫助測定部件性能、建立數(shù)學(xué)模型、修正部件等；③提出1種新的有關(guān)生物安全、倫理、推廣或創(chuàng)新的政策與實踐方式。針對上一年比賽情況，官方每年都會對各種獎牌的要求進(jìn)行一些調(diào)整，總的來說，金牌的要求越來越高，越來越具體和嚴(yán)格。與2014年相比，2016年金牌獲得者新增的要求包括：1）隊伍組成必須有 Secondary PI；2）隊伍Wiki必須有單獨頁面描述各隊員（包括學(xué)術(shù)導(dǎo)師和顧問）的具體分工及貢獻(xiàn)；3）實驗驗證構(gòu)建的模塊至少2個能按照預(yù)想設(shè)計進(jìn)行工作，并在iGEM官網(wǎng)中的iGEM Parts Registry進(jìn)行注冊；4）Human practices部分需要圍繞自身的項目進(jìn)行一系列的社會實踐活動，內(nèi)容要具體、有現(xiàn)實意義、有說服力；5）拓展隊伍的Human practices，并證明其如何更好地契合項目本身的設(shè)計和意義；6）設(shè)計的整個裝置是按照預(yù)想工作的，單獨的組件不能稱為device，即驗證許多組件構(gòu)成的系統(tǒng)可以工作；7）對項目進(jìn)行評估，驗證其在真實環(huán)境中可以工作。

4 中國iGEM競賽的參賽情況

為了提升高等教育質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，推動學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，并進(jìn)一步推動大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新，我國國務(wù)院和教育部分別出臺了深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革相關(guān)文件。iGEM競賽秉承誠信（integrity）、良好的競技精神（good sportsmanship）、尊重（respect）、誠實（honesty）、頌揚（celebration）、協(xié)作（cooperation）、努力（effort）和優(yōu)秀（excellence）的價值理念非常符合我國現(xiàn)行的深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的精髓，很多一流大學(xué)將參加本項賽事作為教學(xué)改革的重要引擎，努力將生物學(xué)傳統(tǒng)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)向以創(chuàng)新科研項目為主導(dǎo)的綜合能力的培養(yǎng)，有助于營造高水平的學(xué)術(shù)氛圍，以及推進(jìn)本科生實踐教學(xué)改革工作。2006年iGEM競賽正式登陸中國內(nèi)地，北京大學(xué)、清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、南開大學(xué)、天津大學(xué)、中國科技大學(xué)等著名高校陸續(xù)組隊參賽。截至2016年，包括臺灣地區(qū)在內(nèi)的中國參賽團隊達(dá)到70個，除著名高校組隊參賽外，還有北京師范大學(xué)附屬實驗中學(xué)、北京市十一學(xué)校、南京外國語學(xué)校、深圳中學(xué)、深圳外國語學(xué)校、遼寧省實驗中學(xué)、濟南外國語學(xué)校、廣東實驗中學(xué)等11所中學(xué)組隊參賽。

5 北京師范大學(xué)iGEM團隊的發(fā)展情況

北京師范大學(xué) iGEM代表隊BNU－China于2014年3月首次組隊，于當(dāng)?shù)貢r間2014年10月30日—11月5日在波士頓海因斯會議中心參加世界總決賽Giant Jamboree。與來自32個國家和地區(qū)的245支隊伍同場競技，最終以高水平的團隊實力、高水平的競技發(fā)揮，獲得金牌。2014年參賽項目的構(gòu)思來源于社會調(diào)研，學(xué)生發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)化肥具有使用效率低、污染土壤的缺點，因此希望利用大腸桿菌的驅(qū)動性，通過改造能夠?qū)崿F(xiàn)定向給植物根系提供大量固氮酶的核心離子鉬以增加植物的固氮作用，為避免環(huán)境污染，改造菌種完成任務(wù)后就啟動自殺機制，以希臘神話中的普羅米修斯比擬工程菌。北京師范大學(xué)第2屆BNU－China團隊以防治農(nóng)業(yè)害蟲——線蟲為切入點，結(jié)合線蟲的特性，設(shè)計線蟲誘殺開關(guān)機制。首先利用大腸桿菌表達(dá)線蟲吸引性物質(zhì)檸檬烯（limonene），然后構(gòu)建另外一株大腸桿菌工程菌株表達(dá)線蟲特異性的毒蛋白（rMpL與bace16），達(dá)到吸引并特異性殺害線蟲的目的。團隊還設(shè)計了光誘導(dǎo)雙向轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)調(diào)節(jié)并控制吸引物和毒蛋白的表達(dá)，獲得2015年iGEM競賽銀牌。北京師范大學(xué)第3屆BNUChina團隊致力于做出一個高通量篩選抗癌藥物——微管穩(wěn)定類藥物的平臺。通過改造大腸桿菌，使其能生產(chǎn)人源的β－微管蛋白，以及分別與黃色熒光蛋白（YFP）的N端或C端融合表達(dá)α－微管蛋白。將產(chǎn)出的3種微管蛋白以一定比例混合，加入待檢樣品并在一定條件下孵育，即可通過檢測有無熒光判斷待檢樣品有無穩(wěn)定微管效果，并可通過熒光強度判斷樣品中微管穩(wěn)定類藥物的含量，再次獲得2016年iGEM競賽的金牌。

iGEM競賽充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和能動性，不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)到新的實驗技能，增強了團隊合作意識和能力，提高樂于分享、樂于助人能力，最重要的是帶領(lǐng)學(xué)生將書本知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，有助于本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技能發(fā)展，激發(fā)學(xué)生對生物學(xué)研究的興趣。受到iGEM項目的啟發(fā)，第1屆BNU－China隊長王宣畢業(yè)后加入北大清華參賽團隊的骨干隊員創(chuàng)業(yè)團隊，其他骨干隊員分別保送研究生繼續(xù)進(jìn)行科研工作。第2屆BNUChina隊長代園祎被評選為“十佳大學(xué)生”。她說：“雖然我現(xiàn)在的研究方向與合成生物學(xué)沒有相關(guān)性，但是iGEM訓(xùn)練大大提高了解決問題的能力，能夠很快進(jìn)入研究生科研狀態(tài)。”正是由于iGEM的經(jīng)歷，第3屆BNU－China隊員田野申請到去耶魯醫(yī)學(xué)院Aaron Ring Michael實驗室交流的機會。BNU－China受到越來越多學(xué)生的關(guān)注，2017年iGEM團隊有100多名學(xué)生報名，從大一新生到研究生，年級幅度跨度越來越大，院系范圍也越來越大。包括信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、心理學(xué)院、地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院、化學(xué)學(xué)院等兄弟學(xué)院學(xué)生都積極報名參加。

鑒于iGEM團隊所取得的成效及對人才培養(yǎng)所起到的重要作用，為保障iGEM項目的長久發(fā)展，北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院提供了相應(yīng)的保障性條件支撐，主要包括專項經(jīng)費用于該項目進(jìn)行及比賽、配備專門的科研創(chuàng)新實驗室、幾十種專業(yè)儀器設(shè)備及最新合成生物學(xué)相關(guān)書籍。未來學(xué)院也將iGEM競賽作為一項校級公共課長期開展下去，同時也希望能將某個或者某幾個項目長期做下去，最終實現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化或者發(fā)表高水平文章，并進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)校交叉學(xué)科的發(fā)展，為本科生實踐教學(xué)改革的實施貢獻(xiàn)力量。

［1]Smolke C D.Building outside of the box：iGEM and the Bio－Bricks Foundation.Nature Biotechnology，2009，27(12)：1099.

［2]Vinson V.Inventive constructions using biobricks.Science，2010，330(6011)：1629.

［3]Boyle P M，Burrill D R，Inniss M C，et al.A BioBrick compatible strategy for genetic modification of plants.Journal of Biological Engineering.2012，8(3)：311.