大学生自主创新能力培养——国际遗传工程机器大赛简介

郝晓冉 邴 杰 陈金波 向本琼 郝俊冉

（1北京师范大学生命科学与技术国家级实验教学示范中心 北京 100875 2北京市八一学校 北京 100080）

国际遗传工程机器大赛（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM），简称iGEM 竞 赛 ，http：//igem.org/Main_Page 为 iGEM 竞赛的官网，是一年一度的世界性合成生物学学术竞赛。2003年由美国麻省理工学院创办，2005年发展为国际赛事，旨在通过利用标准的可替换部件 （standard biological parts，也 称 为 BioBricks）建立基因工程生物系统，解决现实生活中遇到的难题和挑战。研究方向涉及能源、环境、营养、基础设施、医疗、通信、工业、新应用等多个方面，直接搭建起了基础生物学研究和生产生活实践之间的桥梁，所以同时受到了学术界和工业界的关注，以及 Nature［1］、Science［2］等 顶级 学术 期刊及 BBC 等著名媒体的关注及专题报道。自创办以来，参赛团队的数量逐年增长，参赛人群也由大学本科生扩展到研究生和高中生。由于其特有的趣味性和实际应用性，经过十几年的发展，目前iGEM竞赛已成为最具影响力的世界级大学生学术竞赛之一，吸引了包括哈佛大学［3］、牛津大学、普林斯顿大学、加州大学伯克利分校、剑桥大学等多所世界著名高校的年轻人踊跃参加。2016年有来自全球42个国家和地区的300个团队参赛。

1 iGEM竞赛的流程

每年iGEM竞赛的时间轴不同。一般而言12月至次年1月为队伍形成时间，包括：获得学院批准、宣传并招募队员、获得资助、头脑风暴设计题目。2月初至3月末，队伍在官网注册；注册成功后，iGEM主办方会在4月份给各个队伍邮寄DNA distribution Kit。5月至8月，项目的主要工作在实验室进行，在此期间，队伍还要进行区域性会议交流，社会拓展调查，总结项目进展并以Wiki的形式展示。9月，队员总结项目结果、口语展示、海报、提交新的DNA模块等，为参加最终的Giant Jamboree做准备；10月，所有参赛队伍参加Giant Jamboree并展示、分享队伍的努力成果。因此，iGEM竞赛的准备时间主要集中在夏季。在这段时间内，每个iGEM团队自主设计、建立并检测研究项目。

2 iGEM竞赛的内容

具体到每个项目，主要分为4个模块：1）实验部分，要求队员自主设计参赛题目及实验流程，并通过实验对相关的理论设想进行实践，在实验过程中通过与其他参赛队伍交流不断完善相关项目。该过程锻炼了学生的文献调研能力、创新和逻辑思维能力，学习并熟练掌握一些基本实验技能，同时增进了学生的语言表达和学术交流能力。为保证项目的科学性及按时完成，要求每支队伍要有2个学术导师全程参与，此外鼓励研究生或者相关学科教授作为顾问，以协助队伍顺利完成整个项目。2）Human practices，是iGEM项目发展的关键组成部分。号召每个团队建立应包含生物学家、化学家、物理学家、工程师、计算机科学家等跨领域专家团队，并对这些不同领域专家提出诸如“合成生物学可以在本领域发挥哪些新的作用”等问题。参赛队伍在进行项目构思及实验的同时还要进行市场调查及相关政策法规的咨询，这个过程真正地将教材及学校里学到的理论知识拿到社会上验证，检测并评估实验室基础研究与社会需求之间的距离，即所做的题目和内容对普通民众有什么意义，如何能够对大多数人的生活有哪怕最微小的改变，使学生觉得学有所用，并学以致用。在这个过程中，队员还要进行项目的初步宣传活动，一方面扩大项目的影响力，另一方面也评估社会和普通民众对项目的接受程度，同时培育iGEM竞赛的新生力量。3）美工和Wiki部分，在队伍宣传、实践、交流及参赛的各个环节都有体现，涉及到项目logo、队服、旗帜、海报、网页及参赛PPT等方面。其中Wiki是iGEM竞赛中很重要的一个部分，它可以向全世界其他队伍详细地介绍项目，展示队员风采，更重要的是，Wiki可以长期保存。4）数据建模，既然称之为合成生物学，自然需要控制开关，例如：需要通过特定的数学模型控制相应功能蛋白的表达，从而控制相关菌种的生长和死亡。虽然竞赛看起来更像生物学或者工程学项目，但是实际上还需要诸如计算机科学、艺术设计、物理学、数学、市场营销学、社会科学等多种学科的队员共同参与完成这个项目。

3 iGEM竞赛的赛制及获奖条件

每一年度的iGEM竞赛，组委会都会在官网上公布最新的评估手册（Judging Handbook），方便队伍在项目进行过程中进行自我评估，也是评委进行评奖的依据。手册会结合具体的项目详细地说明获得金、银、铜奖及各单项奖的条件。每年的Judging Handbook在得奖的条件上都会有一定的改变，如果要想在比赛中取得令人满意的成绩，对每年最新的Judging Handbook进行详细的解读是非常必要的。以2014年比赛为例，队伍需要完成下列内容才能获得铜牌：1）注册；2）完成Judging form；3）有队伍 Wiki和海报；在 Jamboree上介绍项目；4）至少提交了1个新的注释良好的标准组件（BioBrick Part or Device），或者是对以前组件的新应用和增加了定量化的功能注释。在铜牌条件之外，如果满足以下条件就可以获得银牌：提供数据证明团队构建的新组件或项目确实按照预期工作，测定了至少1个新组件的功能特点并提交到Part/Device Registry系统中。在银牌条件之外，如果满足下列条件之一，就可以获得金牌：①提高1个已存在组件的性能；②帮助另一支iGEM团队，例如帮助测定部件性能、建立数学模型、修正部件等；③提出1种新的有关生物安全、伦理、推广或创新的政策与实践方式。针对上一年比赛情况，官方每年都会对各种奖牌的要求进行一些调整，总的来说，金牌的要求越来越高，越来越具体和严格。与2014年相比，2016年金牌获得者新增的要求包括：1）队伍组成必须有 Secondary PI；2）队伍Wiki必须有单独页面描述各队员（包括学术导师和顾问）的具体分工及贡献；3）实验验证构建的模块至少2个能按照预想设计进行工作，并在iGEM官网中的iGEM Parts Registry进行注册；4）Human practices部分需要围绕自身的项目进行一系列的社会实践活动，内容要具体、有现实意义、有说服力；5）拓展队伍的Human practices，并证明其如何更好地契合项目本身的设计和意义；6）设计的整个装置是按照预想工作的，单独的组件不能称为device，即验证许多组件构成的系统可以工作；7）对项目进行评估，验证其在真实环境中可以工作。

4 中国iGEM竞赛的参赛情况

为了提升高等教育质量，促进学生全面发展，推动学生创新创业，并进一步推动大众创业、万众创新，我国国务院和教育部分别出台了深化高校创新创业教育改革相关文件。iGEM竞赛秉承诚信（integrity）、良好的竞技精神（good sportsmanship）、尊重（respect）、诚实（honesty）、颂扬（celebration）、协作（cooperation）、努力（effort）和优秀（excellence）的价值理念非常符合我国现行的深化高校创新创业教育改革的精髓，很多一流大学将参加本项赛事作为教学改革的重要引擎，努力将生物学传统课堂教学转向以创新科研项目为主导的综合能力的培养，有助于营造高水平的学术氛围，以及推进本科生实践教学改革工作。2006年iGEM竞赛正式登陆中国内地，北京大学、清华大学、北京师范大学、复旦大学、上海交通大学、南开大学、天津大学、中国科技大学等著名高校陆续组队参赛。截至2016年，包括台湾地区在内的中国参赛团队达到70个，除著名高校组队参赛外，还有北京师范大学附属实验中学、北京市十一学校、南京外国语学校、深圳中学、深圳外国语学校、辽宁省实验中学、济南外国语学校、广东实验中学等11所中学组队参赛。

5 北京师范大学iGEM团队的发展情况

北京师范大学 iGEM代表队BNU－China于2014年3月首次组队，于当地时间2014年10月30日—11月5日在波士顿海因斯会议中心参加世界总决赛Giant Jamboree。与来自32个国家和地区的245支队伍同场竞技，最终以高水平的团队实力、高水平的竞技发挥，获得金牌。2014年参赛项目的构思来源于社会调研，学生发现传统化肥具有使用效率低、污染土壤的缺点，因此希望利用大肠杆菌的驱动性，通过改造能够实现定向给植物根系提供大量固氮酶的核心离子钼以增加植物的固氮作用，为避免环境污染，改造菌种完成任务后就启动自杀机制，以希腊神话中的普罗米修斯比拟工程菌。北京师范大学第2届BNU－China团队以防治农业害虫——线虫为切入点，结合线虫的特性，设计线虫诱杀开关机制。首先利用大肠杆菌表达线虫吸引性物质柠檬烯（limonene），然后构建另外一株大肠杆菌工程菌株表达线虫特异性的毒蛋白（rMpL与bace16），达到吸引并特异性杀害线虫的目的。团队还设计了光诱导双向转录系统调节并控制吸引物和毒蛋白的表达，获得2015年iGEM竞赛银牌。北京师范大学第3届BNUChina团队致力于做出一个高通量筛选抗癌药物——微管稳定类药物的平台。通过改造大肠杆菌，使其能生产人源的β－微管蛋白，以及分别与黄色荧光蛋白（YFP）的N端或C端融合表达α－微管蛋白。将产出的3种微管蛋白以一定比例混合，加入待检样品并在一定条件下孵育，即可通过检测有无荧光判断待检样品有无稳定微管效果，并可通过荧光强度判断样品中微管稳定类药物的含量，再次获得2016年iGEM竞赛的金牌。

iGEM竞赛充分调动了学生学习的自主性和能动性，不仅使学生学习到新的实验技能，增强了团队合作意识和能力，提高乐于分享、乐于助人能力，最重要的是带领学生将书本知识与实际应用相结合，有助于本科生创新创业技能发展，激发学生对生物学研究的兴趣。受到iGEM项目的启发，第1届BNU－China队长王宣毕业后加入北大清华参赛团队的骨干队员创业团队，其他骨干队员分别保送研究生继续进行科研工作。第2届BNUChina队长代园祎被评选为“十佳大学生”。她说：“虽然我现在的研究方向与合成生物学没有相关性，但是iGEM训练大大提高了解决问题的能力，能够很快进入研究生科研状态。”正是由于iGEM的经历，第3届BNU－China队员田野申请到去耶鲁医学院Aaron Ring Michael实验室交流的机会。BNU－China受到越来越多学生的关注，2017年iGEM团队有100多名学生报名，从大一新生到研究生，年级幅度跨度越来越大，院系范围也越来越大。包括信息科学与技术学院、心理学院、地理学与遥感科学学院、化学学院等兄弟学院学生都积极报名参加。

鉴于iGEM团队所取得的成效及对人才培养所起到的重要作用，为保障iGEM项目的长久发展，北京师范大学生命科学学院提供了相应的保障性条件支撑，主要包括专项经费用于该项目进行及比赛、配备专门的科研创新实验室、几十种专业仪器设备及最新合成生物学相关书籍。未来学院也将iGEM竞赛作为一项校级公共课长期开展下去，同时也希望能将某个或者某几个项目长期做下去，最终实现科技成果转化或者发表高水平文章，并进一步促进学校交叉学科的发展，为本科生实践教学改革的实施贡献力量。

［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.