国际基因工程机器大赛在中国

赵霞，卢曙光，王竞，胡晓梅，饶贤才，胡启文



国际基因工程机器大赛在中国

赵霞，卢曙光，王竞，胡晓梅，饶贤才，胡启文

陆军军医大学基础医学院微生物学教研室，重庆 400038

赵霞, 卢曙光, 王竞, 等. 国际基因工程机器大赛在中国. 生物工程学报, 2018, 34(12): 1915–1922.Zhao X, Lu SG, Wang J, et al. Development of international genetically engineered machine competition in China. Chin J Biotech, 2018, 34(12): 1915–1922.

合成生物学是一门新兴的交叉学科，为培养合成生物学后备人才，国际基因工程机器（iGEM）大赛应运而生。2007年中国首次有5支队伍参加iGEM大赛，至今已经有11年的历史。然而，目前尚无全面总结中国iGEM队伍的相关文献。文中全面梳理和总结了iGEM大赛在中国的发展历程，包括参赛队伍的数量、地理分布、竞赛成绩、中国iGEM社群CCiC的发展情况，以及iGEM大赛对中国高等教育的促进和借鉴作用，并深度思考了iGEM大赛在中国的发展前景，提出了发展建议。随着我国高等教育“双一流”战略的实施，iGEM大赛在我国的发展具有光明的前景，可为培养新一代科学家作出更大的贡献。

合成生物学，国际基因工程机器大赛，中国iGEM社群

合成生物学是一门新兴的交叉学科，也是一种颠覆性技术，近年来发展迅速，在人类健康、环境治理、生物制造等领域均展现出强大的生命力[3]。作为世界头号强国，美国一直坚持用科教融合的理念培养创新人才，用强大的科研促进教学和人才培养。通过开放式的竞赛来全方位地培养人才是其中一个重要举措。为了培养合成生物学的后备人才，美国麻省理工学院从2003年开始创办iGEM大赛，2005年将其发展为国际性的赛事[4-5]。2007年中国首次有5支代表队参赛，这5支队伍是天津大学、清华大学、北京大学、中国科学技术大学和阳明大学。随后，iGEM大赛这样一种新型的教育训练模式在中国得到迅速推广[6]。在过去的11年间，中国的参赛队伍数量稳步增长。从2015年起，中国队伍的数量已经超过美国，是全球第一大参赛国(图1)。

iGEM大赛有力地促进了中国高校将科学 研究与本科生培养有机融合。一方面iGEM大赛 为本科生提供了全方位的科研能力训练，这些训练为学生日后在国内外的继续深造奠定了良好的基础[7]。另一方面iGEM大赛对团队协作、头脑风暴、数学建模、网页制作、对外交流、社会活动的全方位训练，也有助于学生综合能力的全面提升[8-9]。

iGEM大赛的总决赛一般在每年的10月末或11月初进行，其竞赛内容全面，备赛时间长。根据郝晓冉等的总结[10]，综合我们对北京大学、南京大学、四川大学、电子科技大学、国防科技大学等高校的调研并结合我校实际经验，通常从比赛上一年的12月份开始组建队伍，需要对参赛学生进行合成生物学理论知识培训，并通过对往届参赛课题和大量文献的调研，经多次头脑风暴后，在比赛当年的5月份左右确定研究课题。3月份进行队伍注册后，一般在5月份收到iGEM官方邮寄的DNA Distribution Kit，随后参赛同学在实验室学习和掌握基本的实验技术，根据课题需要完成多方面的实验内容。同时与建模组的同学密切配合，不断反复进行设计-测试-优化-重新设计等流程，取得扎实的实验数据和漂亮的数学建模结果。在核心项目实施的过程中，参赛队员还需要进行广泛的社会活动，包括征集课题的公众反应、听取专家意见、考量项目的生物安全等，与其他参赛代表队的合作也是比赛内容之一。完成这些实验、数学建模、社会活动等参赛内容后，一般还需要在9月份制作网页，将全部参赛内容以通俗易懂的形式在网上公开展示。在最终的iGEM大赛总决赛中，参赛同学需要进行20 min的全英文答辩和持续整个比赛期间的现场海报交流。综上可见，通过参与iGEM大赛，同学们可以受到全方位的训练，其国内外的交流平台也有助于开拓师生的视野、增强自信心[8-9]。

文中全面综述了11年来中国参加iGEM大赛的多项数据和经验教训，以期为我国高等教育进一步改革发展提供有益的借鉴和参考。

1 中国队伍的数量和地理分布

1.1 参加iGEM大赛的中国队伍数量统计和分析

在iGEM大赛的队伍注册中，将中国内地、中国香港特别行政区和中国台湾进行了分组。我们在统计时，将这3个部分的数据进行了合并。为进行比较分析，我们也同时统计了美国队伍的数量。iGEM大赛在向亚洲地区推广的时候，实际上只有中国进行了最为积极的响应。由于体量巨大，参加iGEM大赛的中国队伍数量迅速增长。作为iGEM大赛的发源地，2005–2014年，美国的参赛队伍数量一直位居全球第一。然而，从2015年起，中国超过美国成为iGEM大赛参赛队伍数量最多的国家(图1)。

图1 2005年–2017年参加iGEM大赛的全世界队伍、中国和美国队伍总数

比较了中国内地、中国香港特别行政区和中国台湾的队伍数量，发现中国香港和中国台湾的队伍数量仅有小幅增加，而中国内地的队伍数量增长快速(图2)。这主要源于中国内地的高校和国际高中数量巨大，而中国香港和中国台湾的高校和国际高中数量有限，参赛队伍数量进一步增加的空间有限。此外，由于iGEM大赛的参赛费用相对高昂，限制了大部分二本院校的加入。我们预见，在未来的十年，参加iGEM大赛的中国队伍总数将会进一步增加，但是仍以现阶段的核心队伍为主流。

iGEM大赛在设计上，将高中生队伍(High School)、高校队伍(Collegiate)和社区队伍(Community Lab)都容纳进来。2011年，全球首次有高中生队伍参加iGEM大赛；中国则在2013年首次有4支高中生队伍参加。随着中国经济的发展，一部分高中生选择到欧美地区接受本科教育。iGEM大赛作为一个综合性的比赛，直接或间接在欧美高校的入学考察中起到一定的作用，且不同留学需求的高中生能够从iGEM比赛中得到相应的训练和课外活动经验，因此极大地激发了高中生的参赛意愿。经统计发现近年来参加iGEM大赛的高中生队伍增长迅速(图3)。我国一线城市丰富的教育资源和高中生出国接受本科教育意愿的发展可能进一步提升高中生队伍的参赛数量。

图2 2007年–2017年参加iGEM大赛的中国内地、中国香港特别行政区和中国台湾的队伍总数

图3 2007–2017年参加iGEM大赛的中国高中生队伍和大学生队伍数量

表1 参加iGEM大赛的中国队伍的地理分布统计

1.2 参加iGEM大赛的中国队伍的地理分布

我国的高等教育资源分布极不均衡，合成生物学相关的科研资源分布也极不均衡。我们将参加iGEM大赛的中国高校队伍(未包括高中生队伍)的高校数量和参加次数进行了地理分布的分析，结果表明参加iGEM大赛的大学数量及总次数的分布与我国高等教育资源中重点大学的分布具有高度的重合性(表1)。我们根据历年参加iGEM大赛的总次数粗略将各省市分为4个梯队。其中，北京、上海、广东、中国台湾是第一梯队，参加的总次数在30次至57次。天津、江苏、安徽、福建、湖北、四川和中国香港是第二梯队，参加的总次数为10–29次。黑龙江、吉林、辽宁、山东、浙江、湖南、重庆、陕西、甘肃是第三梯队，参加的总次数为1–10次。河北、河南、江西、广西、贵州、云南、山西、内蒙古、宁夏、青海、西藏、新疆、海南、中国澳门14个省份、自治区及特别行政区是第四梯队，没有大学生队伍参加iGEM大赛，这些地区没有一所教育部直属院校。随着教育部启动了14所“省部共建”院校的建设，将来来自上述地区的河北大学、山西大学、内蒙古大学、南昌大学、郑州大学、广西大学、海南大学、贵州大学、云南大学、西藏大学、青海大学、宁夏大学、新疆大学、石河子大学可能会有队伍参赛。

2 中国队伍参加iGEM大赛的成绩

2.1 中国队伍参加iGEM大赛获金、银、铜奖的数量和金奖比例分析

iGEM大赛的竞赛规则一直在进行动态调整，但金、银、铜奖是iGEM大赛固定的基础奖项。我们统计和汇总了中国和全球队伍历年获得金银铜奖的数量和比例，并计算了历年获得金奖的比例(图4)。2007–2017年，全球队伍获金银铜奖的比例分别为41%、18%、24%；而中国队伍获金银铜奖的比例分别为47%、24%、17%。中国队伍获金银奖的比例超过全球。此外，在多数年份中国队伍获金奖的比例也超过全球的比例(2008年、2010年、2014年除外)。这些数据说明中国队伍在iGEM大赛中取得了较好的参赛成绩，展现了中国学子的风采。

2.2 中国队伍进入iGEM大赛Finalist及获得最终名次的情况统计

iGEM大赛除了设置金、银、铜奖外，还有小组提名或最佳奖项，单项提名或最佳奖项。在这些奖项的基础上，最终产生进入Finalist的队伍名单。其中，2007年、2013–2017年进入Finalist的队伍数量为6支。而2008–2012年进入Finalist的队伍数量为3支。2007–2017年共有51支队伍进入Finalist。进入Finalist的队伍能够在总决赛的颁奖典礼之前再次进行项目展示，具有极高的荣誉价值，并最终由所有评委投票决定先后名次。进入Finalist对参赛队伍和参赛队员具有极大的吸引力，吸引着无数队伍为之奋斗。中国进入Finalist的队伍数量为10支(表2)，占全球进入Finalist队伍数量(51支)的比例约为19%。其中，北京大学取得了2007年本科生组别的全球第一(Grand prize)。2015–2017年共有3支高中生队伍进入Finalist，而这3支高中生队伍全部来自我国台湾，体现了我国台湾高中生队伍的强大实力。

图4 中国队伍参加iGEM大赛的竞赛成绩分析

表2 中国队伍进入Finalist及最终名次情况统计

3 中国iGEM社群CCiC的发展历程

iGEM大赛的竞赛规则要求各参赛队伍之间开展广泛的合作，因此各iGEM参赛队伍一般会与几支队伍建立合作关系。在这样的背景下，区域性的队伍联盟自发地成立发展起来。为了促进全国队伍之间的交流，2014年华中农业大学组织了第一届CCiC活动[11]，当时的CCiC是Central China iGEMers’ Consortium的缩写，一共有15支队伍参加。2015年第二届CCiC由北京大学举办，有34支队伍参加。2016年第三届CCiC在中山大学举办，有28支队伍参加。这三届CCiC主要进行队伍项目展示和海报交流等活动。

经过前三届的探索，2017年一些热心的新老iGEM参赛队员成立了CCiC顾问团和执委会。2017年在福建农林大学举办的第四届CCiC在组织形式上进行了全面改革。邀请了iGEM官方的Head Quarter成员和资深评委King L. Chow教授与Kenneth A. Oye教授出席，并设置了面对面环节，促进了中国地区iGEM参赛队员与iGEM官方的直接交流。邀请了有iGEM参赛经历的青年学者与会作科学报告。邀请了合成生物学创业公司负责人介绍产业发展现状及前景等。为促进队伍间的深入交流，第四届CCiC增加了“沙龙”和“会场座谈”(Panel session)等环节。此外，在本届CCiC上还设置了群体感应系统、光遗传学、定向进化、外泌体等专题交流。第四届CCiC的参赛队伍数量达到了44支。

2018年的CCiC再一次做出革新，通过“申请- 投票制”的方式最终选定在上海科技大学举办，一共有62支队伍参加。在本次会议上，邀请了合成生物学领域的7位杰出科学家如赵国屏院士、戴俊彪教授等作科学报告，还邀请到iGEM组委会首席运营官Meagan Lizarazo女士和iGEM官方指导委员会的Richard Johnson与会与大家面对面交流。iGEM亚太地区大使陈红介绍了iGEM官方After-iGEM项目(https://after.igem.org)。会议还组织了经验分享和问题聚焦等环节，从而有利于新队伍和新队员更快地学习成长。此外，CCiC执委会还公布了CCiC的官方网站(http://bbs.igemccic. com/portal.php)，有利于中国地区的iGEM参赛队员更加方便地寻找相关信息。随着After-iGEM等官方项目的推动以及CCiC的不断进化，我国iGEM社群有望进入一个新的发展阶段。

4 iGEM大赛对我国高等教育的促进和借鉴作用

除了积极参加iGEM大赛，中国科学技术大学、浙江大学、华中农业大学、陆军军医大学、上海交通大学、北京师范大学等高校也积极总结了相关参赛经验[7,10-14]。综合这些参赛经验，我们发现中国内地竞赛成绩较好的队伍，普遍建立了以学生为中心的竞教研学一体的创新人才培养模式。该模式一般由4个体系构成：一是合成生物学课程及理论学习的教学体系；二是合成生物学创新实验室等实践训练体系；三是有利于团队建设及队伍传承的学生社团或俱乐部；四是整合多种资源的经费资助体系。以iGEM大赛为引领的、以学生为中心的竞教研学一体的创新人才培养模式具有多方面的先进性，有利于培养学生的专业能力、综合能力、交流能力、团队协作能力等[11]。iGEM大赛在培养创新人才上卓有成效，以浙江大学为例，2010年和2011年的部 分参赛队员均顺利就读世界知名高校的研究生[7]。 此外，北京大学、浙江大学、国防科技大学、上 海交通大学、陆军军医大学等多所高校的iGEM参赛项目也有后续的论文及专利等研究成果产出。

iGEM大赛的竞赛模式经过多年实践，充分证明了它的先进性。为了让这一竞赛模式能够受益于更多同学，浙江省通过借鉴iGEM大赛的办赛经验，在2009年开发了网络竞赛平台，并开始举办浙江省大学生生命科学竞赛[15]。基于浙江省取得的良好办赛经验，2017年举办了第一届全国大学生生命科学竞赛。参赛队伍来自全国28个省市，参赛学校达到263所，有效队伍数达到1 903支， 参赛学生为8754名，指导老师数量达到2 388名 (第一届全国大学生生命科学竞赛工作汇报，网址www.zubc.zju.edu.cn)。与iGEM大赛相比，全国大学生生命科学竞赛参赛费用低，覆盖面广，专业分布更加广泛，起到了辐射更多学校、让更多学生受益的目的。

5 促进iGEM大赛在中国进一步发展的思考与建议

根据Porcar等[16]的粗略估计，iGEM参赛队伍的平均花费在2万美元至5万美元。根据我们对中国内地部分高校队伍的调研，一支15人左右的队伍每年的iGEM参赛费用约为30万元。目前，主要由学校、学院等提供参赛经费。一些院校的学生参赛热情虽高，却受制于学校和学院的财力支持力度。我们建议教育部门、自然科学基金委、中国科协等机构能够更加积极通过相关教学科普项目来支持我国iGEM参赛队伍。参赛队伍积极联系生物产业公司，寻求更多社会资源的支持也是一个重要的渠道。此外，由于缺乏师资，一些高校难以开设合成生物学等相关课程。我们建议合成生物学教学资源丰富的高校能够积极开设《合成生物学》中文慕课或网络公开课，从而方 便更多学生积极了解和学习这一前沿交叉学科。在 实践训练体系上，我们建议各高校依托教学实验中心或合成生物学学科平台，建设学生自我管理为主的创新实验室，充分培养学生的实践能力和责任心。

如前所述，我国尚有14个省份、自治区及特别行政区的高校未曾参加过iGEM大赛。作为一种先进的教育训练模式，有必要促进iGEM大赛在中国的均衡发展。我们建议iGEM参赛队员在进行合成生物学和iGEM推广时，能够主动联系上述14个省份、自治区及特别行政区的高校或高中。在我国高等教育“双一流”建设的实施阶段，各高校和教育部门也可 以通过设置相关教育教改项目，进一步支持这些 地区的高等院校组建iGEM队伍并参加iGEM大赛。

近年来，我国合成生物学发展迅速，重大标志性成果也层出不穷。适时举办我国合成生物学竞赛将进一步促进合成生物学后备人才的培养。综合全国大学生生命科学竞赛和iGEM大赛的优势，我们建议依托全国大学生生命科学竞赛平台，参照iGEM大赛模式，面向本科生和高中生举办我国合成生物学竞赛，同时积极吸纳“一带一路”沿线国家的参赛队伍。我国合成生物学竞赛的举办，将有力推动我国和“一带一路”沿线国家合成生物学的发展。

知识从来不是被动地在课堂上听讲就能够转化成能力和智慧的，而是在积极学习、主动思考、广泛交流和动手操作中内化成能力，上升为智慧的。我们坚定地相信iGEM大赛在中国具有光明的发展前景！我们也衷心地祝愿更多的有为青年通过iGEM大赛的洗礼能够取得人生更大的进步！

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团队简介：

陆军军医大学 (第三军医大学) TMMU-China团队由基础医学院微生物学教研室发起，经上级批准后于2015年12月组建。2016年的指导老师有：饶贤才、胡晓梅、胡启文、王竞、潘俊峰、熊坤、丛延广、乐率、邹凌云。2016年的参赛队员共有21名，其中队长黄志刚及队员卢毅飞、邓杰忠、晋旭锐参加了在波士顿举行的总决赛。2016年的参赛项目为“Mr White, Mr Right, Improveto be a better chassis”，最终斩获总决赛金奖。2017年的指导老师有：饶贤才、胡晓梅、胡启文、李明、黎庶、卢曙光、王竞、谭利、郑芳芳。2017年的参赛队员一共有14名，其中队长李超雄及队员田丁元、徐以溱、杨礼璟、范睿诚参加了在波士顿举行的总决赛。2017年的参赛项目为“Development of quorum sensing toolkit for Gram positive bacteria”，最终取得总决赛银奖的比赛成绩。

2016年TMMU-China部分指导老师及队员合影

(本文责编 郝丽芳)

Development of international genetically engineered machine competition in China

Xia Zhao, Shuguang Lu, Jing Wang, Xiaomei Hu, Xiancai Rao, and Qiwen Hu

Department of Microbiology, College of Basic Medical Sciences, Army Medical University, Chongqing 400038, China

Synthetic biology is a fast moving interdisciplinary branch of biology and engineering. To educate the next generation of synthetic biology scientists, the International Genetically Engineered Machine (iGEM) competition was established. In the past eleven years, many Chinese teams have participated in this event, but no thorough review and analysis have been carried out. In this paper, we collected the data and information of the Chinese teams from the iGEM website and analyzed the number, distribution and performance of Chinese teams in iGEM competition. We also described contributions made by the Conference of China iGEMer Community (CCiC) organization. The contributions to China higher education made by the iGEM competition were also summarized. Finally, we proposed several suggestions for the development of the iGEM competition in China. We envision the iGEM competition will continue to promote the innovative education and cultivation of the next-generation synthetic biology scientists in China.

synthetic biology, iGEM, conference of China iGEMer community

April 24, 2018;

November 23, 2018

The “Young Teachers' Support Program” of the College of Basic Medical Sciences of Army Medical University (Yuan Jiao Han No. [2018]283).

Qiwen Hu. Tel/Fax: +86-23-68771937; E-mail: huqiwen2004@163.com

10.13345/j.cjb.180160

陆军军医大学基础医学院“青年教师支持计划” (院教函[2018]283号) 资助。