关于国际遗传工程机器大赛金奖项目的分析

卫 敏 邵小涵 陈金波

（北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

国际遗传工程机器大赛（international genetically engineered machine competition，iGEM）是合成生物学（synthetic biology）领域顶尖水平的国际性学术竞赛。 2003年1月，iGEM 首次在美国麻省理工学院作为一门独立学习课程出现， 后来逐渐发展壮大，成为涵盖多个国家、学科、年级组的国际性学术竞赛。时至2017年，iGEM 参赛团队已覆盖五大洲40 多个国家，共295 支队伍。

近年来， 随着影响力的逐渐扩大，iGEM 也吸引了我国越来越多的高校和中学参赛，究其本源，在于iGEM 兼具学术科研与能力培养2 个方面的优势。 首先，iGEM 能代表合成生物学领域的发展。 合成生物学强调对天然系统的改造，iGEM 各项目利用基因工程、 蛋白质工程等手段改造目标生物， 使其具有新的功能或表现新的性状，且iGEM 竞赛中各项目组提交的标准化组件正是符合合成生物学“模式化”的核心思想。 其次，iGEM由参赛队伍自主设计选题，独立完成实验，对于学生能力的培养有重要意义。iGEM 强调项目与社会实际的关联，参赛队伍在选题过程中着眼于生活，服务于生活，培养学生的社会责任感。 同时，iGEM强调多学科交叉，体现了跨学科思维，在不同学科的碰撞中开拓眼界，锻炼学生的团队协作能力。

1 研究方法与结果

本文数据来源于2013—2017年iGEM 官网，研究选取了5年间iGEM 的部分金奖获得项目，使用Excel、R 语言3.4.1 与IBM SPSS Statistics 22等软件对数据进行了统计分析。

1.1 实验部分

1.1.1 选题 选题指iGEM 各队伍选定的项目方向。 研究以2013—2017年的队伍名单为依据，计算每种选题的占比，同时，以核心词作为关键词在合成生物学领域代表性数据库ACS（American Chemical Society，美国化学学会）中进行检索，统计对应选题的文献发表量及其占全部选题文献发表量的比例。 通过比对排名前5 名的选题情况（表1），反映5年来iGEM 选题与合成生物学领域研究方向的关系。

如表1 所示，2013—2017年， 选题前5 名和文献发表量前5 名中都有环境、治疗学与新应用，说明5年来iGEM 选题热门与合成生物研究前沿方向具有一致性。在当前紧迫的环境保护背景下，合成生物学为设计有效、快速、灵敏的环境监测系统创造了优越的条件。此外，合成生物学利用改造微生物高速生产药物，降低药物成本，构建能帮助基因治疗的工程细胞。 5年来，iGEM 参赛队伍有的致力于解决所在地区环境问题， 有的致力于解决疾病诊断问题等。总之，合成生物学的研究越来越聚焦社会发展的实际问题， 而iGEM 参赛队伍也在顺应趋势，着眼生活，服务实际。 对参赛队伍而言，在确定选题时应根据生活中的实际问题，结合相关研究进展，寻找创新点和突破点。

表1 iGEM 队伍选题比例和ACS 数据库中选题比例前5 名统计

1.1.2 技术 技术的选择与应用是实验部分的决定性环节， 而基因编辑技术因能实现特定基因片段的敲除和插入， 成为iGEM 湿实验必不可少的核心环节。研究根据基因编辑技术的发展历程，列举4 代基因编辑技术的原理与优劣 （表2），并结合5年来所有iGEM 参赛团队对4 种技术的使用情况进行简要分析， 以期为后续队伍在技术选择方面提供建议。

表2 4 代基因编辑技术的原理与优劣

如表2 所示，4 代基因编辑技术应用了不同的原理，且具有各自的优劣。 在综合2013—2017年5年来iGEM 项目后， 研究以上述4 代技术为关键词检索， 统计当年各参赛队伍对该项技术的使用数据，反映5年间基因编辑技术应用情况。结果如图1 所示。

图1 技术迭代对iGEM 金奖项目的影响

从图1 可见，2013—2017年间，4 代基因编辑技术的应用趋势相对一致： 其中第4 代基因编辑技术成为各参赛队伍的首选，第1 代次之，第2 代与第3 代在5年间的使用量均较少。

研究认为， 综合iGEM 竞赛与基因编辑技术迭代特点，出现上述应用情况的原因如下：其一，iGEM 竞赛强调参赛队伍创新性的思维与设计，第2 代与第3 代基因编辑技术存在对基因序列与物种选择的局限性， 无法满足需求。 其二，iGEM 竞赛要求参赛队伍在1年时间内完成全部环节，因此，越简便、高效的实验技术越能迎合比赛要求。第1 代技术操作简便，第4 代技术效率高，最适合短时间内的湿实验。 其三，iGEM 具有很强的学术研究性质， 第4 代技术是近年来新兴的高效基因编辑技术，故成为各参赛队伍的首要选择。

后续参赛队伍在选择实验技术时， 应充分考虑项目对物种与序列的需求，选择效率高、稳定性好的实验技术。一方面新技术必有其优越性，有助于项目取得优秀的实验结果； 另一方面新技术的运用可为项目增添色彩，成为一个亮点。

1.1.3 团队组建与运营 iGEM 重视学生团队协作能力， 组建高效的iGEM 队伍也成为影响比赛结果的重要因素。研究随机抽取2013—2017年间50%的金奖项目进行统计，以项目时长、学生专业数量和实验组人员比例3 个指标探究优秀的iGEM 队伍应如何组建与运行。

项目时长指各项目在进行过程中自实验开始至实验结束的累计天数。 项目网页中研究日志（labnote）数据显示，金奖项目实验时长在5年的时间梯度内基本稳定介于100～200 天 （3～7 个月）之间。对于iGEM 竞赛而言，这一期限基本满足实验要求，也为前期项目设计与后期项目升华留下时间。

参与学生的专业统计是对所抽取项目学生学科组成的数据统计， 反映iGEM 作为多学科交叉竞赛的人员合理配比（图2）。 实验组人员比例是对所抽取项目实验组人数占团队总人数的比例进行统计，反映iGEM 项目实验人员的合理比重。

图2 iGEM 金奖项目参与学生专业个数统计

根据统计结果，所抽取的金奖项目中5 个学科组队的比例最高。iGEM 竞赛的主体分为湿实验、建模、人力实践和美工4 个部分，具有明显的学科交叉性，需要不同学科的学生讨论合作，数据统计反映5 个学科可能是iGEM 队伍较为合适的学科配比。 同时，生物学实验在iGEM 中占据重要的地位，研究统计数据发现实验组所占比例应大于40%。

综上研究认为，iGEM 参赛团队应在课题方向与实验技术上密切关注合成生物学前沿进展，优先选择与社会实际相关的热点问题， 大胆尝试先进技术，同时，拥有5 个相关专业、40%以上实验人员比例的团队是较合理的人员配比， 实验阶段时长3～7 个月较为合理。

1.2 人力实践部分 人力实践（human practices，HP）是iGEM 竞赛中的重要环节。研究发现该奖项与以下几个方向有关：

其一，项目选题。 参赛选题应贴近社会生活，与社会实际紧密关联。 其二，项目与HP 的联系。项目为HP 确定方向，HP 指导项目进程。 其三，项目应用性。 参赛队伍应关注项目成果能否应用于生产、生活实际。 例如2016年iGEM 最佳综合实践奖UofC_Calgary（加拿大卡尔加里大学）队伍，通过与专业人员沟通寻找亟待解决的问题确立选题， 设计项目工具时考虑便携性与长久性2 个基本要求，并与生物制品公司联系尝试模拟生产。其四， 新技术的应用。 新兴技术应用能成为项目特色，是HP 部分的一大亮点。 例如2017年最佳综合实践奖获得者Heidelberg（海德堡）队伍开发软件程序，分割和处理大数据，与人工智能相联系，符合社会发展前景。

上述4 项HP 优秀项目的亮点可为后续参赛队伍提供参考，在项目最初的选题，最后的应用，以及项目进展中与HP 的关联， 与新技术的关联进行深入探究，可增加社会实践的深度与广度，使其更具说服力。

1.3 维基部分 维基（Wiki）是参赛队伍展示比赛成果的网页， 每个参赛队伍均需建立属于自己的网页。简明条理的Wiki 有助于裁判定夺获奖条件。 研究综合2013—2017年iGEM 竞赛中最佳Wiki 奖，为后续队伍提供如下几点参考：

其一， 注重Wiki 选材与项目的贴合程度。Wiki 应当紧密结合项目本身，使读者在阅读Wiki的过程中加深对项目的理解。 例如2017年最佳Wiki 队伍Wageningen_UR（瓦格宁根大学）依据项目材料“螳螂”，以翠绿色为底色，根据项目背景绘制世界地图展现传染病分布状况， 加深了读者在阅读Wiki 时的直观印象。 其二，注重多媒体的组合运用。 在Wiki 中添加视频或动画，增强视觉冲击性，使项目介绍更直观生动。这一方法被越来越多的参赛队伍广泛使用，例如2015—2017年最佳Wiki 队伍UCSF（加利福尼亚大学旧金山分校）均包含视频动画，极大增加了其可视性。 其三，注重清晰的逻辑链条。 在Wiki 中借助流程图等展示逻辑链条，能紧抓读者思路深入了解项目，体现团队缜密的思维，例如2017年最佳Wiki 队伍Wageningen_UR 将每个环节都分为多个板块逐一介绍， 减少阅读障碍。 其四， 注重突出重点与亮点，将项目满足的获奖标准着重列出，放大项目优势， 例如2017年最佳Wiki 队伍Wageningen_UR将奖牌标准与亮点突出呈现在首页。

尽管Wiki 的评定不可避免存在一定的主观色彩，然而上述4 项特点着重强调了优秀Wiki 的相似之处，能为后续参赛队伍提供一定的参考，其余别具特色的设计则需要各队伍根据实际情况进行考量。

2 研究结论

近年来，iGEM 竞赛在我国得到了越来越多的重视与发展， 其在学术科研领域不仅代表着合成生物学的方向，更推动了合成生物学的发展，同时也培养了学生自主探究与团队协作能力。 因此，在iGEM竞赛快速发展的几年里， 探究其优秀项目的成功因素，吸取经验，对后续参赛队伍具有重要意义。

本文就湿实验、人力实践和维基3 个部分展开探究，认为在湿实验中，应密切关注合成生物学前沿进展， 优先选择与社会实际相关的热点话题，优先应用先进技术解决问题；在HP 环节，应从选题、项目开展至成果应用统筹规划， 全局把控项目与HP 相辅相成的关系；在Wiki 部分，则应注意清晰规划逻辑链条与美工制作，使得界面既具有清晰的逻辑顺序，又不失良好的视觉体验。 此外，研究通过对已往项目的数据统计认为， 拥有5 个相关专业、40%以上实验人员比例的团队是较合理的人员配比，而实验阶段时长以3～7 个月较为合适。

吕静等［1］认为合成生物学是新一代生物学，是一个新型、复杂的生命系统的工程学科；熊燕等［2］认为合成生物学是综合了科学与工程的一个崭新的生物学研究领域；吕永坤［3］认为合成生物学是一门将生物学工程化的应用学科；以基因组设计与合成为标志的合成生物学代表第3 次生物技术革命，拥有着巨大的发展空间，更代表着生命科学领域的未来。 iGEM 作为合成生物学领域顶尖水平的学术竞赛，其浓厚的学术氛围、全面的评判指标、标准的比赛流程让参赛者体会到合成生物学的巨大魅力。 对iGEM 的参与、讨论与分析既是对自身能力的提高，也为后续参赛队伍提供参考。