大學(xué)生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)
——國(guó)際遺傳工程機(jī)器大賽簡(jiǎn)介

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(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 北京 100875 2北京市八一學(xué)校 北京 100080）

國(guó)際遺傳工程機(jī)器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM），簡(jiǎn)稱iGEM 競(jìng) 賽 ，http：//igem.org/Main_Page 為 iGEM 競(jìng)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(jìng)賽。2003年由美國(guó)麻省理工學(xué)院創(chuàng)辦，2005年發(fā)展為國(guó)際賽事，旨在通過(guò)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(shí)生活中遇到的難題和挑戰(zhàn)。研究方向涉及能源、環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療、通信、工業(yè)、新應(yīng)用等多個(gè)方面，直接搭建起了基礎(chǔ)生物學(xué)研究和生產(chǎn)生活實(shí)踐之間的橋梁，所以同時(shí)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(jí) 學(xué)術(shù) 期刊及 BBC 等著名媒體的關(guān)注及專題報(bào)道。自創(chuàng)辦以來(lái)，參賽團(tuán)隊(duì)的數(shù)量逐年增長(zhǎng)，參賽人群也由大學(xué)本科生擴(kuò)展到研究生和高中生。由于其特有的趣味性和實(shí)際應(yīng)用性，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，目前iGEM競(jìng)賽已成為最具影響力的世界級(jí)大學(xué)生學(xué)術(shù)競(jìng)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(lái)自全球42個(gè)國(guó)家和地區(qū)的300個(gè)團(tuán)隊(duì)參賽。

1 iGEM競(jìng)賽的流程

每年iGEM競(jìng)賽的時(shí)間軸不同。一般而言12月至次年1月為隊(duì)伍形成時(shí)間，包括：獲得學(xué)院批準(zhǔn)、宣傳并招募隊(duì)員、獲得資助、頭腦風(fēng)暴設(shè)計(jì)題目。2月初至3月末，隊(duì)伍在官網(wǎng)注冊(cè)；注冊(cè)成功后，iGEM主辦方會(huì)在4月份給各個(gè)隊(duì)伍郵寄DNA distribution Kit。5月至8月，項(xiàng)目的主要工作在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在此期間，隊(duì)伍還要進(jìn)行區(qū)域性會(huì)議交流，社會(huì)拓展調(diào)查，總結(jié)項(xiàng)目進(jìn)展并以Wiki的形式展示。9月，隊(duì)員總結(jié)項(xiàng)目結(jié)果、口語(yǔ)展示、海報(bào)、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(duì)伍參加Giant Jamboree并展示、分享隊(duì)伍的努力成果。因此，iGEM競(jìng)賽的準(zhǔn)備時(shí)間主要集中在夏季。在這段時(shí)間內(nèi)，每個(gè)iGEM團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)、建立并檢測(cè)研究項(xiàng)目。

2 iGEM競(jìng)賽的內(nèi)容

具體到每個(gè)項(xiàng)目，主要分為4個(gè)模塊：1）實(shí)驗(yàn)部分，要求隊(duì)員自主設(shè)計(jì)參賽題目及實(shí)驗(yàn)流程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)的理論設(shè)想進(jìn)行實(shí)踐，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)與其他參賽隊(duì)伍交流不斷完善相關(guān)項(xiàng)目。該過(guò)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(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)增進(jìn)了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)和學(xué)術(shù)交流能力。為保證項(xiàng)目的科學(xué)性及按時(shí)完成，要求每支隊(duì)伍要有2個(gè)學(xué)術(shù)導(dǎo)師全程參與，此外鼓勵(lì)研究生或者相關(guān)學(xué)科教授作為顧問(wèn)，以協(xié)助隊(duì)伍順利完成整個(gè)項(xiàng)目。2）Human practices，是iGEM項(xiàng)目發(fā)展的關(guān)鍵組成部分。號(hào)召每個(gè)團(tuán)隊(duì)建立應(yīng)包含生物學(xué)家、化學(xué)家、物理學(xué)家、工程師、計(jì)算機(jī)科學(xué)家等跨領(lǐng)域?qū)＜覉F(tuán)隊(duì)，并對(duì)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(wèn)題。參賽隊(duì)伍在進(jìn)行項(xiàng)目構(gòu)思及實(shí)驗(yàn)的同時(shí)還要進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查及相關(guān)政策法規(guī)的咨詢，這個(gè)過(guò)程真正地將教材及學(xué)校里學(xué)到的理論知識(shí)拿到社會(huì)上驗(yàn)證，檢測(cè)并評(píng)估實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究與社會(huì)需求之間的距離，即所做的題目和內(nèi)容對(duì)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(jué)得學(xué)有所用，并學(xué)以致用。在這個(gè)過(guò)程中，隊(duì)員還要進(jìn)行項(xiàng)目的初步宣傳活動(dòng)，一方面擴(kuò)大項(xiàng)目的影響力，另一方面也評(píng)估社會(huì)和普通民眾對(duì)項(xiàng)目的接受程度，同時(shí)培育iGEM競(jìng)賽的新生力量。3）美工和Wiki部分，在隊(duì)伍宣傳、實(shí)踐、交流及參賽的各個(gè)環(huán)節(jié)都有體現(xiàn)，涉及到項(xiàng)目logo、隊(duì)服、旗幟、海報(bào)、網(wǎng)頁(yè)及參賽PPT等方面。其中Wiki是iGEM競(jìng)賽中很重要的一個(gè)部分，它可以向全世界其他隊(duì)伍詳細(xì)地介紹項(xiàng)目，展示隊(duì)員風(fēng)采，更重要的是，Wiki可以長(zhǎng)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(kāi)關(guān)，例如：需要通過(guò)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(zhǎng)和死亡。雖然競(jìng)賽看起來(lái)更像生物學(xué)或者工程學(xué)項(xiàng)目，但是實(shí)際上還需要諸如計(jì)算機(jī)科學(xué)、藝術(shù)設(shè)計(jì)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、市場(chǎng)營(yíng)銷學(xué)、社會(huì)科學(xué)等多種學(xué)科的隊(duì)員共同參與完成這個(gè)項(xiàng)目。

3 iGEM競(jìng)賽的賽制及獲獎(jiǎng)條件

每一年度的iGEM競(jìng)賽，組委會(huì)都會(huì)在官網(wǎng)上公布最新的評(píng)估手冊(cè)（Judging Handbook），方便隊(duì)伍在項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中進(jìn)行自我評(píng)估，也是評(píng)委進(jìn)行評(píng)獎(jiǎng)的依據(jù)。手冊(cè)會(huì)結(jié)合具體的項(xiàng)目詳細(xì)地說(shuō)明獲得金、銀、銅獎(jiǎng)及各單項(xiàng)獎(jiǎng)的條件。每年的Judging Handbook在得獎(jiǎng)的條件上都會(huì)有一定的改變，如果要想在比賽中取得令人滿意的成績(jī)，對(duì)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(duì)伍需要完成下列內(nèi)容才能獲得銅牌：1）注冊(cè)；2）完成Judging form；3）有隊(duì)伍 Wiki和海報(bào)；在 Jamboree上介紹項(xiàng)目；4）至少提交了1個(gè)新的注釋良好的標(biāo)準(zhǔn)組件（BioBrick Part or Device），或者是對(duì)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(tuán)隊(duì)構(gòu)建的新組件或項(xiàng)目確實(shí)按照預(yù)期工作，測(cè)定了至少1個(gè)新組件的功能特點(diǎn)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(gè)已存在組件的性能；②幫助另一支iGEM團(tuán)隊(duì)，例如幫助測(cè)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(shí)踐方式。針對(duì)上一年比賽情況，官方每年都會(huì)對(duì)各種獎(jiǎng)牌的要求進(jìn)行一些調(diào)整，總的來(lái)說(shuō)，金牌的要求越來(lái)越高，越來(lái)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(duì)伍組成必須有 Secondary PI；2）隊(duì)伍Wiki必須有單獨(dú)頁(yè)面描述各隊(duì)員（包括學(xué)術(shù)導(dǎo)師和顧問(wèn)）的具體分工及貢獻(xiàn)；3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證構(gòu)建的模塊至少2個(gè)能按照預(yù)想設(shè)計(jì)進(jìn)行工作，并在iGEM官網(wǎng)中的iGEM Parts Registry進(jìn)行注冊(cè)；4）Human practices部分需要圍繞自身的項(xiàng)目進(jìn)行一系列的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，內(nèi)容要具體、有現(xiàn)實(shí)意義、有說(shuō)服力；5）拓展隊(duì)伍的Human practices，并證明其如何更好地契合項(xiàng)目本身的設(shè)計(jì)和意義；6）設(shè)計(jì)的整個(gè)裝置是按照預(yù)想工作的，單獨(dú)的組件不能稱為device，即驗(yàn)證許多組件構(gòu)成的系統(tǒng)可以工作；7）對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證其在真實(shí)環(huán)境中可以工作。

4 中國(guó)iGEM競(jìng)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(dòng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，并進(jìn)一步推動(dòng)大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新，我國(guó)國(guó)務(wù)院和教育部分別出臺(tái)了深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革相關(guān)文件。iGEM競(jìng)賽秉承誠(chéng)信（integrity）、良好的競(jìng)技精神（good sportsmanship）、尊重（respect）、誠(chéng)實(shí)（honesty）、頌揚(yáng)（celebration）、協(xié)作（cooperation）、努力（effort）和優(yōu)秀（excellence）的價(jià)值理念非常符合我國(guó)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(xiàng)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(xiàng)目為主導(dǎo)的綜合能力的培養(yǎng)，有助于營(yíng)造高水平的學(xué)術(shù)氛圍，以及推進(jìn)本科生實(shí)踐教學(xué)改革工作。2006年iGEM競(jìng)賽正式登陸中國(guó)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(kāi)大學(xué)、天津大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)等著名高校陸續(xù)組隊(duì)參賽。截至2016年，包括臺(tái)灣地區(qū)在內(nèi)的中國(guó)參賽團(tuán)隊(duì)達(dá)到70個(gè)，除著名高校組隊(duì)參賽外，還有北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)、北京市十一學(xué)校、南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校、深圳中學(xué)、深圳外國(guó)語(yǔ)學(xué)校、遼寧省實(shí)驗(yàn)中學(xué)、濟(jì)南外國(guó)語(yǔ)學(xué)校、廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)等11所中學(xué)組隊(duì)參賽。

5 北京師范大學(xué)iGEM團(tuán)隊(duì)的發(fā)展情況

北京師范大學(xué) iGEM代表隊(duì)BNU－China于2014年3月首次組隊(duì)，于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2014年10月30日—11月5日在波士頓海因斯會(huì)議中心參加世界總決賽Giant Jamboree。與來(lái)自32個(gè)國(guó)家和地區(qū)的245支隊(duì)伍同場(chǎng)競(jìng)技，最終以高水平的團(tuán)隊(duì)實(shí)力、高水平的競(jìng)技發(fā)揮，獲得金牌。2014年參賽項(xiàng)目的構(gòu)思來(lái)源于社會(huì)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(diǎn)，因此希望利用大腸桿菌的驅(qū)動(dòng)性，通過(guò)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(dòng)自殺機(jī)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(tuán)隊(duì)以防治農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)——線蟲(chóng)為切入點(diǎn)，結(jié)合線蟲(chóng)的特性，設(shè)計(jì)線蟲(chóng)誘殺開(kāi)關(guān)機(jī)制。首先利用大腸桿菌表達(dá)線蟲(chóng)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(chóng)特異性的毒蛋白（rMpL與bace16），達(dá)到吸引并特異性殺害線蟲(chóng)的目的。團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)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(jìng)賽銀牌。北京師范大學(xué)第3屆BNUChina團(tuán)隊(duì)致力于做出一個(gè)高通量篩選抗癌藥物——微管穩(wěn)定類藥物的平臺(tái)。通過(guò)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(guò)檢測(cè)有無(wú)熒光判斷待檢樣品有無(wú)穩(wěn)定微管效果，并可通過(guò)熒光強(qiáng)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(jìng)賽的金牌。

iGEM競(jìng)賽充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和能動(dòng)性，不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)到新的實(shí)驗(yàn)技能，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和能力，提高樂(lè)于分享、樂(lè)于助人能力，最重要的是帶領(lǐng)學(xué)生將書本知識(shí)與實(shí)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(duì)生物學(xué)研究的興趣。受到iGEM項(xiàng)目的啟發(fā)，第1屆BNU－China隊(duì)長(zhǎng)王宣畢業(yè)后加入北大清華參賽團(tuán)隊(duì)的骨干隊(duì)員創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，其他骨干隊(duì)員分別保送研究生繼續(xù)進(jìn)行科研工作。第2屆BNUChina隊(duì)長(zhǎng)代園祎被評(píng)選為“十佳大學(xué)生”。她說(shuō)：“雖然我現(xiàn)在的研究方向與合成生物學(xué)沒(méi)有相關(guān)性，但是iGEM訓(xùn)練大大提高了解決問(wèn)題的能力，能夠很快進(jìn)入研究生科研狀態(tài)?！闭怯捎趇GEM的經(jīng)歷，第3屆BNU－China隊(duì)員田野申請(qǐng)到去耶魯醫(yī)學(xué)院Aaron Ring Michael實(shí)驗(yàn)室交流的機(jī)會(huì)。BNU－China受到越來(lái)越多學(xué)生的關(guān)注，2017年iGEM團(tuán)隊(duì)有100多名學(xué)生報(bào)名，從大一新生到研究生，年級(jí)幅度跨度越來(lái)越大，院系范圍也越來(lái)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(bào)名參加。

鑒于iGEM團(tuán)隊(duì)所取得的成效及對(duì)人才培養(yǎng)所起到的重要作用，為保障iGEM項(xiàng)目的長(zhǎng)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(xiàng)經(jīng)費(fèi)用于該項(xiàng)目進(jìn)行及比賽、配備專門的科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(lái)學(xué)院也將iGEM競(jìng)賽作為一項(xiàng)校級(jí)公共課長(zhǎng)期開(kāi)展下去，同時(shí)也希望能將某個(gè)或者某幾個(gè)項(xiàng)目長(zhǎng)期做下去，最終實(shí)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(shí)踐教學(xué)改革的實(shí)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.