國際基因工程機(jī)器大賽對(duì)本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟示

譚 靜，胡啟文，肖文剛，程曉斌

（第三軍醫(yī)大學(xué)，重慶 400038）

國際基因工程機(jī)器大賽對(duì)本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟示

譚 靜，胡啟文，肖文剛，程曉斌*

（第三軍醫(yī)大學(xué)，重慶 400038）

國際基因工程機(jī)器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM）是合成生物學(xué)領(lǐng)域的最高國際性學(xué)術(shù)競(jìng)賽，參加該大賽可充分發(fā)揮本科生學(xué)習(xí)自主性和能動(dòng)性，提升創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)。本文介紹iGEM具體情況，并結(jié)合第三軍醫(yī)大學(xué)iGEM代表隊(duì)參賽過程，探討iGEM對(duì)本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟示。

國際基因工程機(jī)器大賽；本科生；創(chuàng)新能力

國際基因工程機(jī)器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM）是一年一度的國際性大學(xué)生課外學(xué)術(shù)競(jìng)賽[1]，由美國麻省理工學(xué)院于2003年創(chuàng)辦，旨在推動(dòng)合成生物學(xué)發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的熱情，促進(jìn)各國大學(xué)生在該領(lǐng)域的交流與合作。

我校于2016年首次參加iGEM，也是重慶市第一所、全軍唯一一所參賽的醫(yī)科大學(xué)。我校臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)21名本科生組成參賽隊(duì)伍，在微生物學(xué)教研室教師指導(dǎo)下，歷時(shí)一年，完成了參賽項(xiàng)目“外源基因敲入乳酸乳球菌快速篩選系統(tǒng)”，一舉斬獲金獎(jiǎng)，受到參賽各隊(duì)及評(píng)委的好評(píng)。本文結(jié)合我校iGEM參賽過程，就如何開展備賽工作、大賽對(duì)醫(yī)學(xué)院校本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟示進(jìn)行了思考。

1 iGEM簡(jiǎn)介

1.1 iGEM的起源和發(fā)展

iGEM是合成生物學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)國際性大學(xué)生學(xué)術(shù)競(jìng)賽，而合成生物學(xué)是21世紀(jì)初興起的一門新興學(xué)科，強(qiáng)調(diào)“設(shè)計(jì)”和“重設(shè)計(jì)”，試圖設(shè)計(jì)、構(gòu)建、完善人工生物模塊及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜生物系統(tǒng)的操縱和測(cè)量，在疫苗生產(chǎn)、新藥研發(fā)、生物制造、生物能源、環(huán)境修復(fù)、生物傳感器等多個(gè)領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景[2]。

iGEM起源于2003年麻省理工學(xué)院的合成生物學(xué)課程，2004年發(fā)展成為一個(gè)有5支隊(duì)伍參加的暑期競(jìng)賽，2005年發(fā)展為國際競(jìng)賽并更名為iGEM，之后參賽隊(duì)伍逐年增加[3]。2006年亞洲隊(duì)伍開始參賽，2007年北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等高校參賽。到2016年，iGEM已成為世界上最前沿和最具影響力的生物學(xué)競(jìng)賽，共有來自五大洲三十多個(gè)國家、地區(qū)的283支隊(duì)伍參加比賽，包括哈佛、耶魯、劍橋、牛津、帝國理工等世界一流大學(xué)，以及我國的北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)等高校代表隊(duì)。iGEM匯集了來自世界各地的精彩紛呈、創(chuàng)意迭出的參賽項(xiàng)目，既充滿了奇思妙想又展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。作為合成生物學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)賽事，iGEM受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注與積極宣傳，《Nature》《Science》《Economists》等國際頂級(jí)雜志以及 BBC 等媒體都對(duì)其做過專題報(bào)道。不僅如此，競(jìng)賽中展示的眾多研究成果都會(huì)提交到麻省理工學(xué)院的iGEM組委會(huì)，供全球科學(xué)家共享。

1.2 iGEM競(jìng)賽形式

iGEM涉及生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科，是以合成生物學(xué)為核心多學(xué)科交叉的國際級(jí)科技競(jìng)賽，其理念在于鼓勵(lì)大學(xué)生積極創(chuàng)新，用創(chuàng)新去改變世界。通過競(jìng)賽搭建學(xué)科間交流的平臺(tái)，回答合成生物學(xué)的核心問題。大賽每年舉行一次，各參賽院校在每年年初組建隊(duì)伍，自行選定課題并進(jìn)行驗(yàn)證，于第四季度赴美國波士頓參加總決賽。參賽隊(duì)伍根據(jù)課題類型分為 Energy、Environment、Foundational Advance、Food and Nutrition、New Application等8組。備賽過程中學(xué)生為主導(dǎo)自由選題，指導(dǎo)教師給予相關(guān)建議，大賽組委會(huì)對(duì)參賽項(xiàng)目沒有明確限定，各隊(duì)利用課余時(shí)間合作完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，組委會(huì)每年都會(huì)提供詳盡的時(shí)間進(jìn)度表。

iGEM是一項(xiàng)綜合比賽，充分鍛煉了參賽隊(duì)員的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。大賽包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)踐推廣、數(shù)學(xué)建模、合作交流、網(wǎng)頁制作、部件遞交、現(xiàn)場(chǎng)答辯、海報(bào)展示8個(gè)模塊，需要參賽隊(duì)伍具備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模、網(wǎng)頁設(shè)計(jì)等綜合技能。參賽隊(duì)伍在前期必須完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、數(shù)學(xué)建模、部件遞交、實(shí)踐推廣、利用網(wǎng)絡(luò)展示研究結(jié)果等規(guī)定任務(wù)。赴美比賽期間還必須完成海報(bào)展示、現(xiàn)場(chǎng)答辯工作，在組委會(huì)指定大廳展示項(xiàng)目海報(bào)，并對(duì)前來提問的裁判進(jìn)行講解匯報(bào)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答辯，先用英語匯報(bào)20分鐘，包括研究背景、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、數(shù)學(xué)建模、實(shí)踐推廣、研究展望等內(nèi)容，匯報(bào)結(jié)束后全體隊(duì)員上臺(tái)進(jìn)行答辯，回答評(píng)委提問。大賽獎(jiǎng)項(xiàng)分為金獎(jiǎng)、銀獎(jiǎng)、銅獎(jiǎng)、小組獎(jiǎng)、最佳單項(xiàng)獎(jiǎng)以及全球最佳大獎(jiǎng)，其中金獎(jiǎng)、銀獎(jiǎng)、銅獎(jiǎng)評(píng)定側(cè)重于參賽項(xiàng)目的完成度，由組委會(huì)按具體評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定。

1.3 iGEM參賽意義

iGEM是對(duì)傳統(tǒng)教育的有益補(bǔ)充，采取學(xué)生自主選題、導(dǎo)師提供實(shí)驗(yàn)室和指導(dǎo)意見的“學(xué)生主導(dǎo)、導(dǎo)師把關(guān)”模式[2]，為本科生提供了一個(gè)在課外進(jìn)行自主探索的平臺(tái)，使其不但可以將學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際科研工作中，而且對(duì)科學(xué)思維、自主學(xué)習(xí)、人際交往、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、跨學(xué)科交流等能力進(jìn)行了全面鍛煉。

2 iGEM參賽過程

2.1 隊(duì)伍組建

高素質(zhì)的隊(duì)員和領(lǐng)隊(duì)是參加競(jìng)賽活動(dòng)的關(guān)鍵[4]。我校第一次參加iGEM競(jìng)賽，由基礎(chǔ)部微生物學(xué)教研室負(fù)責(zé)備賽工作，并聯(lián)合外語教研室共同實(shí)施，確立了以饒賢才教授、胡曉梅教授、胡啟文副教授、王競(jìng)講師等為主的指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)。鑒于很多學(xué)生對(duì)iGEM不熟悉，微生物學(xué)教研室胡啟文副教授先后組織3次演講，讓學(xué)員知道iGEM是什么、做什么、怎么做。在此基礎(chǔ)上，通過校園網(wǎng)、海報(bào)等方式進(jìn)行隊(duì)員招募宣傳，全校學(xué)生都可以通過網(wǎng)絡(luò)報(bào)名，根據(jù)個(gè)人簡(jiǎn)歷進(jìn)行第一輪篩選，隨后進(jìn)行面試選拔。面試環(huán)節(jié)指導(dǎo)教師采取談話交流形式，通過學(xué)生自我介紹和回答問題，綜合考察其參賽動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)態(tài)度、時(shí)間安排、個(gè)人能力等情況，在寒假前確定了21名本科生為參賽隊(duì)員，并組建了我校第一支iGEM參賽隊(duì)伍，命名為“TMMU-China”。

2.2 隊(duì)伍培訓(xùn)

我校是國內(nèi)參賽隊(duì)伍中唯一一所獨(dú)立醫(yī)科大學(xué)，隊(duì)員均來自臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)，合成生物學(xué)專業(yè)知識(shí)比較欠缺。如何讓一支新的隊(duì)伍變得團(tuán)結(jié)且具有戰(zhàn)斗力、如何為隊(duì)員補(bǔ)充專業(yè)知識(shí)，成為培訓(xùn)的首要問題。一是學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。指導(dǎo)教師提供合成生物學(xué)和iGEM相關(guān)資料，要求隊(duì)員在寒假期間進(jìn)行大量閱讀，并且通讀《合成生物學(xué)導(dǎo)論》；指導(dǎo)教師建立QQ群，每周布置特定任務(wù)，隊(duì)員完成后在群內(nèi)交流并上傳自己的讀書筆記等。二是舉辦專題講座。由指導(dǎo)教師和校內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域教師組織合成生物學(xué)講座，介紹國內(nèi)外合成生物學(xué)最新進(jìn)展。三是學(xué)習(xí)相關(guān)操作技術(shù)。2016年3—4月隊(duì)員開始接受PCR、WB等專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，同時(shí)加強(qiáng)文獻(xiàn)閱讀，每周開會(huì)討論課題思路并進(jìn)行調(diào)研實(shí)踐。此外，根據(jù)每位隊(duì)員的特長(zhǎng)進(jìn)行分工分組，分為實(shí)驗(yàn)組、建模組、網(wǎng)頁組和社會(huì)活動(dòng)組等5個(gè)小組，邀請(qǐng)相關(guān)人員開展針對(duì)性培訓(xùn)。

2.3 競(jìng)賽項(xiàng)目

在前期調(diào)研、頭腦風(fēng)暴基礎(chǔ)上，參賽團(tuán)隊(duì)先后對(duì)二十多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估討論，最終確定了一個(gè)既有創(chuàng)新性和科學(xué)性又能在幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)完成的項(xiàng)目。我校參賽項(xiàng)目定位為底盤生物。在合成生物學(xué)中，一個(gè)活的生命體或者細(xì)胞就是底盤生物，比如大腸桿菌、酵母菌、小球藻等，以此為基礎(chǔ)，將其他的一些“元素”加到這種底盤生物上，使之呈現(xiàn)出多種性能。我校參賽項(xiàng)目是改造乳酸乳球菌，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)將其變?yōu)橐粋€(gè)更優(yōu)秀的底盤生物，為以后人們對(duì)乳酸乳球菌進(jìn)行改造提供便利。一是加工出一株通用工程菌及基因工程工具包，將攜帶有目的基因的質(zhì)粒通過第一次單交換同源重組整合到基因組中，并通過第二次同源重組誘導(dǎo)質(zhì)粒切粒的方式，將目的基因敲入基因組中。二是為解決抗生素問題，引入食品安全級(jí)的篩選標(biāo)記“nisin”，并引入可以完整編碼半乳糖苷酶的LacZ基因，結(jié)合基因同源重組，建立了可以直接通過視覺進(jìn)行篩選的“藍(lán)白斑篩選系統(tǒng)”。三是為使乳酸乳球菌系統(tǒng)更加完善，進(jìn)行了系列優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了表面展示降鈣素和沙門傷寒菌多糖抗原Vi，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這種工程菌在適當(dāng)培養(yǎng)基上是藍(lán)色，當(dāng)其他元素成功導(dǎo)入后，就會(huì)變成白色，這種差別肉眼可見，一目了然，且無任何抗生素耐藥基因殘留，為研究者提供了一種有用而高效的基因組快速整合篩選系統(tǒng)。

2.4 交流活動(dòng)

iGEM參賽需要的不僅僅是課題，還需要將自己的成果推廣出去、與別的隊(duì)伍合作交流。我校舉辦了到重慶市圖書館演講、校運(yùn)動(dòng)會(huì)宣傳活動(dòng)，設(shè)計(jì)了合成生物學(xué)涂色本等。同時(shí)，我們與國防科技大學(xué)、四川大學(xué)、電子科技大學(xué)、南京大學(xué)等高校代表隊(duì)進(jìn)行了深入交流，在隊(duì)伍建設(shè)、課題進(jìn)展、數(shù)學(xué)建模等方面進(jìn)行了合作，并先后參加了西南聯(lián)盟iGEM團(tuán)隊(duì)交流會(huì)（四川大學(xué)、電子科技大學(xué)等5支隊(duì)伍參加）和第三屆中國地區(qū)iGEM交流會(huì)（北京大學(xué)、中山大學(xué)等28支隊(duì)伍參加），各參賽隊(duì)伍分享參賽項(xiàng)目，與會(huì)專家重點(diǎn)對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、研究方法、項(xiàng)目進(jìn)展、科學(xué)問題等提出針對(duì)性意見和建議。我們也主動(dòng)邀請(qǐng)國防科技大學(xué)、南京大學(xué)等高校的4支隊(duì)伍來我校交流，相互介紹課題進(jìn)展，完善參賽課題。

3 iGEM對(duì)本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟示

創(chuàng)新能力是指人們?cè)趧?chuàng)新活動(dòng)中表現(xiàn)出來的潛能，包括創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新性人格等要素[5]。iGEM作為一項(xiàng)國際性大學(xué)生學(xué)術(shù)競(jìng)賽，對(duì)提升本科生創(chuàng)新能力、培養(yǎng)創(chuàng)新性人才發(fā)揮了重要作用。因此，可以以iGEM為載體，進(jìn)一步完善本科生創(chuàng)新教育體系。

3.1 創(chuàng)新本科生科研競(jìng)賽形式

堅(jiān)持“科教融合、協(xié)同育人”理念，將iGEM培訓(xùn)納入本科生第二課堂，使之成為一項(xiàng)系統(tǒng)化、長(zhǎng)期的科研訓(xùn)練活動(dòng)；借鑒其競(jìng)賽形式，構(gòu)建科研項(xiàng)目、實(shí)踐推廣、海報(bào)展示、現(xiàn)場(chǎng)答辯等多環(huán)節(jié)一體化科研訓(xùn)練模式，并以此為基礎(chǔ)，組織本科生參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)競(jìng)賽。

3.2 搭建本科生學(xué)術(shù)交流平臺(tái)

開設(shè)合成生物學(xué)、專業(yè)文獻(xiàn)閱讀等選修課程，加強(qiáng)本科生專業(yè)理論知識(shí)和操作技能學(xué)習(xí)；舉辦科研學(xué)術(shù)講座，定期邀請(qǐng)校內(nèi)外專家講學(xué)；建立信息交流網(wǎng)站，定期組織本科生學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣；建設(shè)iGEM創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生深入開展合成生物學(xué)領(lǐng)域的科研訓(xùn)練提供平臺(tái)，為競(jìng)賽成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供資源支持。

3.3 建立對(duì)外交流合作渠道

iGEM是一項(xiàng)以合成生物學(xué)為核心多學(xué)科交叉的國際級(jí)科技競(jìng)賽，涉及知識(shí)面廣，需要不同專業(yè)背景的人員協(xié)作。因此，學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作與交流能力尤為重要。學(xué)校內(nèi)部定期開展本科生創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽，組織交流活動(dòng)，選送優(yōu)秀本科生到國內(nèi)高水平實(shí)驗(yàn)室開展科研實(shí)踐，短期與國外專家合作，加強(qiáng)專業(yè)領(lǐng)域的溝通交流，提升團(tuán)隊(duì)合作能力。

3.4 改革課程教學(xué)方法

遵循教育規(guī)律和人才成長(zhǎng)規(guī)律，探索有利于本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法科研化。改革教學(xué)內(nèi)容，以iGEM為載體，在理論教學(xué)過程中運(yùn)用科研方法，開展以科研項(xiàng)目、方案實(shí)施、探索驗(yàn)證為主的案例式、探究式、討論式教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，在獲取知識(shí)的同時(shí)鍛煉科研能力，提升科研素質(zhì)。

[1]王少華．2010年國際基因工程機(jī)器競(jìng)賽（iGEM）的參賽感言[J]．高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2011，1（1）：62-64．

[2]李燕，連俊，陳銘．iGEM在浙江大學(xué)培養(yǎng)拔尖人才教育中的模式與啟示[J]．高等工程教育研究，2014（1）：119-123．

[3]徐德昌．合成生物學(xué)與 iGEM[J]．生物信息學(xué)，2012（2）：145．

[4]洪泂，羅昭峰，梁志，等．高水平國際學(xué)術(shù)競(jìng)賽在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的作用[J]．高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2012，2（3）：60-64．

[5]范宗憲，姚雅芬，王世軍，等．營造創(chuàng)新教育氛圍,培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生創(chuàng)新能力[J]．黑龍江醫(yī)藥科學(xué)，2008，31（5）：74-75．

G420

A

1671-1246（2018）01-0001-03

注：本文系重慶市高等教育教學(xué)改革研究立項(xiàng)課題（153223）

（*通訊作者：程曉斌）