大學生自主創新能力培養
——國際遺傳工程機器大賽簡介

郝曉冉 邴 杰 陳金波 向本瓊 郝俊冉

（1北京師范大學生命科學與技術國家級實驗教學示范中心 北京 100875 2北京市八一學校 北京 100080）

國際遺傳工程機器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM），簡稱iGEM 競 賽 ，http：//igem.org/Main_Page 為 iGEM 競賽的官網，是一年一度的世界性合成生物學學術競賽。2003年由美國麻省理工學院創辦，2005年發展為國際賽事，旨在通過利用標準的可替換部件 （standard biological parts，也 稱 為 BioBricks）建立基因工程生物系統，解決現實生活中遇到的難題和挑戰。研究方向涉及能源、環境、營養、基礎設施、醫療、通信、工業、新應用等多個方面，直接搭建起了基礎生物學研究和生產生活實踐之間的橋梁，所以同時受到了學術界和工業界的關注，以及 Nature［1］、Science［2］等 頂級 學術 期刊及 BBC 等著名媒體的關注及專題報道。自創辦以來，參賽團隊的數量逐年增長，參賽人群也由大學本科生擴展到研究生和高中生。由于其特有的趣味性和實際應用性，經過十幾年的發展，目前iGEM競賽已成為最具影響力的世界級大學生學術競賽之一，吸引了包括哈佛大學［3］、牛津大學、普林斯頓大學、加州大學伯克利分校、劍橋大學等多所世界著名高校的年輕人踴躍參加。2016年有來自全球42個國家和地區的300個團隊參賽。

1 iGEM競賽的流程

每年iGEM競賽的時間軸不同。一般而言12月至次年1月為隊伍形成時間，包括：獲得學院批準、宣傳并招募隊員、獲得資助、頭腦風暴設計題目。2月初至3月末，隊伍在官網注冊；注冊成功后，iGEM主辦方會在4月份給各個隊伍郵寄DNA distribution Kit。5月至8月，項目的主要工作在實驗室進行，在此期間，隊伍還要進行區域性會議交流，社會拓展調查，總結項目進展并以Wiki的形式展示。9月，隊員總結項目結果、口語展示、海報、提交新的DNA模塊等，為參加最終的Giant Jamboree做準備；10月，所有參賽隊伍參加Giant Jamboree并展示、分享隊伍的努力成果。因此，iGEM競賽的準備時間主要集中在夏季。在這段時間內，每個iGEM團隊自主設計、建立并檢測研究項目。

2 iGEM競賽的內容

具體到每個項目，主要分為4個模塊：1）實驗部分，要求隊員自主設計參賽題目及實驗流程，并通過實驗對相關的理論設想進行實踐，在實驗過程中通過與其他參賽隊伍交流不斷完善相關項目。該過程鍛煉了學生的文獻調研能力、創新和邏輯思維能力，學習并熟練掌握一些基本實驗技能，同時增進了學生的語言表達和學術交流能力。為保證項目的科學性及按時完成，要求每支隊伍要有2個學術導師全程參與，此外鼓勵研究生或者相關學科教授作為顧問，以協助隊伍順利完成整個項目。2）Human practices，是iGEM項目發展的關鍵組成部分。號召每個團隊建立應包含生物學家、化學家、物理學家、工程師、計算機科學家等跨領域專家團隊，并對這些不同領域專家提出諸如“合成生物學可以在本領域發揮哪些新的作用”等問題。參賽隊伍在進行項目構思及實驗的同時還要進行市場調查及相關政策法規的咨詢，這個過程真正地將教材及學校里學到的理論知識拿到社會上驗證，檢測并評估實驗室基礎研究與社會需求之間的距離，即所做的題目和內容對普通民眾有什么意義，如何能夠對大多數人的生活有哪怕最微小的改變，使學生覺得學有所用，并學以致用。在這個過程中，隊員還要進行項目的初步宣傳活動，一方面擴大項目的影響力，另一方面也評估社會和普通民眾對項目的接受程度，同時培育iGEM競賽的新生力量。3）美工和Wiki部分，在隊伍宣傳、實踐、交流及參賽的各個環節都有體現，涉及到項目logo、隊服、旗幟、海報、網頁及參賽PPT等方面。其中Wiki是iGEM競賽中很重要的一個部分，它可以向全世界其他隊伍詳細地介紹項目，展示隊員風采，更重要的是，Wiki可以長期保存。4）數據建模，既然稱之為合成生物學，自然需要控制開關，例如：需要通過特定的數學模型控制相應功能蛋白的表達，從而控制相關菌種的生長和死亡。雖然競賽看起來更像生物學或者工程學項目，但是實際上還需要諸如計算機科學、藝術設計、物理學、數學、市場營銷學、社會科學等多種學科的隊員共同參與完成這個項目。

3 iGEM競賽的賽制及獲獎條件

每一年度的iGEM競賽，組委會都會在官網上公布最新的評估手冊（Judging Handbook），方便隊伍在項目進行過程中進行自我評估，也是評委進行評獎的依據。手冊會結合具體的項目詳細地說明獲得金、銀、銅獎及各單項獎的條件。每年的Judging Handbook在得獎的條件上都會有一定的改變，如果要想在比賽中取得令人滿意的成績，對每年最新的Judging Handbook進行詳細的解讀是非常必要的。以2014年比賽為例，隊伍需要完成下列內容才能獲得銅牌：1）注冊；2）完成Judging form；3）有隊伍 Wiki和海報；在 Jamboree上介紹項目；4）至少提交了1個新的注釋良好的標準組件（BioBrick Part or Device），或者是對以前組件的新應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：提供數據證明團隊構建的新組件或項目確實按照預期工作，測定了至少1個新組件的功能特點并提交到Part/Device Registry系統中。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個已存在組件的性能；②幫助另一支iGEM團隊，例如幫助測定部件性能、建立數學模型、修正部件等；③提出1種新的有關生物安全、倫理、推廣或創新的政策與實踐方式。針對上一年比賽情況，官方每年都會對各種獎牌的要求進行一些調整，總的來說，金牌的要求越來越高，越來越具體和嚴格。與2014年相比，2016年金牌獲得者新增的要求包括：1）隊伍組成必須有 Secondary PI；2）隊伍Wiki必須有單獨頁面描述各隊員（包括學術導師和顧問）的具體分工及貢獻；3）實驗驗證構建的模塊至少2個能按照預想設計進行工作，并在iGEM官網中的iGEM Parts Registry進行注冊；4）Human practices部分需要圍繞自身的項目進行一系列的社會實踐活動，內容要具體、有現實意義、有說服力；5）拓展隊伍的Human practices，并證明其如何更好地契合項目本身的設計和意義；6）設計的整個裝置是按照預想工作的，單獨的組件不能稱為device，即驗證許多組件構成的系統可以工作；7）對項目進行評估，驗證其在真實環境中可以工作。

4 中國iGEM競賽的參賽情況

為了提升高等教育質量，促進學生全面發展，推動學生創新創業，并進一步推動大眾創業、萬眾創新，我國國務院和教育部分別出臺了深化高校創新創業教育改革相關文件。iGEM競賽秉承誠信（integrity）、良好的競技精神（good sportsmanship）、尊重（respect）、誠實（honesty）、頌揚（celebration）、協作（cooperation）、努力（effort）和優秀（excellence）的價值理念非常符合我國現行的深化高校創新創業教育改革的精髓，很多一流大學將參加本項賽事作為教學改革的重要引擎，努力將生物學傳統課堂教學轉向以創新科研項目為主導的綜合能力的培養，有助于營造高水平的學術氛圍，以及推進本科生實踐教學改革工作。2006年iGEM競賽正式登陸中國內地，北京大學、清華大學、北京師范大學、復旦大學、上海交通大學、南開大學、天津大學、中國科技大學等著名高校陸續組隊參賽。截至2016年，包括臺灣地區在內的中國參賽團隊達到70個，除著名高校組隊參賽外，還有北京師范大學附屬實驗中學、北京市十一學校、南京外國語學校、深圳中學、深圳外國語學校、遼寧省實驗中學、濟南外國語學校、廣東實驗中學等11所中學組隊參賽。

5 北京師范大學iGEM團隊的發展情況

北京師范大學 iGEM代表隊BNU－China于2014年3月首次組隊，于當地時間2014年10月30日—11月5日在波士頓海因斯會議中心參加世界總決賽Giant Jamboree。與來自32個國家和地區的245支隊伍同場競技，最終以高水平的團隊實力、高水平的競技發揮，獲得金牌。2014年參賽項目的構思來源于社會調研，學生發現傳統化肥具有使用效率低、污染土壤的缺點，因此希望利用大腸桿菌的驅動性，通過改造能夠實現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，為避免環境污染，改造菌種完成任務后就啟動自殺機制，以希臘神話中的普羅米修斯比擬工程菌。北京師范大學第2屆BNU－China團隊以防治農業害蟲——線蟲為切入點，結合線蟲的特性，設計線蟲誘殺開關機制。首先利用大腸桿菌表達線蟲吸引性物質檸檬烯（limonene），然后構建另外一株大腸桿菌工程菌株表達線蟲特異性的毒蛋白（rMpL與bace16），達到吸引并特異性殺害線蟲的目的。團隊還設計了光誘導雙向轉錄系統調節并控制吸引物和毒蛋白的表達，獲得2015年iGEM競賽銀牌。北京師范大學第3屆BNUChina團隊致力于做出一個高通量篩選抗癌藥物——微管穩定類藥物的平臺。通過改造大腸桿菌，使其能生產人源的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α－微管蛋白。將產出的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，即可通過檢測有無熒光判斷待檢樣品有無穩定微管效果，并可通過熒光強度判斷樣品中微管穩定類藥物的含量，再次獲得2016年iGEM競賽的金牌。

iGEM競賽充分調動了學生學習的自主性和能動性，不僅使學生學習到新的實驗技能，增強了團隊合作意識和能力，提高樂于分享、樂于助人能力，最重要的是帶領學生將書本知識與實際應用相結合，有助于本科生創新創業技能發展，激發學生對生物學研究的興趣。受到iGEM項目的啟發，第1屆BNU－China隊長王宣畢業后加入北大清華參賽團隊的骨干隊員創業團隊，其他骨干隊員分別保送研究生繼續進行科研工作。第2屆BNUChina隊長代園祎被評選為“十佳大學生”。她說：“雖然我現在的研究方向與合成生物學沒有相關性，但是iGEM訓練大大提高了解決問題的能力，能夠很快進入研究生科研狀態。”正是由于iGEM的經歷，第3屆BNU－China隊員田野申請到去耶魯醫學院Aaron Ring Michael實驗室交流的機會。BNU－China受到越來越多學生的關注，2017年iGEM團隊有100多名學生報名，從大一新生到研究生，年級幅度跨度越來越大，院系范圍也越來越大。包括信息科學與技術學院、心理學院、地理學與遙感科學學院、化學學院等兄弟學院學生都積極報名參加。

鑒于iGEM團隊所取得的成效及對人才培養所起到的重要作用，為保障iGEM項目的長久發展，北京師范大學生命科學學院提供了相應的保障性條件支撐，主要包括專項經費用于該項目進行及比賽、配備專門的科研創新實驗室、幾十種專業儀器設備及最新合成生物學相關書籍。未來學院也將iGEM競賽作為一項校級公共課長期開展下去，同時也希望能將某個或者某幾個項目長期做下去，最終實現科技成果轉化或者發表高水平文章，并進一步促進學校交叉學科的發展，為本科生實踐教學改革的實施貢獻力量。

［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.