衛(wèi) 敏 邵小涵 陳金波

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

國際遺傳工程機(jī)器大賽（international genetically engineered machine competition，iGEM）是合成生物學(xué)（synthetic biology）領(lǐng)域頂尖水平的國際性學(xué)術(shù)競賽。 2003年1月，iGEM 首次在美國麻省理工學(xué)院作為一門獨(dú)立學(xué)習(xí)課程出現(xiàn)， 后來逐漸發(fā)展壯大，成為涵蓋多個(gè)國家、學(xué)科、年級(jí)組的國際性學(xué)術(shù)競賽。時(shí)至2017年，iGEM 參賽團(tuán)隊(duì)已覆蓋五大洲40 多個(gè)國家，共295 支隊(duì)伍。

近年來， 隨著影響力的逐漸擴(kuò)大，iGEM 也吸引了我國越來越多的高校和中學(xué)參賽，究其本源，在于iGEM 兼具學(xué)術(shù)科研與能力培養(yǎng)2 個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。 首先，iGEM 能代表合成生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。 合成生物學(xué)強(qiáng)調(diào)對(duì)天然系統(tǒng)的改造，iGEM 各項(xiàng)目利用基因工程、 蛋白質(zhì)工程等手段改造目標(biāo)生物， 使其具有新的功能或表現(xiàn)新的性狀，且iGEM 競賽中各項(xiàng)目組提交的標(biāo)準(zhǔn)化組件正是符合合成生物學(xué)“模式化”的核心思想。 其次，iGEM由參賽隊(duì)伍自主設(shè)計(jì)選題，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生能力的培養(yǎng)有重要意義。iGEM 強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目與社會(huì)實(shí)際的關(guān)聯(lián)，參賽隊(duì)伍在選題過程中著眼于生活，服務(wù)于生活，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。 同時(shí)，iGEM強(qiáng)調(diào)多學(xué)科交叉，體現(xiàn)了跨學(xué)科思維，在不同學(xué)科的碰撞中開拓眼界，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

1 研究方法與結(jié)果

本文數(shù)據(jù)來源于2013—2017年iGEM 官網(wǎng)，研究選取了5年間iGEM 的部分金獎(jiǎng)獲得項(xiàng)目，使用Excel、R 語言3.4.1 與IBM SPSS Statistics 22等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

1.1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1.1 選題 選題指iGEM 各隊(duì)伍選定的項(xiàng)目方向。 研究以2013—2017年的隊(duì)伍名單為依據(jù)，計(jì)算每種選題的占比，同時(shí)，以核心詞作為關(guān)鍵詞在合成生物學(xué)領(lǐng)域代表性數(shù)據(jù)庫ACS（American Chemical Society，美國化學(xué)學(xué)會(huì)）中進(jìn)行檢索，統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)選題的文獻(xiàn)發(fā)表量及其占全部選題文獻(xiàn)發(fā)表量的比例。 通過比對(duì)排名前5 名的選題情況（表1），反映5年來iGEM 選題與合成生物學(xué)領(lǐng)域研究方向的關(guān)系。

如表1 所示，2013—2017年， 選題前5 名和文獻(xiàn)發(fā)表量前5 名中都有環(huán)境、治療學(xué)與新應(yīng)用，說明5年來iGEM 選題熱門與合成生物研究前沿方向具有一致性。在當(dāng)前緊迫的環(huán)境保護(hù)背景下，合成生物學(xué)為設(shè)計(jì)有效、快速、靈敏的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。此外，合成生物學(xué)利用改造微生物高速生產(chǎn)藥物，降低藥物成本，構(gòu)建能幫助基因治療的工程細(xì)胞。 5年來，iGEM 參賽隊(duì)伍有的致力于解決所在地區(qū)環(huán)境問題， 有的致力于解決疾病診斷問題等。總之，合成生物學(xué)的研究越來越聚焦社會(huì)發(fā)展的實(shí)際問題， 而iGEM 參賽隊(duì)伍也在順應(yīng)趨勢(shì)，著眼生活，服務(wù)實(shí)際。 對(duì)參賽隊(duì)伍而言，在確定選題時(shí)應(yīng)根據(jù)生活中的實(shí)際問題，結(jié)合相關(guān)研究進(jìn)展，尋找創(chuàng)新點(diǎn)和突破點(diǎn)。

表1 iGEM 隊(duì)伍選題比例和ACS 數(shù)據(jù)庫中選題比例前5 名統(tǒng)計(jì)

1.1.2 技術(shù) 技術(shù)的選擇與應(yīng)用是實(shí)驗(yàn)部分的決定性環(huán)節(jié)， 而基因編輯技術(shù)因能實(shí)現(xiàn)特定基因片段的敲除和插入， 成為iGEM 濕實(shí)驗(yàn)必不可少的核心環(huán)節(jié)。研究根據(jù)基因編輯技術(shù)的發(fā)展歷程，列舉4 代基因編輯技術(shù)的原理與優(yōu)劣 （表2），并結(jié)合5年來所有iGEM 參賽團(tuán)隊(duì)對(duì)4 種技術(shù)的使用情況進(jìn)行簡要分析， 以期為后續(xù)隊(duì)伍在技術(shù)選擇方面提供建議。

表2 4 代基因編輯技術(shù)的原理與優(yōu)劣

如表2 所示，4 代基因編輯技術(shù)應(yīng)用了不同的原理，且具有各自的優(yōu)劣。 在綜合2013—2017年5年來iGEM 項(xiàng)目后， 研究以上述4 代技術(shù)為關(guān)鍵詞檢索， 統(tǒng)計(jì)當(dāng)年各參賽隊(duì)伍對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的使用數(shù)據(jù)，反映5年間基因編輯技術(shù)應(yīng)用情況。結(jié)果如圖1 所示。

圖1 技術(shù)迭代對(duì)iGEM 金獎(jiǎng)項(xiàng)目的影響

從圖1 可見，2013—2017年間，4 代基因編輯技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)相對(duì)一致： 其中第4 代基因編輯技術(shù)成為各參賽隊(duì)伍的首選，第1 代次之，第2 代與第3 代在5年間的使用量均較少。

研究認(rèn)為， 綜合iGEM 競賽與基因編輯技術(shù)迭代特點(diǎn)，出現(xiàn)上述應(yīng)用情況的原因如下：其一，iGEM 競賽強(qiáng)調(diào)參賽隊(duì)伍創(chuàng)新性的思維與設(shè)計(jì)，第2 代與第3 代基因編輯技術(shù)存在對(duì)基因序列與物種選擇的局限性， 無法滿足需求。 其二，iGEM 競賽要求參賽隊(duì)伍在1年時(shí)間內(nèi)完成全部環(huán)節(jié)，因此，越簡便、高效的實(shí)驗(yàn)技術(shù)越能迎合比賽要求。第1 代技術(shù)操作簡便，第4 代技術(shù)效率高，最適合短時(shí)間內(nèi)的濕實(shí)驗(yàn)。 其三，iGEM 具有很強(qiáng)的學(xué)術(shù)研究性質(zhì)， 第4 代技術(shù)是近年來新興的高效基因編輯技術(shù)，故成為各參賽隊(duì)伍的首要選擇。

后續(xù)參賽隊(duì)伍在選擇實(shí)驗(yàn)技術(shù)時(shí)， 應(yīng)充分考慮項(xiàng)目對(duì)物種與序列的需求，選擇效率高、穩(wěn)定性好的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。一方面新技術(shù)必有其優(yōu)越性，有助于項(xiàng)目取得優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果； 另一方面新技術(shù)的運(yùn)用可為項(xiàng)目增添色彩，成為一個(gè)亮點(diǎn)。

1.1.3 團(tuán)隊(duì)組建與運(yùn)營 iGEM 重視學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力， 組建高效的iGEM 隊(duì)伍也成為影響比賽結(jié)果的重要因素。研究隨機(jī)抽取2013—2017年間50%的金獎(jiǎng)項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以項(xiàng)目時(shí)長、學(xué)生專業(yè)數(shù)量和實(shí)驗(yàn)組人員比例3 個(gè)指標(biāo)探究優(yōu)秀的iGEM 隊(duì)伍應(yīng)如何組建與運(yùn)行。

項(xiàng)目時(shí)長指各項(xiàng)目在進(jìn)行過程中自實(shí)驗(yàn)開始至實(shí)驗(yàn)結(jié)束的累計(jì)天數(shù)。 項(xiàng)目網(wǎng)頁中研究日志（labnote）數(shù)據(jù)顯示，金獎(jiǎng)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)時(shí)長在5年的時(shí)間梯度內(nèi)基本穩(wěn)定介于100～200 天 （3～7 個(gè)月）之間。對(duì)于iGEM 競賽而言，這一期限基本滿足實(shí)驗(yàn)要求，也為前期項(xiàng)目設(shè)計(jì)與后期項(xiàng)目升華留下時(shí)間。

參與學(xué)生的專業(yè)統(tǒng)計(jì)是對(duì)所抽取項(xiàng)目學(xué)生學(xué)科組成的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)， 反映iGEM 作為多學(xué)科交叉競賽的人員合理配比（圖2）。 實(shí)驗(yàn)組人員比例是對(duì)所抽取項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)組人數(shù)占團(tuán)隊(duì)總?cè)藬?shù)的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，反映iGEM 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)人員的合理比重。

圖2 iGEM 金獎(jiǎng)項(xiàng)目參與學(xué)生專業(yè)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，所抽取的金獎(jiǎng)項(xiàng)目中5 個(gè)學(xué)科組隊(duì)的比例最高。iGEM 競賽的主體分為濕實(shí)驗(yàn)、建模、人力實(shí)踐和美工4 個(gè)部分，具有明顯的學(xué)科交叉性，需要不同學(xué)科的學(xué)生討論合作，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)反映5 個(gè)學(xué)科可能是iGEM 隊(duì)伍較為合適的學(xué)科配比。 同時(shí)，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)在iGEM 中占據(jù)重要的地位，研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組所占比例應(yīng)大于40%。

綜上研究認(rèn)為，iGEM 參賽團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)在課題方向與實(shí)驗(yàn)技術(shù)上密切關(guān)注合成生物學(xué)前沿進(jìn)展，優(yōu)先選擇與社會(huì)實(shí)際相關(guān)的熱點(diǎn)問題， 大膽嘗試先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)，擁有5 個(gè)相關(guān)專業(yè)、40%以上實(shí)驗(yàn)人員比例的團(tuán)隊(duì)是較合理的人員配比， 實(shí)驗(yàn)階段時(shí)長3～7 個(gè)月較為合理。

1.2 人力實(shí)踐部分 人力實(shí)踐（human practices，HP）是iGEM 競賽中的重要環(huán)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)該獎(jiǎng)項(xiàng)與以下幾個(gè)方向有關(guān)：

其一，項(xiàng)目選題。 參賽選題應(yīng)貼近社會(huì)生活，與社會(huì)實(shí)際緊密關(guān)聯(lián)。 其二，項(xiàng)目與HP 的聯(lián)系。項(xiàng)目為HP 確定方向，HP 指導(dǎo)項(xiàng)目進(jìn)程。 其三，項(xiàng)目應(yīng)用性。 參賽隊(duì)伍應(yīng)關(guān)注項(xiàng)目成果能否應(yīng)用于生產(chǎn)、生活實(shí)際。 例如2016年iGEM 最佳綜合實(shí)踐獎(jiǎng)UofC_Calgary（加拿大卡爾加里大學(xué)）隊(duì)伍，通過與專業(yè)人員溝通尋找亟待解決的問題確立選題， 設(shè)計(jì)項(xiàng)目工具時(shí)考慮便攜性與長久性2 個(gè)基本要求，并與生物制品公司聯(lián)系嘗試模擬生產(chǎn)。其四， 新技術(shù)的應(yīng)用。 新興技術(shù)應(yīng)用能成為項(xiàng)目特色，是HP 部分的一大亮點(diǎn)。 例如2017年最佳綜合實(shí)踐獎(jiǎng)獲得者Heidelberg（海德堡）隊(duì)伍開發(fā)軟件程序，分割和處理大數(shù)據(jù)，與人工智能相聯(lián)系，符合社會(huì)發(fā)展前景。

上述4 項(xiàng)HP 優(yōu)秀項(xiàng)目的亮點(diǎn)可為后續(xù)參賽隊(duì)伍提供參考，在項(xiàng)目最初的選題，最后的應(yīng)用，以及項(xiàng)目進(jìn)展中與HP 的關(guān)聯(lián)， 與新技術(shù)的關(guān)聯(lián)進(jìn)行深入探究，可增加社會(huì)實(shí)踐的深度與廣度，使其更具說服力。

1.3 維基部分 維基（Wiki）是參賽隊(duì)伍展示比賽成果的網(wǎng)頁， 每個(gè)參賽隊(duì)伍均需建立屬于自己的網(wǎng)頁。簡明條理的Wiki 有助于裁判定奪獲獎(jiǎng)條件。 研究綜合2013—2017年iGEM 競賽中最佳Wiki 獎(jiǎng)，為后續(xù)隊(duì)伍提供如下幾點(diǎn)參考：

其一， 注重Wiki 選材與項(xiàng)目的貼合程度。Wiki 應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合項(xiàng)目本身，使讀者在閱讀Wiki的過程中加深對(duì)項(xiàng)目的理解。 例如2017年最佳Wiki 隊(duì)伍Wageningen_UR（瓦格寧根大學(xué)）依據(jù)項(xiàng)目材料“螳螂”，以翠綠色為底色，根據(jù)項(xiàng)目背景繪制世界地圖展現(xiàn)傳染病分布狀況， 加深了讀者在閱讀Wiki 時(shí)的直觀印象。 其二，注重多媒體的組合運(yùn)用。 在Wiki 中添加視頻或動(dòng)畫，增強(qiáng)視覺沖擊性，使項(xiàng)目介紹更直觀生動(dòng)。這一方法被越來越多的參賽隊(duì)伍廣泛使用，例如2015—2017年最佳Wiki 隊(duì)伍UCSF（加利福尼亞大學(xué)舊金山分校）均包含視頻動(dòng)畫，極大增加了其可視性。 其三，注重清晰的邏輯鏈條。 在Wiki 中借助流程圖等展示邏輯鏈條，能緊抓讀者思路深入了解項(xiàng)目，體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)縝密的思維，例如2017年最佳Wiki 隊(duì)伍Wageningen_UR 將每個(gè)環(huán)節(jié)都分為多個(gè)板塊逐一介紹， 減少閱讀障礙。 其四， 注重突出重點(diǎn)與亮點(diǎn)，將項(xiàng)目滿足的獲獎(jiǎng)標(biāo)準(zhǔn)著重列出，放大項(xiàng)目優(yōu)勢(shì)， 例如2017年最佳Wiki 隊(duì)伍Wageningen_UR將獎(jiǎng)牌標(biāo)準(zhǔn)與亮點(diǎn)突出呈現(xiàn)在首頁。

盡管Wiki 的評(píng)定不可避免存在一定的主觀色彩，然而上述4 項(xiàng)特點(diǎn)著重強(qiáng)調(diào)了優(yōu)秀Wiki 的相似之處，能為后續(xù)參賽隊(duì)伍提供一定的參考，其余別具特色的設(shè)計(jì)則需要各隊(duì)伍根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考量。

2 研究結(jié)論

近年來，iGEM 競賽在我國得到了越來越多的重視與發(fā)展， 其在學(xué)術(shù)科研領(lǐng)域不僅代表著合成生物學(xué)的方向，更推動(dòng)了合成生物學(xué)的發(fā)展，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生自主探究與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。 因此，在iGEM競賽快速發(fā)展的幾年里， 探究其優(yōu)秀項(xiàng)目的成功因素，吸取經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)參賽隊(duì)伍具有重要意義。

本文就濕實(shí)驗(yàn)、人力實(shí)踐和維基3 個(gè)部分展開探究，認(rèn)為在濕實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)密切關(guān)注合成生物學(xué)前沿進(jìn)展， 優(yōu)先選擇與社會(huì)實(shí)際相關(guān)的熱點(diǎn)話題，優(yōu)先應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)解決問題；在HP 環(huán)節(jié)，應(yīng)從選題、項(xiàng)目開展至成果應(yīng)用統(tǒng)籌規(guī)劃， 全局把控項(xiàng)目與HP 相輔相成的關(guān)系；在Wiki 部分，則應(yīng)注意清晰規(guī)劃邏輯鏈條與美工制作，使得界面既具有清晰的邏輯順序，又不失良好的視覺體驗(yàn)。 此外，研究通過對(duì)已往項(xiàng)目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)認(rèn)為， 擁有5 個(gè)相關(guān)專業(yè)、40%以上實(shí)驗(yàn)人員比例的團(tuán)隊(duì)是較合理的人員配比，而實(shí)驗(yàn)階段時(shí)長以3～7 個(gè)月較為合適。

呂靜等［1］認(rèn)為合成生物學(xué)是新一代生物學(xué)，是一個(gè)新型、復(fù)雜的生命系統(tǒng)的工程學(xué)科；熊燕等［2］認(rèn)為合成生物學(xué)是綜合了科學(xué)與工程的一個(gè)嶄新的生物學(xué)研究領(lǐng)域；呂永坤［3］認(rèn)為合成生物學(xué)是一門將生物學(xué)工程化的應(yīng)用學(xué)科；以基因組設(shè)計(jì)與合成為標(biāo)志的合成生物學(xué)代表第3 次生物技術(shù)革命，擁有著巨大的發(fā)展空間，更代表著生命科學(xué)領(lǐng)域的未來。 iGEM 作為合成生物學(xué)領(lǐng)域頂尖水平的學(xué)術(shù)競賽，其濃厚的學(xué)術(shù)氛圍、全面的評(píng)判指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)的比賽流程讓參賽者體會(huì)到合成生物學(xué)的巨大魅力。 對(duì)iGEM 的參與、討論與分析既是對(duì)自身能力的提高，也為后續(xù)參賽隊(duì)伍提供參考。