國際基因工程機器大賽對本科生創新能力培養的啟示

譚 靜，胡啟文，肖文剛，程曉斌

（第三軍醫大學，重慶 400038）

國際基因工程機器大賽對本科生創新能力培養的啟示

譚 靜，胡啟文，肖文剛，程曉斌*

（第三軍醫大學，重慶 400038）

國際基因工程機器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM）是合成生物學領域的最高國際性學術競賽，參加該大賽可充分發揮本科生學習自主性和能動性，提升創新能力與綜合素質。本文介紹iGEM具體情況，并結合第三軍醫大學iGEM代表隊參賽過程，探討iGEM對本科生創新能力培養的啟示。

國際基因工程機器大賽；本科生；創新能力

國際基因工程機器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM）是一年一度的國際性大學生課外學術競賽[1]，由美國麻省理工學院于2003年創辦，旨在推動合成生物學發展，培養學生對科學的熱情，促進各國大學生在該領域的交流與合作。

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科大學。我校臨床醫學專業21名本科生組成參賽隊伍，在微生物學教研室教師指導下，歷時一年，完成了參賽項目“外源基因敲入乳酸乳球菌快速篩選系統”，一舉斬獲金獎，受到參賽各隊及評委的好評。本文結合我校iGEM參賽過程，就如何開展備賽工作、大賽對醫學院校本科生創新能力培養的啟示進行了思考。

1 iGEM簡介

1.1 iGEM的起源和發展

iGEM是合成生物學領域的頂級國際性大學生學術競賽，而合成生物學是21世紀初興起的一門新興學科，強調“設計”和“重設計”，試圖設計、構建、完善人工生物模塊及系統，實現對復雜生物系統的操縱和測量，在疫苗生產、新藥研發、生物制造、生物能源、環境修復、生物傳感器等多個領域具有極好的應用前景[2]。

iGEM起源于2003年麻省理工學院的合成生物學課程，2004年發展成為一個有5支隊伍參加的暑期競賽，2005年發展為國際競賽并更名為iGEM，之后參賽隊伍逐年增加[3]。2006年亞洲隊伍開始參賽，2007年北京大學、清華大學、中國科學技術大學等高校參賽。到2016年，iGEM已成為世界上最前沿和最具影響力的生物學競賽，共有來自五大洲三十多個國家、地區的283支隊伍參加比賽，包括哈佛、耶魯、劍橋、牛津、帝國理工等世界一流大學，以及我國的北京大學、清華大學、中國科學技術大學、復旦大學、浙江大學等高校代表隊。iGEM匯集了來自世界各地的精彩紛呈、創意迭出的參賽項目，既充滿了奇思妙想又展現出巨大的應用前景。作為合成生物學領域的頂級賽事，iGEM受到學術界和工業界的廣泛關注與積極宣傳，《Nature》《Science》《Economists》等國際頂級雜志以及 BBC 等媒體都對其做過專題報道。不僅如此，競賽中展示的眾多研究成果都會提交到麻省理工學院的iGEM組委會，供全球科學家共享。

1.2 iGEM競賽形式

iGEM涉及生物學、化學、物理學、信息學等學科，是以合成生物學為核心多學科交叉的國際級科技競賽，其理念在于鼓勵大學生積極創新，用創新去改變世界。通過競賽搭建學科間交流的平臺，回答合成生物學的核心問題。大賽每年舉行一次，各參賽院校在每年年初組建隊伍，自行選定課題并進行驗證，于第四季度赴美國波士頓參加總決賽。參賽隊伍根據課題類型分為 Energy、Environment、Foundational Advance、Food and Nutrition、New Application等8組。備賽過程中學生為主導自由選題，指導教師給予相關建議，大賽組委會對參賽項目沒有明確限定，各隊利用課余時間合作完成相應的實驗，同時，組委會每年都會提供詳盡的時間進度表。

iGEM是一項綜合比賽，充分鍛煉了參賽隊員的創新能力、團隊協作能力。大賽包括實驗項目、實踐推廣、數學建模、合作交流、網頁制作、部件遞交、現場答辯、海報展示8個模塊，需要參賽隊伍具備實驗設計、數學建模、網頁設計等綜合技能。參賽隊伍在前期必須完成實驗室驗證、數學建模、部件遞交、實踐推廣、利用網絡展示研究結果等規定任務。赴美比賽期間還必須完成海報展示、現場答辯工作，在組委會指定大廳展示項目海報，并對前來提問的裁判進行講解匯報。在此基礎上，進行現場答辯，先用英語匯報20分鐘，包括研究背景、實驗項目、數學建模、實踐推廣、研究展望等內容，匯報結束后全體隊員上臺進行答辯，回答評委提問。大賽獎項分為金獎、銀獎、銅獎、小組獎、最佳單項獎以及全球最佳大獎，其中金獎、銀獎、銅獎評定側重于參賽項目的完成度，由組委會按具體評判標準評定。

1.3 iGEM參賽意義

iGEM是對傳統教育的有益補充，采取學生自主選題、導師提供實驗室和指導意見的“學生主導、導師把關”模式[2]，為本科生提供了一個在課外進行自主探索的平臺，使其不但可以將學到的知識運用到實際科研工作中，而且對科學思維、自主學習、人際交往、團隊協作、跨學科交流等能力進行了全面鍛煉。

2 iGEM參賽過程

2.1 隊伍組建

高素質的隊員和領隊是參加競賽活動的關鍵[4]。我校第一次參加iGEM競賽，由基礎部微生物學教研室負責備賽工作，并聯合外語教研室共同實施，確立了以饒賢才教授、胡曉梅教授、胡啟文副教授、王競講師等為主的指導教師團隊。鑒于很多學生對iGEM不熟悉，微生物學教研室胡啟文副教授先后組織3次演講，讓學員知道iGEM是什么、做什么、怎么做。在此基礎上，通過校園網、海報等方式進行隊員招募宣傳，全校學生都可以通過網絡報名，根據個人簡歷進行第一輪篩選，隨后進行面試選拔。面試環節指導教師采取談話交流形式，通過學生自我介紹和回答問題，綜合考察其參賽動機、學習態度、時間安排、個人能力等情況，在寒假前確定了21名本科生為參賽隊員，并組建了我校第一支iGEM參賽隊伍，命名為“TMMU-China”。

2.2 隊伍培訓

我校是國內參賽隊伍中唯一一所獨立醫科大學，隊員均來自臨床醫學專業，合成生物學專業知識比較欠缺。如何讓一支新的隊伍變得團結且具有戰斗力、如何為隊員補充專業知識，成為培訓的首要問題。一是學習專業基礎知識。指導教師提供合成生物學和iGEM相關資料，要求隊員在寒假期間進行大量閱讀，并且通讀《合成生物學導論》；指導教師建立QQ群，每周布置特定任務，隊員完成后在群內交流并上傳自己的讀書筆記等。二是舉辦專題講座。由指導教師和校內相關領域教師組織合成生物學講座，介紹國內外合成生物學最新進展。三是學習相關操作技術。2016年3—4月隊員開始接受PCR、WB等專業技術培訓，同時加強文獻閱讀，每周開會討論課題思路并進行調研實踐。此外，根據每位隊員的特長進行分工分組，分為實驗組、建模組、網頁組和社會活動組等5個小組，邀請相關人員開展針對性培訓。

2.3 競賽項目

在前期調研、頭腦風暴基礎上，參賽團隊先后對二十多個項目進行評估討論，最終確定了一個既有創新性和科學性又能在幾個月時間內完成的項目。我校參賽項目定位為底盤生物。在合成生物學中，一個活的生命體或者細胞就是底盤生物，比如大腸桿菌、酵母菌、小球藻等，以此為基礎，將其他的一些“元素”加到這種底盤生物上，使之呈現出多種性能。我校參賽項目是改造乳酸乳球菌，通過系統設計將其變為一個更優秀的底盤生物，為以后人們對乳酸乳球菌進行改造提供便利。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質粒切粒的方式，將目的基因敲入基因組中。二是為解決抗生素問題，引入食品安全級的篩選標記“nisin”，并引入可以完整編碼半乳糖苷酶的LacZ基因，結合基因同源重組，建立了可以直接通過視覺進行篩選的“藍白斑篩選系統”。三是為使乳酸乳球菌系統更加完善，進行了系列優化，實現了表面展示降鈣素和沙門傷寒菌多糖抗原Vi，進一步驗證了設計系統。這種工程菌在適當培養基上是藍色，當其他元素成功導入后，就會變成白色，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。

2.4 交流活動

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、與別的隊伍合作交流。我校舉辦了到重慶市圖書館演講、校運動會宣傳活動，設計了合成生物學涂色本等。同時，我們與國防科技大學、四川大學、電子科技大學、南京大學等高校代表隊進行了深入交流，在隊伍建設、課題進展、數學建模等方面進行了合作，并先后參加了西南聯盟iGEM團隊交流會（四川大學、電子科技大學等5支隊伍參加）和第三屆中國地區iGEM交流會（北京大學、中山大學等28支隊伍參加），各參賽隊伍分享參賽項目，與會專家重點對項目設計、研究方法、項目進展、科學問題等提出針對性意見和建議。我們也主動邀請國防科技大學、南京大學等高校的4支隊伍來我校交流，相互介紹課題進展，完善參賽課題。

3 iGEM對本科生創新能力培養的啟示

創新能力是指人們在創新活動中表現出來的潛能，包括創新意識、創新精神、創新性人格等要素[5]。iGEM作為一項國際性大學生學術競賽，對提升本科生創新能力、培養創新性人才發揮了重要作用。因此，可以以iGEM為載體，進一步完善本科生創新教育體系。

3.1 創新本科生科研競賽形式

堅持“科教融合、協同育人”理念，將iGEM培訓納入本科生第二課堂，使之成為一項系統化、長期的科研訓練活動；借鑒其競賽形式，構建科研項目、實踐推廣、海報展示、現場答辯等多環節一體化科研訓練模式，并以此為基礎，組織本科生參加國內外學術競賽。

3.2 搭建本科生學術交流平臺

開設合成生物學、專業文獻閱讀等選修課程，加強本科生專業理論知識和操作技能學習；舉辦科研學術講座，定期邀請校內外專家講學；建立信息交流網站，定期組織本科生學術報告會，培養學生科研興趣；建設iGEM創新實驗室，為學生深入開展合成生物學領域的科研訓練提供平臺，為競賽成果轉化應用提供資源支持。

3.3 建立對外交流合作渠道

iGEM是一項以合成生物學為核心多學科交叉的國際級科技競賽，涉及知識面廣，需要不同專業背景的人員協作。因此，學生團隊合作與交流能力尤為重要。學校內部定期開展本科生創新設計比賽，組織交流活動，選送優秀本科生到國內高水平實驗室開展科研實踐，短期與國外專家合作，加強專業領域的溝通交流，提升團隊合作能力。

3.4 改革課程教學方法

遵循教育規律和人才成長規律，探索有利于本科生創新能力培養的教學方法，實現教學內容、教學方法科研化。改革教學內容，以iGEM為載體，在理論教學過程中運用科研方法，開展以科研項目、方案實施、探索驗證為主的案例式、探究式、討論式教學，幫助學生學會學習，在獲取知識的同時鍛煉科研能力，提升科研素質。

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

[2]李燕，連俊，陳銘．iGEM在浙江大學培養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．合成生物學與 iGEM[J]．生物信息學，2012（2）：145．

[4]洪泂，羅昭峰，梁志，等．高水平國際學術競賽在大學生創新能力培養中的作用[J]．高校生物學教學研究（電子版），2012，2（3）：60-64．

[5]范宗憲，姚雅芬，王世軍，等．營造創新教育氛圍,培養醫學生創新能力[J]．黑龍江醫藥科學，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改革研究立項課題（153223）

（*通訊作者：程曉斌）