關于國際遺傳工程機器大賽金獎項目的分析

衛 敏 邵小涵 陳金波

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

國際遺傳工程機器大賽（international genetically engineered machine competition，iGEM）是合成生物學（synthetic biology）領域頂尖水平的國際性學術競賽。 2003年1月，iGEM 首次在美國麻省理工學院作為一門獨立學習課程出現， 后來逐漸發展壯大，成為涵蓋多個國家、學科、年級組的國際性學術競賽。時至2017年，iGEM 參賽團隊已覆蓋五大洲40 多個國家，共295 支隊伍。

近年來， 隨著影響力的逐漸擴大，iGEM 也吸引了我國越來越多的高校和中學參賽，究其本源，在于iGEM 兼具學術科研與能力培養2 個方面的優勢。 首先，iGEM 能代表合成生物學領域的發展。 合成生物學強調對天然系統的改造，iGEM 各項目利用基因工程、 蛋白質工程等手段改造目標生物， 使其具有新的功能或表現新的性狀，且iGEM 競賽中各項目組提交的標準化組件正是符合合成生物學“模式化”的核心思想。 其次，iGEM由參賽隊伍自主設計選題，獨立完成實驗，對于學生能力的培養有重要意義。iGEM 強調項目與社會實際的關聯，參賽隊伍在選題過程中著眼于生活，服務于生活，培養學生的社會責任感。 同時，iGEM強調多學科交叉，體現了跨學科思維，在不同學科的碰撞中開拓眼界，鍛煉學生的團隊協作能力。

1 研究方法與結果

本文數據來源于2013—2017年iGEM 官網，研究選取了5年間iGEM 的部分金獎獲得項目，使用Excel、R 語言3.4.1 與IBM SPSS Statistics 22等軟件對數據進行了統計分析。

1.1 實驗部分

1.1.1 選題 選題指iGEM 各隊伍選定的項目方向。 研究以2013—2017年的隊伍名單為依據，計算每種選題的占比，同時，以核心詞作為關鍵詞在合成生物學領域代表性數據庫ACS（American Chemical Society，美國化學學會）中進行檢索，統計對應選題的文獻發表量及其占全部選題文獻發表量的比例。 通過比對排名前5 名的選題情況（表1），反映5年來iGEM 選題與合成生物學領域研究方向的關系。

如表1 所示，2013—2017年， 選題前5 名和文獻發表量前5 名中都有環境、治療學與新應用，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。在當前緊迫的環境保護背景下，合成生物學為設計有效、快速、靈敏的環境監測系統創造了優越的條件。此外，合成生物學利用改造微生物高速生產藥物，降低藥物成本，構建能幫助基因治療的工程細胞。 5年來，iGEM 參賽隊伍有的致力于解決所在地區環境問題， 有的致力于解決疾病診斷問題等。總之，合成生物學的研究越來越聚焦社會發展的實際問題， 而iGEM 參賽隊伍也在順應趨勢，著眼生活，服務實際。 對參賽隊伍而言，在確定選題時應根據生活中的實際問題，結合相關研究進展，尋找創新點和突破點。

表1 iGEM 隊伍選題比例和ACS 數據庫中選題比例前5 名統計

1.1.2 技術 技術的選擇與應用是實驗部分的決定性環節， 而基因編輯技術因能實現特定基因片段的敲除和插入， 成為iGEM 濕實驗必不可少的核心環節。研究根據基因編輯技術的發展歷程，列舉4 代基因編輯技術的原理與優劣 （表2），并結合5年來所有iGEM 參賽團隊對4 種技術的使用情況進行簡要分析， 以期為后續隊伍在技術選擇方面提供建議。

表2 4 代基因編輯技術的原理與優劣

如表2 所示，4 代基因編輯技術應用了不同的原理，且具有各自的優劣。 在綜合2013—2017年5年來iGEM 項目后， 研究以上述4 代技術為關鍵詞檢索， 統計當年各參賽隊伍對該項技術的使用數據，反映5年間基因編輯技術應用情況。結果如圖1 所示。

圖1 技術迭代對iGEM 金獎項目的影響

從圖1 可見，2013—2017年間，4 代基因編輯技術的應用趨勢相對一致： 其中第4 代基因編輯技術成為各參賽隊伍的首選，第1 代次之，第2 代與第3 代在5年間的使用量均較少。

研究認為， 綜合iGEM 競賽與基因編輯技術迭代特點，出現上述應用情況的原因如下：其一，iGEM 競賽強調參賽隊伍創新性的思維與設計，第2 代與第3 代基因編輯技術存在對基因序列與物種選擇的局限性， 無法滿足需求。 其二，iGEM 競賽要求參賽隊伍在1年時間內完成全部環節，因此，越簡便、高效的實驗技術越能迎合比賽要求。第1 代技術操作簡便，第4 代技術效率高，最適合短時間內的濕實驗。 其三，iGEM 具有很強的學術研究性質， 第4 代技術是近年來新興的高效基因編輯技術，故成為各參賽隊伍的首要選擇。

后續參賽隊伍在選擇實驗技術時， 應充分考慮項目對物種與序列的需求，選擇效率高、穩定性好的實驗技術。一方面新技術必有其優越性，有助于項目取得優秀的實驗結果； 另一方面新技術的運用可為項目增添色彩，成為一個亮點。

1.1.3 團隊組建與運營 iGEM 重視學生團隊協作能力， 組建高效的iGEM 隊伍也成為影響比賽結果的重要因素。研究隨機抽取2013—2017年間50%的金獎項目進行統計，以項目時長、學生專業數量和實驗組人員比例3 個指標探究優秀的iGEM 隊伍應如何組建與運行。

項目時長指各項目在進行過程中自實驗開始至實驗結束的累計天數。 項目網頁中研究日志（labnote）數據顯示，金獎項目實驗時長在5年的時間梯度內基本穩定介于100～200 天 （3～7 個月）之間。對于iGEM 競賽而言，這一期限基本滿足實驗要求，也為前期項目設計與后期項目升華留下時間。

參與學生的專業統計是對所抽取項目學生學科組成的數據統計， 反映iGEM 作為多學科交叉競賽的人員合理配比（圖2）。 實驗組人員比例是對所抽取項目實驗組人數占團隊總人數的比例進行統計，反映iGEM 項目實驗人員的合理比重。

圖2 iGEM 金獎項目參與學生專業個數統計

根據統計結果，所抽取的金獎項目中5 個學科組隊的比例最高。iGEM 競賽的主體分為濕實驗、建模、人力實踐和美工4 個部分，具有明顯的學科交叉性，需要不同學科的學生討論合作，數據統計反映5 個學科可能是iGEM 隊伍較為合適的學科配比。 同時，生物學實驗在iGEM 中占據重要的地位，研究統計數據發現實驗組所占比例應大于40%。

綜上研究認為，iGEM 參賽團隊應在課題方向與實驗技術上密切關注合成生物學前沿進展，優先選擇與社會實際相關的熱點問題， 大膽嘗試先進技術，同時，擁有5 個相關專業、40%以上實驗人員比例的團隊是較合理的人員配比， 實驗階段時長3～7 個月較為合理。

1.2 人力實踐部分 人力實踐（human practices，HP）是iGEM 競賽中的重要環節。研究發現該獎項與以下幾個方向有關：

其一，項目選題。 參賽選題應貼近社會生活，與社會實際緊密關聯。 其二，項目與HP 的聯系。項目為HP 確定方向，HP 指導項目進程。 其三，項目應用性。 參賽隊伍應關注項目成果能否應用于生產、生活實際。 例如2016年iGEM 最佳綜合實踐獎UofC_Calgary（加拿大卡爾加里大學）隊伍，通過與專業人員溝通尋找亟待解決的問題確立選題， 設計項目工具時考慮便攜性與長久性2 個基本要求，并與生物制品公司聯系嘗試模擬生產。其四， 新技術的應用。 新興技術應用能成為項目特色，是HP 部分的一大亮點。 例如2017年最佳綜合實踐獎獲得者Heidelberg（海德堡）隊伍開發軟件程序，分割和處理大數據，與人工智能相聯系，符合社會發展前景。

上述4 項HP 優秀項目的亮點可為后續參賽隊伍提供參考，在項目最初的選題，最后的應用，以及項目進展中與HP 的關聯， 與新技術的關聯進行深入探究，可增加社會實踐的深度與廣度，使其更具說服力。

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

其一， 注重Wiki 選材與項目的貼合程度。Wiki 應當緊密結合項目本身，使讀者在閱讀Wiki的過程中加深對項目的理解。 例如2017年最佳Wiki 隊伍Wageningen_UR（瓦格寧根大學）依據項目材料“螳螂”，以翠綠色為底色，根據項目背景繪制世界地圖展現傳染病分布狀況， 加深了讀者在閱讀Wiki 時的直觀印象。 其二，注重多媒體的組合運用。 在Wiki 中添加視頻或動畫，增強視覺沖擊性，使項目介紹更直觀生動。這一方法被越來越多的參賽隊伍廣泛使用，例如2015—2017年最佳Wiki 隊伍UCSF（加利福尼亞大學舊金山分校）均包含視頻動畫，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目，體現團隊縝密的思維，例如2017年最佳Wiki 隊伍Wageningen_UR 將每個環節都分為多個板塊逐一介紹， 減少閱讀障礙。 其四， 注重突出重點與亮點，將項目滿足的獲獎標準著重列出，放大項目優勢， 例如2017年最佳Wiki 隊伍Wageningen_UR將獎牌標準與亮點突出呈現在首頁。

盡管Wiki 的評定不可避免存在一定的主觀色彩，然而上述4 項特點著重強調了優秀Wiki 的相似之處，能為后續參賽隊伍提供一定的參考，其余別具特色的設計則需要各隊伍根據實際情況進行考量。

2 研究結論

近年來，iGEM 競賽在我國得到了越來越多的重視與發展， 其在學術科研領域不僅代表著合成生物學的方向，更推動了合成生物學的發展，同時也培養了學生自主探究與團隊協作能力。 因此，在iGEM競賽快速發展的幾年里， 探究其優秀項目的成功因素，吸取經驗，對后續參賽隊伍具有重要意義。

本文就濕實驗、人力實踐和維基3 個部分展開探究，認為在濕實驗中，應密切關注合成生物學前沿進展， 優先選擇與社會實際相關的熱點話題，優先應用先進技術解決問題；在HP 環節，應從選題、項目開展至成果應用統籌規劃， 全局把控項目與HP 相輔相成的關系；在Wiki 部分，則應注意清晰規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。 此外，研究通過對已往項目的數據統計認為， 擁有5 個相關專業、40%以上實驗人員比例的團隊是較合理的人員配比，而實驗階段時長以3～7 個月較為合適。

呂靜等［1］認為合成生物學是新一代生物學，是一個新型、復雜的生命系統的工程學科；熊燕等［2］認為合成生物學是綜合了科學與工程的一個嶄新的生物學研究領域；呂永坤［3］認為合成生物學是一門將生物學工程化的應用學科；以基因組設計與合成為標志的合成生物學代表第3 次生物技術革命，擁有著巨大的發展空間，更代表著生命科學領域的未來。 iGEM 作為合成生物學領域頂尖水平的學術競賽，其濃厚的學術氛圍、全面的評判指標、標準的比賽流程讓參賽者體會到合成生物學的巨大魅力。 對iGEM 的參與、討論與分析既是對自身能力的提高，也為后續參賽隊伍提供參考。