国际基因工程机器大赛对本科生创新能力培养的启示

2018-03-03胡启文肖文刚程晓斌

卫生职业教育 2018年1期

关键词：本科生生物学竞赛

谭静，胡启文，肖文刚，程晓斌

（第三军医大学，重庆 400038）

国际基因工程机器大赛对本科生创新能力培养的启示

谭静，胡启文，肖文刚，程晓斌*

（第三军医大学，重庆 400038）

国际基因工程机器大赛（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM）是合成生物学领域的最高国际性学术竞赛，参加该大赛可充分发挥本科生学习自主性和能动性，提升创新能力与综合素质。本文介绍iGEM具体情况，并结合第三军医大学iGEM代表队参赛过程，探讨iGEM对本科生创新能力培养的启示。

国际基因工程机器大赛；本科生；创新能力

国际基因工程机器大赛（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM）是一年一度的国际性大学生课外学术竞赛[1]，由美国麻省理工学院于2003年创办，旨在推动合成生物学发展，培养学生对科学的热情，促进各国大学生在该领域的交流与合作。

我校于2016年首次参加iGEM，也是重庆市第一所、全军唯一一所参赛的医科大学。我校临床医学专业21名本科生组成参赛队伍，在微生物学教研室教师指导下，历时一年，完成了参赛项目“外源基因敲入乳酸乳球菌快速筛选系统”，一举斩获金奖，受到参赛各队及评委的好评。本文结合我校iGEM参赛过程，就如何开展备赛工作、大赛对医学院校本科生创新能力培养的启示进行了思考。

1 iGEM简介

1.1 iGEM的起源和发展

iGEM是合成生物学领域的顶级国际性大学生学术竞赛，而合成生物学是21世纪初兴起的一门新兴学科，强调“设计”和“重设计”，试图设计、构建、完善人工生物模块及系统，实现对复杂生物系统的操纵和测量，在疫苗生产、新药研发、生物制造、生物能源、环境修复、生物传感器等多个领域具有极好的应用前景[2]。

iGEM起源于2003年麻省理工学院的合成生物学课程，2004年发展成为一个有5支队伍参加的暑期竞赛，2005年发展为国际竞赛并更名为iGEM，之后参赛队伍逐年增加[3]。2006年亚洲队伍开始参赛，2007年北京大学、清华大学、中国科学技术大学等高校参赛。到2016年，iGEM已成为世界上最前沿和最具影响力的生物学竞赛，共有来自五大洲三十多个国家、地区的283支队伍参加比赛，包括哈佛、耶鲁、剑桥、牛津、帝国理工等世界一流大学，以及我国的北京大学、清华大学、中国科学技术大学、复旦大学、浙江大学等高校代表队。iGEM汇集了来自世界各地的精彩纷呈、创意迭出的参赛项目，既充满了奇思妙想又展现出巨大的应用前景。作为合成生物学领域的顶级赛事，iGEM受到学术界和工业界的广泛关注与积极宣传，《Nature》《Science》《Economists》等国际顶级杂志以及 BBC 等媒体都对其做过专题报道。不仅如此，竞赛中展示的众多研究成果都会提交到麻省理工学院的iGEM组委会，供全球科学家共享。

1.2 iGEM竞赛形式

iGEM涉及生物学、化学、物理学、信息学等学科，是以合成生物学为核心多学科交叉的国际级科技竞赛，其理念在于鼓励大学生积极创新，用创新去改变世界。通过竞赛搭建学科间交流的平台，回答合成生物学的核心问题。大赛每年举行一次，各参赛院校在每年年初组建队伍，自行选定课题并进行验证，于第四季度赴美国波士顿参加总决赛。参赛队伍根据课题类型分为 Energy、Environment、Foundational Advance、Food and Nutrition、New Application等8组。备赛过程中学生为主导自由选题，指导教师给予相关建议，大赛组委会对参赛项目没有明确限定，各队利用课余时间合作完成相应的实验，同时，组委会每年都会提供详尽的时间进度表。

iGEM是一项综合比赛，充分锻炼了参赛队员的创新能力、团队协作能力。大赛包括实验项目、实践推广、数学建模、合作交流、网页制作、部件递交、现场答辩、海报展示8个模块，需要参赛队伍具备实验设计、数学建模、网页设计等综合技能。参赛队伍在前期必须完成实验室验证、数学建模、部件递交、实践推广、利用网络展示研究结果等规定任务。赴美比赛期间还必须完成海报展示、现场答辩工作，在组委会指定大厅展示项目海报，并对前来提问的裁判进行讲解汇报。在此基础上，进行现场答辩，先用英语汇报20分钟，包括研究背景、实验项目、数学建模、实践推广、研究展望等内容，汇报结束后全体队员上台进行答辩，回答评委提问。大赛奖项分为金奖、银奖、铜奖、小组奖、最佳单项奖以及全球最佳大奖，其中金奖、银奖、铜奖评定侧重于参赛项目的完成度，由组委会按具体评判标准评定。

1.3 iGEM参赛意义

iGEM是对传统教育的有益补充，采取学生自主选题、导师提供实验室和指导意见的“学生主导、导师把关”模式[2]，为本科生提供了一个在课外进行自主探索的平台，使其不但可以将学到的知识运用到实际科研工作中，而且对科学思维、自主学习、人际交往、团队协作、跨学科交流等能力进行了全面锻炼。

2 iGEM参赛过程

2.1 队伍组建

高素质的队员和领队是参加竞赛活动的关键[4]。我校第一次参加iGEM竞赛，由基础部微生物学教研室负责备赛工作，并联合外语教研室共同实施，确立了以饶贤才教授、胡晓梅教授、胡启文副教授、王竞讲师等为主的指导教师团队。鉴于很多学生对iGEM不熟悉，微生物学教研室胡启文副教授先后组织3次演讲，让学员知道iGEM是什么、做什么、怎么做。在此基础上，通过校园网、海报等方式进行队员招募宣传，全校学生都可以通过网络报名，根据个人简历进行第一轮筛选，随后进行面试选拔。面试环节指导教师采取谈话交流形式，通过学生自我介绍和回答问题，综合考察其参赛动机、学习态度、时间安排、个人能力等情况，在寒假前确定了21名本科生为参赛队员，并组建了我校第一支iGEM参赛队伍，命名为“TMMU-China”。

2.2 队伍培训

我校是国内参赛队伍中唯一一所独立医科大学，队员均来自临床医学专业，合成生物学专业知识比较欠缺。如何让一支新的队伍变得团结且具有战斗力、如何为队员补充专业知识，成为培训的首要问题。一是学习专业基础知识。指导教师提供合成生物学和iGEM相关资料，要求队员在寒假期间进行大量阅读，并且通读《合成生物学导论》；指导教师建立QQ群，每周布置特定任务，队员完成后在群内交流并上传自己的读书笔记等。二是举办专题讲座。由指导教师和校内相关领域教师组织合成生物学讲座，介绍国内外合成生物学最新进展。三是学习相关操作技术。2016年3—4月队员开始接受PCR、WB等专业技术培训，同时加强文献阅读，每周开会讨论课题思路并进行调研实践。此外，根据每位队员的特长进行分工分组，分为实验组、建模组、网页组和社会活动组等5个小组，邀请相关人员开展针对性培训。

2.3 竞赛项目

在前期调研、头脑风暴基础上，参赛团队先后对二十多个项目进行评估讨论，最终确定了一个既有创新性和科学性又能在几个月时间内完成的项目。我校参赛项目定位为底盘生物。在合成生物学中，一个活的生命体或者细胞就是底盘生物，比如大肠杆菌、酵母菌、小球藻等，以此为基础，将其他的一些“元素”加到这种底盘生物上，使之呈现出多种性能。我校参赛项目是改造乳酸乳球菌，通过系统设计将其变为一个更优秀的底盘生物，为以后人们对乳酸乳球菌进行改造提供便利。一是加工出一株通用工程菌及基因工程工具包，将携带有目的基因的质粒通过第一次单交换同源重组整合到基因组中，并通过第二次同源重组诱导质粒切粒的方式，将目的基因敲入基因组中。二是为解决抗生素问题，引入食品安全级的筛选标记“nisin”，并引入可以完整编码半乳糖苷酶的LacZ基因，结合基因同源重组，建立了可以直接通过视觉进行筛选的“蓝白斑筛选系统”。三是为使乳酸乳球菌系统更加完善，进行了系列优化，实现了表面展示降钙素和沙门伤寒菌多糖抗原Vi，进一步验证了设计系统。这种工程菌在适当培养基上是蓝色，当其他元素成功导入后，就会变成白色，这种差别肉眼可见，一目了然，且无任何抗生素耐药基因残留，为研究者提供了一种有用而高效的基因组快速整合筛选系统。

2.4 交流活动

iGEM参赛需要的不仅仅是课题，还需要将自己的成果推广出去、与别的队伍合作交流。我校举办了到重庆市图书馆演讲、校运动会宣传活动，设计了合成生物学涂色本等。同时，我们与国防科技大学、四川大学、电子科技大学、南京大学等高校代表队进行了深入交流，在队伍建设、课题进展、数学建模等方面进行了合作，并先后参加了西南联盟iGEM团队交流会（四川大学、电子科技大学等5支队伍参加）和第三届中国地区iGEM交流会（北京大学、中山大学等28支队伍参加），各参赛队伍分享参赛项目，与会专家重点对项目设计、研究方法、项目进展、科学问题等提出针对性意见和建议。我们也主动邀请国防科技大学、南京大学等高校的4支队伍来我校交流，相互介绍课题进展，完善参赛课题。