国际基因工程机器大赛对地方院校本科生综合能力培养的启示

2023-06-07林金水李盼欣尹芮成娟丽陈国梁

陕西教育·高教版 2023年6期

林金水李盼欣尹芮成娟丽陈国梁

[摘要]为促进合成生物学的发展，2003年由美国麻省理工学院发起的iGEM大赛拉开帷幕。随着比赛的影响力不断扩大，我国各大高校中越来越多的队伍参与其中。本文主要统计与分析了2016年至2020年，教育部直属院校与地方院校参与iGEM大赛的参赛队伍数量与获奖情况。结果显示：地方院校相较于教育部直属院校虽在办学经费、办学条件、参赛数量等各方面均处于劣势，但获奖所占百分比方面，地方院校不亚于教育部直属院校，这说明地方院校的学生同样具有与名校学生同台竞争的能力；此外，本文以地方院校延安大学为例，总结了iGEM大赛各阶段的比赛经验和对地方院校本科生综合能力培养的启示；希望通过本文为更多的地方院校参加iGEM大赛提供经验借鉴，以培养出更多生命科学，特别是合成生物学的杰出人才，为合成生物学的发展夯实基础。

[关键词]国际基因工程机器大赛地方院校综合能力培养合成生物学

基金项目：陕西省高等学校创新创业教育课程建设项目（陕教高办〔2019〕13号）；陕西省“特支计划”区域发展人才项目（陕组通字〔2020〕44号）；陕西省普通高等学校青年杰出人才支持计划项目（陕高教组〔2018〕111号）；陕西高校青年创新团队（2022）。

引言

合成生物学（Synthetic Biology）在1980年首次被Barbara Hobom用来表述为利用重组DNA技术对细菌的生命系统进行基因工程改造的手段。其特点是以工程化的手段将一些基础的生物元件，融合遗传工程、基因工程、细胞工程、计算机科学等多门学科的知识理念，按照人们的意愿，进行重新排列组合，得到不同的生物系统。利用这些系统可以用来生产材料，加工化学物质等，帮助维持和改善人类健康及生态环境。过去近20年里，科学家们利用合成生物学的手段相继实现了紫杉醇、香兰素、白藜芦醇、熊果苷、透明质酸、虾青素、灯盏花素、青蒿素等天然产物及其前体物质的生物合成。目前，合成生物学已广泛应用于生命科学领域，如医疗卫生、环境保护和资源开发等。

为推动合成生物学的发展，2003年麻省理工学院发起国际基因工程机器大赛（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM），随着2005年瑞士苏黎世联邦理工学院和加拿大多伦多大学等院校的加入，使iGEM比赛的影响力扩展至全球。iGEM的目的在于通过学术竞赛的模式，实现生物学的系统化、工程化，促进生物工具开源化、透明化的发展，从而构建一个安全的、有效的应用合成生物学工程体系，推动相关领域的发展。研究方向涉及能源、环境、营养、医疗、通信、基础设施、工业等多个方面，搭建起了基础研究与生活实践的桥梁。2007年，中国首次组队参加iGEM，随着我国对科研领域的重视，越来越多的高校参与其中，并于2015年成为了参赛队伍最多的国家。本文主要统计分析了近5年教育部直属院校和地方院校参加iGEM的队伍数量与获奖情况，并以地方院校延安大学为例，总结了参加大赛的有关经验及对学校本科生综合能力培养的启示，以期对地方院校参加iGEM提供有益的经验借鉴。

地方院校和教育部直属院校参赛情况对比

本数据主要统计了2016～2020年中国内地地方院校和教育部直属院校参赛队伍，对高中及其他类别的院校参赛队伍不做统计。地方院校（地方所属高等院校）是指隶属于全国各省、自治区、直辖市等，由地方行政部门划拨经费的普通高等院校。教育部直属院校（中华人民共和国教育部直属院校）是指由中华人民共和国教育部直属管理的一批高等学校，同时也是中央部门直属高等学校的重要组成部分。

首先，我们对比了2016～2020年地方院校和教育部直属院校参赛队伍的数量情况（图1A），教育部直属院校的参赛队伍数量明显高于地方院校。虽然在这5年期间教育部直属院校的参赛队伍数量呈现一定的波动，但是地方院校的参赛队伍数量始终不足教育部直属院校参赛队伍数量的一半，且呈现逐年下降的趋势。一方面这可能与参加iGEM大赛所需的项目经费较高有关，相比于教育部直属院校，地方院校的教育經费有限，若投入太多资金组织队伍参加国际竞赛，会对学校开展其他教学活动的财务支出产生较大压力（图1B）。另一方面，地方院校可能将更多的精力放在如“互联网+”大学生创新创业比赛、全国大学生生命科学创新创业大赛、全国大学生生命科学竞赛等我国自主创办的比赛项目中，而对于像iGEM大赛这种国际性比赛的关注则较低。

地方院校和教育部直属院校参赛获奖情况对比

iGEM大赛的竞赛规则一直以来在不断更新，但金、银、铜奖是iGEM大赛固定的基础奖项。我们统计了近五年来地方院校和教育部直属院校的获奖总数和总获奖率，结果显示：教育部直属院校的获奖数量高于地方院校，这与教育部直属院校的参赛队伍数量多于地方院校的参赛队伍数量直接相关。然而，对比教育部直属院校与地方院校参赛队伍的获奖比例，除2020年外，二者并没有显著差异。

除了比较两类院校参赛队伍的总获奖比例，我们还进一步分析了金、银、铜奖的获奖比例。相比较教育部直属院校，地方院校在该奖项中表现略有不如。但地方院校2016～2019年的金奖获得率稳步提升，有逐步赶上教育部直属院校的趋势；从参赛队伍的银奖获得率和铜奖获得率可以看出，地方院校在银奖和铜奖获得率上的总体表现优于教育部直属院校。

综上，相较于教育部直属院校，地方院校在办学经费、办学条件、参赛数量等各方面均处于劣势，但获奖情况却不亚于教育部直属院校，说明地方院校的学生同样具有与世界名校学生同台竞技的能力。

延安大学YAU-China队伍的参赛历程

iGEM大赛作为合成生物学的顶级赛事，对本科生综合能力的培养具有重要意义。为了让更多学生进入国际舞台与世界其他学校学生开展交流学习，2019年延安大学组织队伍YAU-China首次独立参赛，团队成员由生命科学学院、医学院、数字与计算机科学学院和鲁迅艺术学院的14名学生组成。经过了近一年的磨炼与成长，YAU-China团队获银奖，迎来了延安大学独立组队在iGEM大赛的首枚奖牌。为了能给未来的参赛队伍提供经验借鉴，我们对参赛各个阶段积累的经验进行了总结。

1.队伍组建

高素质的队员和领队是参加竞赛活动的关键。为了招募优秀的队员，我们进行了全校宣传活动，如班级巡讲，鼓励不同专业的学生参与进来，通过海选初步筛选出进入面试的成员。

初筛通过的成员进行下一轮的面试，面试官由组织比赛的专业教师及上一届比赛的核心成员组成。面试环节主要分为自我介绍、口语展示、提问三个主要环节。面试的成员除了简单地进行自我介绍外，还会涉及对iGEM的认识、自己参加比赛的动机及自身优势等问题，然后面试官会给予每位学生第一印象分。接着成员会随机抽取英文文献进行朗读，或者回答英文问题，通过测试英语口语的流利度、准确度等给出分数。在面试官经过前两个环节对于学生有了简单的了解后，还会对学生提出相应的专业问题，通过这种开放的交流问答，考查学生的反应能力、沟通能力、组织能力等，随后给出相应的分数。

之后，对各位面试官给出的分数进行统计，择优录取，录取的前期成员并不代表就是最终参赛的成员，在整个比赛的准备期间，我们会根据每个学生的出勤率、对于比赛的付出程度等确定最终的参赛成员。这种形式赋予了学生更多的主动性，体现了公平的原则，有助于团队挑选出具有优秀能力的成员。

2.项目确立

项目的确立阶段主要以“头脑风暴”的方式进行，学生根据自己对于合成生物学的理解以及自己感兴趣的方向，大量地阅读相关文献，然后将自己的想法以PPT的形式进行展示，其中包括研究背景，研究目的、意义及研究内容，解决生活中的关键问题，讲解完成后，其他学生提出问题，互相探讨，在彼此的思维碰撞中进一步完善各自的想法。之后会初步确定3～5个课题，全体成员就这些项目的可行性、创新性、安全性给予客观评判，最终确立项目课题。2019年我们参赛的题目为“Biodestroyer of biofilm”，该课题运用合成生物学的方法，通过对铜绿假单胞菌内源基因的重新编排和组装，构建了高效合成并释放胞外多糖水解酶的工程菌，利用该工程菌可有效抑制野生型铜绿假单胞菌生物被膜的形成并高效破坏野生型铜绿假单胞菌形成的生物被膜，从而增强野生型铜绿假单胞菌对抗生素的敏感性。通过该设计，期望解决临床治疗中因铜绿假单胞菌产生生物被膜引起的抗生素耐药性、治疗反复等问题，为治疗和根除慢性细菌感染提供一种新思路。

3.项目实施

课题确定后进入项目的实施阶段。在此期间，除了最基础的实验阶段，还包括数学建模、人类社会实践（Human Practice，HP）、网站搭建（Wiki）等。首先运用数学建模确定课题的可实施性，之后通过实验进行进一步验证。实验阶段是备赛过程中最重要的一部分，需要队员们不仅要有熟练的实验操作能力，更重要的是解决问题和独立思考的能力。所以在实验项目开始之前，队员们会提前进入实验室学习各项实验技能并强化自己的专业能力。实验项目开始之后，需要规划好实验进度并严格按照规划，保证整个实验项目有条不紊地推进。但在实验过程中，依然会遇到各种各样的困难和问题，因此我们将实验项目分解后交给三个实验小组完成，这样不仅可以提高实验效率，更有助于不同实验小组之间的交流讨论，为困难和问题的解决提供集体智慧。

iGEM大赛非常注重项目能否服务于社会并解决人类生活中存在的问题，项目设计完善的很多内容都来源于HP。我们的项目是利用合成生物学的方法改造一种工程菌用于破坏病原菌生物被膜，首先就需要了解利用这种改造的细菌破坏生物被膜的方式能否被大众所接受；生物被膜问题对人类生活影响的程度以及比起目前已有的解决方式，此项目存在哪些优势等。这些问题都需要我们在HP中解决，具体的开展工作包括建立公众号、班级宣讲宣传项目，利用调查问卷了解大众的接受度，去有关医院了解目前临床上解决生物被膜的方法以及与专家讨论项目的可行性、持续性、安全性等。除此之外，iGEM大赛还需要将自己的成果推广出去、与别的队伍交流合作。我们团队分别与四川大学、西安交通大学、西北大学建立合作关系，为彼此项目的完善提出有價值的建议，队员之间也会分享各自的参赛心得，这对我们项目的进展及日后的参赛具有重要指导作用。

与其他竞赛不同，iGEM大赛需要将所有阶段的成果以网站的形式展示，注重Wiki选材与项目的贴合程度，Wiki应当紧密结合项目本身，使读者在阅读Wiki的过程中加深对项目的理解。最终裁判们评定结果时，除了现场的演讲外，还会通过网站来评估参赛项目的各参赛模块的材料是否完整，因此网站的搭建十分重要。

4.现场比赛

参加现场比赛对于整个赛事来说已接近尾声。在这个阶段，需要对整个项目进行展示。首先是海报宣传，海报包括项目的背景及创新点、实验结果、数学建模以及人类社会实践等。每位队员需要熟悉整个项目，以便于与其他队伍的学生或教师在海报区交流学习。其次是现场汇报演讲，每个团队均需进行现场PPT汇报（一般为3～4人），我们的队伍将项目划分成实验、数学建模和人类社会实践三个部分，由3人分别汇报。汇报展示的时间为20分钟，汇报完成后裁判提问5分钟，提问时虽然全体队员都可上台回答，但最好还是选1～2个对项目熟悉且英文口语能力强的队员。汇报和提问结束后，裁判们还会对现场汇报时存在的问题在海报区进行追问，最终结合整体表现，对项目进行评分。

iGEM大赛在地方院校本科生综合能力培养中的作用

参加iGEM大赛不仅是机会更是挑战，特别对于地方院校，由于研究平台、教学资源和科研实力等普遍较弱，学生们很难系统地参与科学研究，科研能力也相对薄弱。但通过iGEM大赛，学生可以从构思、设计到实施，完整地参与一个科研项目，能极大地促进本科生，特别是地方院校本科生的科研能力发展。

在参赛的整个过程中，队员们需要投入大量的时间和精力，任何涉及项目有关的事宜都需要大家积极主动完成。通过完整参与整个项目，队员们的综合能力都有明显提高。以延安大学为例，从确定参赛、备赛再到比赛结束，通过每位参赛队员的成长与反思，我们总结了iGEM大赛在地方院校本科生综合能力培养中的作用，如下：

1.培养科研创新能力

创新能力是每个国家进步的源泉，培养创新型人才是国家发展的动力。因此，如何提高大学生的创新精神和科研能力是我国高等教育的一大重要课题，而本科生就是这项工作的重要培养对象。iGEM大赛的整个过程以学生为主，从最开始的设计选题、实验阶段再到数据分析，都需要学生查阅有关文献并独立思考完成。当遇到问题时，队员们需要不断进行大胆的猜想和严谨的实验验证。除此之外，实验数据的记录、分析、整理等也能够培养学生对于科研工作的认知能力，养成严谨的科研态度。

在参赛期间，队员们同其他队伍成员的交流学习，不仅可以了解到其他参赛项目新奇而大胆的创意，而且还可以了解到不同国家和地区之间大学生科研创新能力的差异。另外，在这个过程中队员们也可以接触不同的研究领域，既丰富了思维认知又可找到自己的兴趣点，为之后的科研工作打下坚实基础。

2.培养团队协作能力

现如今，科研领域获得的重大突破往往是一个团队共同努力的结果，再加上科研本身就是一个难度系数极高、任务量较大的工作，这需要科研人员多看多听多问，积极讨论、互相磨合，从而提高自己。

iGEM大赛涉及的知识面极广，需要各领域人才高效紧密的合作，不同专业的学生相互配合充分利用自己的特长可以有效解决实际问题。另外，在比赛的每个阶段都有规定的截止时间点，再加上任务繁重，所以对于团队协作能力的要求极高。优秀的团队协作能力对于科研工作的顺利推进具有举足轻重的作用。

3.培养动手实操能力和社会实践能力

科研工作不仅需要敏捷的思维和持久的耐力，更需要良好的动手实操能力，将设想转化为现实。为了进一步巩固学生的专业理论知识，提高实践技能，每个大学都会开展必要的实践教学，让学生们在实践的过程中更好地发现问题、思考问题、解决问题。实践是检验真理的唯一标准，科研工作更是如此。纯理论的输入虽说可以丰富知识体系，但很多科研设想只有在实践中才能一步一步完善。

人类社会实践（Human Practice）是iGEM大赛的一个重要的比赛内容，重点是如何将项目更好应用于解决社会问题。因此必须进行一定的社会调查，这就需要学生主动制作一些调查问卷针对不同的人群去了解沟通。除此之外，在实验的过程中，还要求学生们平衡学习与实验的时间安排，同时也需要合理规划预算经费，包括申请实验仪器的使用和实验材料的购买等，在此期间学生们的实操能力和社會实践能力都会有很大的锻炼和提升。

4.培养综合技能

iGEM大赛作为国际赛事，由于参赛队伍和裁判来自不同国家，要想让大家更好地了解实验项目，并拿到出色的成绩，每个队伍要能够进行流利的英语演讲及海报介绍，并且能够自如应对裁判们提出的问题，因此对每个团队成员的英文水平有较高的要求，如英文的写作、专业词汇的积累、英文文献的阅读能力以及英语口语表达能力等。这无疑对学生的英文能力具有很大的促进作用。同时，在比赛期间，不同高校之间尤其与国外高校有很多交流学习的机会，不同队伍之间的队员们都会进行激烈的讨论，这不仅促进了不同国家、不同学科、不同知识背景下学生的交流与学习，而且有助于学生开阔眼界和思维，并运用所学的生物学知识解决生活中的问题。除此之外，iGEM大赛还涉及网站、海报和PPT的美工设计，这也对队员们的艺术设计能力有一定要求。总的来说，iGEM大赛不但提高了队员们的综合能力，激发了大家对科学研究的热情，并且增强了其专业素质能力，同时这也为个人的发展积累了宝贵的财富。综上，iGEM大赛对地方院校本科生综合能力的培养具有重要的促进作用，是地方院校培养创新型人才的重要平台。

总结与展望

本文通过分析2016～2019年地方院校与教育部直属院校参加iGEM大赛的队伍数量与获奖情况，显示地方院校在参赛数量、办学条件、经费支持等方面均处于劣势的情况下，获奖比例却不亚于教育部直属院校，这说明地方院校的学生同样具有与世界名校学生同台竞争的能力。同时本文以延安大学为例，从队伍组建、项目确立、项目实施到现场比赛等各个环节对参加iGEM大赛的经验进行了梳理，并从中总结出iGEM大赛对地方院校学生在独立思考和科研创新能力、团队协作能力、社会实践能力及综合技能等方面具有重要的培养作用，通过参加iGEM大赛也可以让学生深刻体会在实验项目实施过程中发现问题、分析问题和解决问题的重要性。

通过iGEM大赛不但有利于地方院校本科生在国际舞台上展示自身的能力，而且对于展现我国地方院校的科研水平也具有重要意义。由于iGEM大赛在地方院校本科生综合能力的培养方面发挥重要作用，因此我们希望地方院校能在项目经费和实验条件等方面对本科生参加iGEM大赛提供更多长期而稳定的支持。同时，我们更期望通过iGEM大赛培养出来的学生在合成生物学领域以及其他相关科研或产业领域的创新取得更大的突破，在建设创新型国家方面肩负起时代的重任。

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