國際基因工程機器大賽在中國

趙霞，盧曙光，王競，胡曉梅，饒賢才，胡啟文

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國際基因工程機器大賽在中國

趙霞，盧曙光，王競，胡曉梅，饒賢才，胡啟文

陸軍軍醫(yī)大學基礎(chǔ)醫(yī)學院微生物學教研室，重慶 400038

趙霞, 盧曙光, 王競, 等. 國際基因工程機器大賽在中國. 生物工程學報, 2018, 34(12): 1915–1922.Zhao X, Lu SG, Wang J, et al. Development of international genetically engineered machine competition in China. Chin J Biotech, 2018, 34(12): 1915–1922.

合成生物學是一門新興的交叉學科，為培養(yǎng)合成生物學后備人才，國際基因工程機器（iGEM）大賽應(yīng)運而生。2007年中國首次有5支隊伍參加iGEM大賽，至今已經(jīng)有11年的歷史。然而，目前尚無全面總結(jié)中國iGEM隊伍的相關(guān)文獻。文中全面梳理和總結(jié)了iGEM大賽在中國的發(fā)展歷程，包括參賽隊伍的數(shù)量、地理分布、競賽成績、中國iGEM社群CCiC的發(fā)展情況，以及iGEM大賽對中國高等教育的促進和借鑒作用，并深度思考了iGEM大賽在中國的發(fā)展前景，提出了發(fā)展建議。隨著我國高等教育“雙一流”戰(zhàn)略的實施，iGEM大賽在我國的發(fā)展具有光明的前景，可為培養(yǎng)新一代科學家作出更大的貢獻。

合成生物學，國際基因工程機器大賽，中國iGEM社群

合成生物學是一門新興的交叉學科，也是一種顛覆性技術(shù)，近年來發(fā)展迅速，在人類健康、環(huán)境治理、生物制造等領(lǐng)域均展現(xiàn)出強大的生命力[3]。作為世界頭號強國，美國一直堅持用科教融合的理念培養(yǎng)創(chuàng)新人才，用強大的科研促進教學和人才培養(yǎng)。通過開放式的競賽來全方位地培養(yǎng)人才是其中一個重要舉措。為了培養(yǎng)合成生物學的后備人才，美國麻省理工學院從2003年開始創(chuàng)辦iGEM大賽，2005年將其發(fā)展為國際性的賽事[4-5]。2007年中國首次有5支代表隊參賽，這5支隊伍是天津大學、清華大學、北京大學、中國科學技術(shù)大學和陽明大學。隨后，iGEM大賽這樣一種新型的教育訓(xùn)練模式在中國得到迅速推廣[6]。在過去的11年間，中國的參賽隊伍數(shù)量穩(wěn)步增長。從2015年起，中國隊伍的數(shù)量已經(jīng)超過美國，是全球第一大參賽國(圖1)。

iGEM大賽有力地促進了中國高校將科學 研究與本科生培養(yǎng)有機融合。一方面iGEM大賽 為本科生提供了全方位的科研能力訓(xùn)練，這些訓(xùn)練為學生日后在國內(nèi)外的繼續(xù)深造奠定了良好的基礎(chǔ)[7]。另一方面iGEM大賽對團隊協(xié)作、頭腦風暴、數(shù)學建模、網(wǎng)頁制作、對外交流、社會活動的全方位訓(xùn)練，也有助于學生綜合能力的全面提升[8-9]。

iGEM大賽的總決賽一般在每年的10月末或11月初進行，其競賽內(nèi)容全面，備賽時間長。根據(jù)郝曉冉等的總結(jié)[10]，綜合我們對北京大學、南京大學、四川大學、電子科技大學、國防科技大學等高校的調(diào)研并結(jié)合我校實際經(jīng)驗，通常從比賽上一年的12月份開始組建隊伍，需要對參賽學生進行合成生物學理論知識培訓(xùn)，并通過對往屆參賽課題和大量文獻的調(diào)研，經(jīng)多次頭腦風暴后，在比賽當年的5月份左右確定研究課題。3月份進行隊伍注冊后，一般在5月份收到iGEM官方郵寄的DNA Distribution Kit，隨后參賽同學在實驗室學習和掌握基本的實驗技術(shù)，根據(jù)課題需要完成多方面的實驗內(nèi)容。同時與建模組的同學密切配合，不斷反復(fù)進行設(shè)計-測試-優(yōu)化-重新設(shè)計等流程，取得扎實的實驗數(shù)據(jù)和漂亮的數(shù)學建模結(jié)果。在核心項目實施的過程中，參賽隊員還需要進行廣泛的社會活動，包括征集課題的公眾反應(yīng)、聽取專家意見、考量項目的生物安全等，與其他參賽代表隊的合作也是比賽內(nèi)容之一。完成這些實驗、數(shù)學建模、社會活動等參賽內(nèi)容后，一般還需要在9月份制作網(wǎng)頁，將全部參賽內(nèi)容以通俗易懂的形式在網(wǎng)上公開展示。在最終的iGEM大賽總決賽中，參賽同學需要進行20 min的全英文答辯和持續(xù)整個比賽期間的現(xiàn)場海報交流。綜上可見，通過參與iGEM大賽，同學們可以受到全方位的訓(xùn)練，其國內(nèi)外的交流平臺也有助于開拓師生的視野、增強自信心[8-9]。

文中全面綜述了11年來中國參加iGEM大賽的多項數(shù)據(jù)和經(jīng)驗教訓(xùn)，以期為我國高等教育進一步改革發(fā)展提供有益的借鑒和參考。

1 中國隊伍的數(shù)量和地理分布

1.1 參加iGEM大賽的中國隊伍數(shù)量統(tǒng)計和分析

在iGEM大賽的隊伍注冊中，將中國內(nèi)地、中國香港特別行政區(qū)和中國臺灣進行了分組。我們在統(tǒng)計時，將這3個部分的數(shù)據(jù)進行了合并。為進行比較分析，我們也同時統(tǒng)計了美國隊伍的數(shù)量。iGEM大賽在向亞洲地區(qū)推廣的時候，實際上只有中國進行了最為積極的響應(yīng)。由于體量巨大，參加iGEM大賽的中國隊伍數(shù)量迅速增長。作為iGEM大賽的發(fā)源地，2005–2014年，美國的參賽隊伍數(shù)量一直位居全球第一。然而，從2015年起，中國超過美國成為iGEM大賽參賽隊伍數(shù)量最多的國家(圖1)。

圖1 2005年–2017年參加iGEM大賽的全世界隊伍、中國和美國隊伍總數(shù)

比較了中國內(nèi)地、中國香港特別行政區(qū)和中國臺灣的隊伍數(shù)量，發(fā)現(xiàn)中國香港和中國臺灣的隊伍數(shù)量僅有小幅增加，而中國內(nèi)地的隊伍數(shù)量增長快速(圖2)。這主要源于中國內(nèi)地的高校和國際高中數(shù)量巨大，而中國香港和中國臺灣的高校和國際高中數(shù)量有限，參賽隊伍數(shù)量進一步增加的空間有限。此外，由于iGEM大賽的參賽費用相對高昂，限制了大部分二本院校的加入。我們預(yù)見，在未來的十年，參加iGEM大賽的中國隊伍總數(shù)將會進一步增加，但是仍以現(xiàn)階段的核心隊伍為主流。

iGEM大賽在設(shè)計上，將高中生隊伍(High School)、高校隊伍(Collegiate)和社區(qū)隊伍(Community Lab)都容納進來。2011年，全球首次有高中生隊伍參加iGEM大賽；中國則在2013年首次有4支高中生隊伍參加。隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，一部分高中生選擇到歐美地區(qū)接受本科教育。iGEM大賽作為一個綜合性的比賽，直接或間接在歐美高校的入學考察中起到一定的作用，且不同留學需求的高中生能夠從iGEM比賽中得到相應(yīng)的訓(xùn)練和課外活動經(jīng)驗，因此極大地激發(fā)了高中生的參賽意愿。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)近年來參加iGEM大賽的高中生隊伍增長迅速(圖3)。我國一線城市豐富的教育資源和高中生出國接受本科教育意愿的發(fā)展可能進一步提升高中生隊伍的參賽數(shù)量。

圖2 2007年–2017年參加iGEM大賽的中國內(nèi)地、中國香港特別行政區(qū)和中國臺灣的隊伍總數(shù)

圖3 2007–2017年參加iGEM大賽的中國高中生隊伍和大學生隊伍數(shù)量

表1 參加iGEM大賽的中國隊伍的地理分布統(tǒng)計

1.2 參加iGEM大賽的中國隊伍的地理分布

我國的高等教育資源分布極不均衡，合成生物學相關(guān)的科研資源分布也極不均衡。我們將參加iGEM大賽的中國高校隊伍(未包括高中生隊伍)的高校數(shù)量和參加次數(shù)進行了地理分布的分析，結(jié)果表明參加iGEM大賽的大學數(shù)量及總次數(shù)的分布與我國高等教育資源中重點大學的分布具有高度的重合性(表1)。我們根據(jù)歷年參加iGEM大賽的總次數(shù)粗略將各省市分為4個梯隊。其中，北京、上海、廣東、中國臺灣是第一梯隊，參加的總次數(shù)在30次至57次。天津、江蘇、安徽、福建、湖北、四川和中國香港是第二梯隊，參加的總次數(shù)為10–29次。黑龍江、吉林、遼寧、山東、浙江、湖南、重慶、陜西、甘肅是第三梯隊，參加的總次數(shù)為1–10次。河北、河南、江西、廣西、貴州、云南、山西、內(nèi)蒙古、寧夏、青海、西藏、新疆、海南、中國澳門14個省份、自治區(qū)及特別行政區(qū)是第四梯隊，沒有大學生隊伍參加iGEM大賽，這些地區(qū)沒有一所教育部直屬院校。隨著教育部啟動了14所“省部共建”院校的建設(shè)，將來來自上述地區(qū)的河北大學、山西大學、內(nèi)蒙古大學、南昌大學、鄭州大學、廣西大學、海南大學、貴州大學、云南大學、西藏大學、青海大學、寧夏大學、新疆大學、石河子大學可能會有隊伍參賽。

2 中國隊伍參加iGEM大賽的成績

2.1 中國隊伍參加iGEM大賽獲金、銀、銅獎的數(shù)量和金獎比例分析

iGEM大賽的競賽規(guī)則一直在進行動態(tài)調(diào)整，但金、銀、銅獎是iGEM大賽固定的基礎(chǔ)獎項。我們統(tǒng)計和匯總了中國和全球隊伍歷年獲得金銀銅獎的數(shù)量和比例，并計算了歷年獲得金獎的比例(圖4)。2007–2017年，全球隊伍獲金銀銅獎的比例分別為41%、18%、24%；而中國隊伍獲金銀銅獎的比例分別為47%、24%、17%。中國隊伍獲金銀獎的比例超過全球。此外，在多數(shù)年份中國隊伍獲金獎的比例也超過全球的比例(2008年、2010年、2014年除外)。這些數(shù)據(jù)說明中國隊伍在iGEM大賽中取得了較好的參賽成績，展現(xiàn)了中國學子的風采。

2.2 中國隊伍進入iGEM大賽Finalist及獲得最終名次的情況統(tǒng)計

iGEM大賽除了設(shè)置金、銀、銅獎外，還有小組提名或最佳獎項，單項提名或最佳獎項。在這些獎項的基礎(chǔ)上，最終產(chǎn)生進入Finalist的隊伍名單。其中，2007年、2013–2017年進入Finalist的隊伍數(shù)量為6支。而2008–2012年進入Finalist的隊伍數(shù)量為3支。2007–2017年共有51支隊伍進入Finalist。進入Finalist的隊伍能夠在總決賽的頒獎典禮之前再次進行項目展示，具有極高的榮譽價值，并最終由所有評委投票決定先后名次。進入Finalist對參賽隊伍和參賽隊員具有極大的吸引力，吸引著無數(shù)隊伍為之奮斗。中國進入Finalist的隊伍數(shù)量為10支(表2)，占全球進入Finalist隊伍數(shù)量(51支)的比例約為19%。其中，北京大學取得了2007年本科生組別的全球第一(Grand prize)。2015–2017年共有3支高中生隊伍進入Finalist，而這3支高中生隊伍全部來自我國臺灣，體現(xiàn)了我國臺灣高中生隊伍的強大實力。

圖4 中國隊伍參加iGEM大賽的競賽成績分析

表2 中國隊伍進入Finalist及最終名次情況統(tǒng)計

3 中國iGEM社群CCiC的發(fā)展歷程

iGEM大賽的競賽規(guī)則要求各參賽隊伍之間開展廣泛的合作，因此各iGEM參賽隊伍一般會與幾支隊伍建立合作關(guān)系。在這樣的背景下，區(qū)域性的隊伍聯(lián)盟自發(fā)地成立發(fā)展起來。為了促進全國隊伍之間的交流，2014年華中農(nóng)業(yè)大學組織了第一屆CCiC活動[11]，當時的CCiC是Central China iGEMers’ Consortium的縮寫，一共有15支隊伍參加。2015年第二屆CCiC由北京大學舉辦，有34支隊伍參加。2016年第三屆CCiC在中山大學舉辦，有28支隊伍參加。這三屆CCiC主要進行隊伍項目展示和海報交流等活動。

經(jīng)過前三屆的探索，2017年一些熱心的新老iGEM參賽隊員成立了CCiC顧問團和執(zhí)委會。2017年在福建農(nóng)林大學舉辦的第四屆CCiC在組織形式上進行了全面改革。邀請了iGEM官方的Head Quarter成員和資深評委King L. Chow教授與Kenneth A. Oye教授出席，并設(shè)置了面對面環(huán)節(jié)，促進了中國地區(qū)iGEM參賽隊員與iGEM官方的直接交流。邀請了有iGEM參賽經(jīng)歷的青年學者與會作科學報告。邀請了合成生物學創(chuàng)業(yè)公司負責人介紹產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景等。為促進隊伍間的深入交流，第四屆CCiC增加了“沙龍”和“會場座談”(Panel session)等環(huán)節(jié)。此外，在本屆CCiC上還設(shè)置了群體感應(yīng)系統(tǒng)、光遺傳學、定向進化、外泌體等專題交流。第四屆CCiC的參賽隊伍數(shù)量達到了44支。

2018年的CCiC再一次做出革新，通過“申請- 投票制”的方式最終選定在上?？萍即髮W舉辦，一共有62支隊伍參加。在本次會議上，邀請了合成生物學領(lǐng)域的7位杰出科學家如趙國屏院士、戴俊彪教授等作科學報告，還邀請到iGEM組委會首席運營官Meagan Lizarazo女士和iGEM官方指導(dǎo)委員會的Richard Johnson與會與大家面對面交流。iGEM亞太地區(qū)大使陳紅介紹了iGEM官方After-iGEM項目(https://after.igem.org)。會議還組織了經(jīng)驗分享和問題聚焦等環(huán)節(jié)，從而有利于新隊伍和新隊員更快地學習成長。此外，CCiC執(zhí)委會還公布了CCiC的官方網(wǎng)站(http://bbs.igemccic. com/portal.php)，有利于中國地區(qū)的iGEM參賽隊員更加方便地尋找相關(guān)信息。隨著After-iGEM等官方項目的推動以及CCiC的不斷進化，我國iGEM社群有望進入一個新的發(fā)展階段。

4 iGEM大賽對我國高等教育的促進和借鑒作用

除了積極參加iGEM大賽，中國科學技術(shù)大學、浙江大學、華中農(nóng)業(yè)大學、陸軍軍醫(yī)大學、上海交通大學、北京師范大學等高校也積極總結(jié)了相關(guān)參賽經(jīng)驗[7,10-14]。綜合這些參賽經(jīng)驗，我們發(fā)現(xiàn)中國內(nèi)地競賽成績較好的隊伍，普遍建立了以學生為中心的競教研學一體的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。該模式一般由4個體系構(gòu)成：一是合成生物學課程及理論學習的教學體系；二是合成生物學創(chuàng)新實驗室等實踐訓(xùn)練體系；三是有利于團隊建設(shè)及隊伍傳承的學生社團或俱樂部；四是整合多種資源的經(jīng)費資助體系。以iGEM大賽為引領(lǐng)的、以學生為中心的競教研學一體的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式具有多方面的先進性，有利于培養(yǎng)學生的專業(yè)能力、綜合能力、交流能力、團隊協(xié)作能力等[11]。iGEM大賽在培養(yǎng)創(chuàng)新人才上卓有成效，以浙江大學為例，2010年和2011年的部 分參賽隊員均順利就讀世界知名高校的研究生[7]。 此外，北京大學、浙江大學、國防科技大學、上 海交通大學、陸軍軍醫(yī)大學等多所高校的iGEM參賽項目也有后續(xù)的論文及專利等研究成果產(chǎn)出。

iGEM大賽的競賽模式經(jīng)過多年實踐，充分證明了它的先進性。為了讓這一競賽模式能夠受益于更多同學，浙江省通過借鑒iGEM大賽的辦賽經(jīng)驗，在2009年開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)競賽平臺，并開始舉辦浙江省大學生生命科學競賽[15]?；谡憬∪〉玫牧己棉k賽經(jīng)驗，2017年舉辦了第一屆全國大學生生命科學競賽。參賽隊伍來自全國28個省市，參賽學校達到263所，有效隊伍數(shù)達到1 903支， 參賽學生為8754名，指導(dǎo)老師數(shù)量達到2 388名 (第一屆全國大學生生命科學競賽工作匯報，網(wǎng)址www.zubc.zju.edu.cn)。與iGEM大賽相比，全國大學生生命科學競賽參賽費用低，覆蓋面廣，專業(yè)分布更加廣泛，起到了輻射更多學校、讓更多學生受益的目的。

5 促進iGEM大賽在中國進一步發(fā)展的思考與建議

根據(jù)Porcar等[16]的粗略估計，iGEM參賽隊伍的平均花費在2萬美元至5萬美元。根據(jù)我們對中國內(nèi)地部分高校隊伍的調(diào)研，一支15人左右的隊伍每年的iGEM參賽費用約為30萬元。目前，主要由學校、學院等提供參賽經(jīng)費。一些院校的學生參賽熱情雖高，卻受制于學校和學院的財力支持力度。我們建議教育部門、自然科學基金委、中國科協(xié)等機構(gòu)能夠更加積極通過相關(guān)教學科普項目來支持我國iGEM參賽隊伍。參賽隊伍積極聯(lián)系生物產(chǎn)業(yè)公司，尋求更多社會資源的支持也是一個重要的渠道。此外，由于缺乏師資，一些高校難以開設(shè)合成生物學等相關(guān)課程。我們建議合成生物學教學資源豐富的高校能夠積極開設(shè)《合成生物學》中文慕課或網(wǎng)絡(luò)公開課，從而方 便更多學生積極了解和學習這一前沿交叉學科。在 實踐訓(xùn)練體系上，我們建議各高校依托教學實驗中心或合成生物學學科平臺，建設(shè)學生自我管理為主的創(chuàng)新實驗室，充分培養(yǎng)學生的實踐能力和責任心。

如前所述，我國尚有14個省份、自治區(qū)及特別行政區(qū)的高校未曾參加過iGEM大賽。作為一種先進的教育訓(xùn)練模式，有必要促進iGEM大賽在中國的均衡發(fā)展。我們建議iGEM參賽隊員在進行合成生物學和iGEM推廣時，能夠主動聯(lián)系上述14個省份、自治區(qū)及特別行政區(qū)的高校或高中。在我國高等教育“雙一流”建設(shè)的實施階段，各高校和教育部門也可 以通過設(shè)置相關(guān)教育教改項目，進一步支持這些 地區(qū)的高等院校組建iGEM隊伍并參加iGEM大賽。

近年來，我國合成生物學發(fā)展迅速，重大標志性成果也層出不窮。適時舉辦我國合成生物學競賽將進一步促進合成生物學后備人才的培養(yǎng)。綜合全國大學生生命科學競賽和iGEM大賽的優(yōu)勢，我們建議依托全國大學生生命科學競賽平臺，參照iGEM大賽模式，面向本科生和高中生舉辦我國合成生物學競賽，同時積極吸納“一帶一路”沿線國家的參賽隊伍。我國合成生物學競賽的舉辦，將有力推動我國和“一帶一路”沿線國家合成生物學的發(fā)展。

知識從來不是被動地在課堂上聽講就能夠轉(zhuǎn)化成能力和智慧的，而是在積極學習、主動思考、廣泛交流和動手操作中內(nèi)化成能力，上升為智慧的。我們堅定地相信iGEM大賽在中國具有光明的發(fā)展前景！我們也衷心地祝愿更多的有為青年通過iGEM大賽的洗禮能夠取得人生更大的進步！

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團隊簡介：

陸軍軍醫(yī)大學 (第三軍醫(yī)大學) TMMU-China團隊由基礎(chǔ)醫(yī)學院微生物學教研室發(fā)起，經(jīng)上級批準后于2015年12月組建。2016年的指導(dǎo)老師有：饒賢才、胡曉梅、胡啟文、王競、潘俊峰、熊坤、叢延廣、樂率、鄒凌云。2016年的參賽隊員共有21名，其中隊長黃志剛及隊員盧毅飛、鄧杰忠、晉旭銳參加了在波士頓舉行的總決賽。2016年的參賽項目為“Mr White, Mr Right, Improveto be a better chassis”，最終斬獲總決賽金獎。2017年的指導(dǎo)老師有：饒賢才、胡曉梅、胡啟文、李明、黎庶、盧曙光、王競、譚利、鄭芳芳。2017年的參賽隊員一共有14名，其中隊長李超雄及隊員田丁元、徐以溱、楊禮璟、范睿誠參加了在波士頓舉行的總決賽。2017年的參賽項目為“Development of quorum sensing toolkit for Gram positive bacteria”，最終取得總決賽銀獎的比賽成績。

2016年TMMU-China部分指導(dǎo)老師及隊員合影

(本文責編 郝麗芳)

Development of international genetically engineered machine competition in China

Xia Zhao, Shuguang Lu, Jing Wang, Xiaomei Hu, Xiancai Rao, and Qiwen Hu

Department of Microbiology, College of Basic Medical Sciences, Army Medical University, Chongqing 400038, China

Synthetic biology is a fast moving interdisciplinary branch of biology and engineering. To educate the next generation of synthetic biology scientists, the International Genetically Engineered Machine (iGEM) competition was established. In the past eleven years, many Chinese teams have participated in this event, but no thorough review and analysis have been carried out. In this paper, we collected the data and information of the Chinese teams from the iGEM website and analyzed the number, distribution and performance of Chinese teams in iGEM competition. We also described contributions made by the Conference of China iGEMer Community (CCiC) organization. The contributions to China higher education made by the iGEM competition were also summarized. Finally, we proposed several suggestions for the development of the iGEM competition in China. We envision the iGEM competition will continue to promote the innovative education and cultivation of the next-generation synthetic biology scientists in China.

synthetic biology, iGEM, conference of China iGEMer community

April 24, 2018;

November 23, 2018

The “Young Teachers' Support Program” of the College of Basic Medical Sciences of Army Medical University (Yuan Jiao Han No. [2018]283).

Qiwen Hu. Tel/Fax: +86-23-68771937; E-mail: huqiwen2004@163.com

10.13345/j.cjb.180160

陸軍軍醫(yī)大學基礎(chǔ)醫(yī)學院“青年教師支持計劃” (院教函[2018]283號) 資助。