譚 靜，胡啟文，肖文剛，程曉斌

（第三軍醫(yī)大學，重慶 400038）

國際基因工程機器大賽對本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟示

譚 靜，胡啟文，肖文剛，程曉斌*

（第三軍醫(yī)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(lǐng)域的最高國際性學術(shù)競賽，參加該大賽可充分發(fā)揮本科生學習自主性和能動性，提升創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)。本文介紹iGEM具體情況，并結(jié)合第三軍醫(yī)大學iGEM代表隊參賽過程，探討iGEM對本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟示。

國際基因工程機器大賽；本科生；創(chuàng)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(shù)競賽[1]，由美國麻省理工學院于2003年創(chuàng)辦，旨在推動合成生物學發(fā)展，培養(yǎng)學生對科學的熱情，促進各國大學生在該領(lǐng)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(yī)科大學。我校臨床醫(yī)學專業(yè)21名本科生組成參賽隊伍，在微生物學教研室教師指導(dǎo)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(tǒng)”，一舉斬獲金獎，受到參賽各隊及評委的好評。本文結(jié)合我校iGEM參賽過程，就如何開展備賽工作、大賽對醫(yī)學院校本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟示進行了思考。

1 iGEM簡介

1.1 iGEM的起源和發(fā)展

iGEM是合成生物學領(lǐng)域的頂級國際性大學生學術(shù)競賽，而合成生物學是21世紀初興起的一門新興學科，強調(diào)“設(shè)計”和“重設(shè)計”，試圖設(shè)計、構(gòu)建、完善人工生物模塊及系統(tǒng)，實現(xiàn)對復(fù)雜生物系統(tǒng)的操縱和測量，在疫苗生產(chǎn)、新藥研發(fā)、生物制造、生物能源、環(huán)境修復(fù)、生物傳感器等多個領(lǐng)域具有極好的應(yīng)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(fā)展成為一個有5支隊伍參加的暑期競賽，2005年發(fā)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(shù)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(qū)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(shù)大學、復(fù)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(chuàng)意迭出的參賽項目，既充滿了奇思妙想又展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。作為合成生物學領(lǐng)域的頂級賽事，iGEM受到學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)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(chuàng)新，用創(chuàng)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(jù)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(dǎo)自由選題，指導(dǎo)教師給予相關(guān)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(yīng)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(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力。大賽包括實驗項目、實踐推廣、數(shù)學建模、合作交流、網(wǎng)頁制作、部件遞交、現(xiàn)場答辯、海報展示8個模塊，需要參賽隊伍具備實驗設(shè)計、數(shù)學建模、網(wǎng)頁設(shè)計等綜合技能。參賽隊伍在前期必須完成實驗室驗證、數(shù)學建模、部件遞交、實踐推廣、利用網(wǎng)絡(luò)展示研究結(jié)果等規(guī)定任務(wù)。赴美比賽期間還必須完成海報展示、現(xiàn)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(chǔ)上，進行現(xiàn)場答辯，先用英語匯報20分鐘，包括研究背景、實驗項目、數(shù)學建模、實踐推廣、研究展望等內(nèi)容，匯報結(jié)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(cè)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(tǒng)教育的有益補充，采取學生自主選題、導(dǎo)師提供實驗室和指導(dǎo)意見的“學生主導(dǎo)、導(dǎo)師把關(guān)”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(xié)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(zhì)的隊員和領(lǐng)隊是參加競賽活動的關(guān)鍵[4]。我校第一次參加iGEM競賽，由基礎(chǔ)部微生物學教研室負責備賽工作，并聯(lián)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(dǎo)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(chǔ)上，通過校園網(wǎng)、海報等方式進行隊員招募宣傳，全校學生都可以通過網(wǎng)絡(luò)報名，根據(jù)個人簡歷進行第一輪篩選，隨后進行面試選拔。面試環(huán)節(jié)指導(dǎo)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(tài)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(xùn)

我校是國內(nèi)參賽隊伍中唯一一所獨立醫(yī)科大學，隊員均來自臨床醫(yī)學專業(yè)，合成生物學專業(yè)知識比較欠缺。如何讓一支新的隊伍變得團結(jié)且具有戰(zhàn)斗力、如何為隊員補充專業(yè)知識，成為培訓(xùn)的首要問題。一是學習專業(yè)基礎(chǔ)知識。指導(dǎo)教師提供合成生物學和iGEM相關(guān)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(dǎo)論》；指導(dǎo)教師建立QQ群，每周布置特定任務(wù)，隊員完成后在群內(nèi)交流并上傳自己的讀書筆記等。二是舉辦專題講座。由指導(dǎo)教師和校內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域教師組織合成生物學講座，介紹國內(nèi)外合成生物學最新進展。三是學習相關(guān)操作技術(shù)。2016年3—4月隊員開始接受PCR、WB等專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，同時加強文獻閱讀，每周開會討論課題思路并進行調(diào)研實踐。此外，根據(jù)每位隊員的特長進行分工分組，分為實驗組、建模組、網(wǎng)頁組和社會活動組等5個小組，邀請相關(guān)人員開展針對性培訓(xùn)。

2.3 競賽項目

在前期調(diào)研、頭腦風暴基礎(chǔ)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(chuàng)新性和科學性又能在幾個月時間內(nèi)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(chǔ)，將其他的一些“元素”加到這種底盤生物上，使之呈現(xiàn)出多種性能。我校參賽項目是改造乳酸乳球菌，通過系統(tǒng)設(shè)計將其變?yōu)橐粋€更優(yōu)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(zhì)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(dǎo)質(zhì)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(jié)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(tǒng)”。三是為使乳酸乳球菌系統(tǒng)更加完善，進行了系列優(yōu)化，實現(xiàn)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(shè)計系統(tǒng)。這種工程菌在適當培養(yǎng)基上是藍色，當其他元素成功導(dǎo)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(tǒng)。

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(shè)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(shè)、課題進展、數(shù)學建模等方面進行了合作，并先后參加了西南聯(lián)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(qū)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(shè)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(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟示

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

3.1 創(chuàng)新本科生科研競賽形式

堅持“科教融合、協(xié)同育人”理念，將iGEM培訓(xùn)納入本科生第二課堂，使之成為一項系統(tǒng)化、長期的科研訓(xùn)練活動；借鑒其競賽形式，構(gòu)建科研項目、實踐推廣、海報展示、現(xiàn)場答辯等多環(huán)節(jié)一體化科研訓(xùn)練模式，并以此為基礎(chǔ)，組織本科生參加國內(nèi)外學術(shù)競賽。

3.2 搭建本科生學術(shù)交流平臺

開設(shè)合成生物學、專業(yè)文獻閱讀等選修課程，加強本科生專業(yè)理論知識和操作技能學習；舉辦科研學術(shù)講座，定期邀請校內(nèi)外專家講學；建立信息交流網(wǎng)站，定期組織本科生學術(shù)報告會，培養(yǎng)學生科研興趣；建設(shè)iGEM創(chuàng)新實驗室，為學生深入開展合成生物學領(lǐng)域的科研訓(xùn)練提供平臺，為競賽成果轉(zhuǎn)化應(yīng)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(yè)背景的人員協(xié)作。因此，學生團隊合作與交流能力尤為重要。學校內(nèi)部定期開展本科生創(chuàng)新設(shè)計比賽，組織交流活動，選送優(yōu)秀本科生到國內(nèi)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(yè)領(lǐng)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(guī)律和人才成長規(guī)律，探索有利于本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學方法，實現(xiàn)教學內(nèi)容、教學方法科研化。改革教學內(nèi)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(zhì)。

[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(yǎng)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(shù)競賽在大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)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(chuàng)新教育氛圍,培養(yǎng)醫(yī)學生創(chuàng)新能力[J]．黑龍江醫(yī)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）