國際基因工程機器大賽對地方院校本科生綜合能力培養的啟示

林金水 李盼欣 尹芮 成娟麗 陳國梁

[摘 要]為促進合成生物學的發展，2003年由美國麻省理工學院發起的iGEM大賽拉開帷幕。隨著比賽的影響力不斷擴大，我國各大高校中越來越多的隊伍參與其中。本文主要統計與分析了2016年至2020年，教育部直屬院校與地方院校參與iGEM大賽的參賽隊伍數量與獲獎情況。結果顯示：地方院校相較于教育部直屬院校雖在辦學經費、辦學條件、參賽數量等各方面均處于劣勢，但獲獎所占百分比方面，地方院校不亞于教育部直屬院校，這說明地方院校的學生同樣具有與名校學生同臺競爭的能力；此外，本文以地方院校延安大學為例，總結了iGEM大賽各階段的比賽經驗和對地方院校本科生綜合能力培養的啟示；希望通過本文為更多的地方院校參加iGEM大賽提供經驗借鑒，以培養出更多生命科學，特別是合成生物學的杰出人才，為合成生物學的發展夯實基礎。

[關鍵詞]國際基因工程機器大賽 地方院校 綜合能力培養 合成生物學

基金項目：陜西省高等學校創新創業教育課程建設項目（陜教高辦〔2019〕13號）；陜西省“特支計劃”區域發展人才項目（陜組通字〔2020〕44號）；陜西省普通高等學校青年杰出人才支持計劃項目（陜高教組〔2018〕111號）；陜西高校青年創新團隊（2022）。

引 言

合成生物學（Synthetic Biology）在1980年首次被Barbara Hobom用來表述為利用重組DNA技術對細菌的生命系統進行基因工程改造的手段。其特點是以工程化的手段將一些基礎的生物元件，融合遺傳工程、基因工程、細胞工程、計算機科學等多門學科的知識理念，按照人們的意愿，進行重新排列組合，得到不同的生物系統。利用這些系統可以用來生產材料，加工化學物質等，幫助維持和改善人類健康及生態環境。過去近20年里，科學家們利用合成生物學的手段相繼實現了紫杉醇、香蘭素、白藜蘆醇、熊果苷、透明質酸、蝦青素、燈盞花素、青蒿素等天然產物及其前體物質的生物合成。目前，合成生物學已廣泛應用于生命科學領域，如醫療衛生、環境保護和資源開發等。

為推動合成生物學的發展，2003年麻省理工學院發起國際基因工程機器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM），隨著2005年瑞士蘇黎世聯邦理工學院和加拿大多倫多大學等院校的加入，使iGEM比賽的影響力擴展至全球。iGEM的目的在于通過學術競賽的模式，實現生物學的系統化、工程化，促進生物工具開源化、透明化的發展，從而構建一個安全的、有效的應用合成生物學工程體系，推動相關領域的發展。研究方向涉及能源、環境、營養、醫療、通信、基礎設施、工業等多個方面，搭建起了基礎研究與生活實踐的橋梁。2007年，中國首次組隊參加iGEM，隨著我國對科研領域的重視，越來越多的高校參與其中，并于2015年成為了參賽隊伍最多的國家。本文主要統計分析了近5年教育部直屬院校和地方院校參加iGEM的隊伍數量與獲獎情況，并以地方院校延安大學為例，總結了參加大賽的有關經驗及對學校本科生綜合能力培養的啟示，以期對地方院校參加iGEM提供有益的經驗借鑒。

地方院校和教育部直屬院校參賽情況對比

本數據主要統計了2016～2020年中國內地地方院校和教育部直屬院校參賽隊伍，對高中及其他類別的院校參賽隊伍不做統計。地方院校（地方所屬高等院校）是指隸屬于全國各省、自治區、直轄市等，由地方行政部門劃撥經費的普通高等院校。教育部直屬院校（中華人民共和國教育部直屬院校）是指由中華人民共和國教育部直屬管理的一批高等學校，同時也是中央部門直屬高等學校的重要組成部分。

首先，我們對比了2016～2020年地方院校和教育部直屬院校參賽隊伍的數量情況（圖1A），教育部直屬院校的參賽隊伍數量明顯高于地方院校。雖然在這5年期間教育部直屬院校的參賽隊伍數量呈現一定的波動，但是地方院校的參賽隊伍數量始終不足教育部直屬院校參賽隊伍數量的一半，且呈現逐年下降的趨勢。一方面這可能與參加iGEM大賽所需的項目經費較高有關，相比于教育部直屬院校，地方院校的教育經費有限，若投入太多資金組織隊伍參加國際競賽，會對學校開展其他教學活動的財務支出產生較大壓力（圖1B）。另一方面，地方院?？赡軐⒏嗟木Ψ旁谌纭盎ヂ摼W+”大學生創新創業比賽、全國大學生生命科學創新創業大賽、全國大學生生命科學競賽等我國自主創辦的比賽項目中，而對于像iGEM大賽這種國際性比賽的關注則較低。

地方院校和教育部直屬院校參賽獲獎情況對比

iGEM大賽的競賽規則一直以來在不斷更新，但金、銀、銅獎是iGEM大賽固定的基礎獎項。我們統計了近五年來地方院校和教育部直屬院校的獲獎總數和總獲獎率，結果顯示：教育部直屬院校的獲獎數量高于地方院校，這與教育部直屬院校的參賽隊伍數量多于地方院校的參賽隊伍數量直接相關。然而，對比教育部直屬院校與地方院校參賽隊伍的獲獎比例，除2020年外，二者并沒有顯著差異。

除了比較兩類院校參賽隊伍的總獲獎比例，我們還進一步分析了金、銀、銅獎的獲獎比例。相比較教育部直屬院校，地方院校在該獎項中表現略有不如。但地方院校2016～2019年的金獎獲得率穩步提升，有逐步趕上教育部直屬院校的趨勢；從參賽隊伍的銀獎獲得率和銅獎獲得率可以看出，地方院校在銀獎和銅獎獲得率上的總體表現優于教育部直屬院校。

綜上，相較于教育部直屬院校，地方院校在辦學經費、辦學條件、參賽數量等各方面均處于劣勢，但獲獎情況卻不亞于教育部直屬院校，說明地方院校的學生同樣具有與世界名校學生同臺競技的能力。

延安大學YAU-China隊伍的參賽歷程

iGEM大賽作為合成生物學的頂級賽事，對本科生綜合能力的培養具有重要意義。為了讓更多學生進入國際舞臺與世界其他學校學生開展交流學習，2019年延安大學組織隊伍YAU-China首次獨立參賽，團隊成員由生命科學學院、醫學院、數字與計算機科學學院和魯迅藝術學院的14名學生組成。經過了近一年的磨煉與成長，YAU-China團隊獲銀獎，迎來了延安大學獨立組隊在iGEM大賽的首枚獎牌。為了能給未來的參賽隊伍提供經驗借鑒，我們對參賽各個階段積累的經驗進行了總結。

1.隊伍組建

高素質的隊員和領隊是參加競賽活動的關鍵。為了招募優秀的隊員，我們進行了全校宣傳活動，如班級巡講，鼓勵不同專業的學生參與進來，通過海選初步篩選出進入面試的成員。

初篩通過的成員進行下一輪的面試，面試官由組織比賽的專業教師及上一屆比賽的核心成員組成。面試環節主要分為自我介紹、口語展示、提問三個主要環節。面試的成員除了簡單地進行自我介紹外，還會涉及對iGEM的認識、自己參加比賽的動機及自身優勢等問題，然后面試官會給予每位學生第一印象分。接著成員會隨機抽取英文文獻進行朗讀，或者回答英文問題，通過測試英語口語的流利度、準確度等給出分數。在面試官經過前兩個環節對于學生有了簡單的了解后，還會對學生提出相應的專業問題，通過這種開放的交流問答，考查學生的反應能力、溝通能力、組織能力等，隨后給出相應的分數。

之后，對各位面試官給出的分數進行統計，擇優錄取，錄取的前期成員并不代表就是最終參賽的成員，在整個比賽的準備期間，我們會根據每個學生的出勤率、對于比賽的付出程度等確定最終的參賽成員。這種形式賦予了學生更多的主動性，體現了公平的原則，有助于團隊挑選出具有優秀能力的成員。

2.項目確立

項目的確立階段主要以“頭腦風暴”的方式進行，學生根據自己對于合成生物學的理解以及自己感興趣的方向，大量地閱讀相關文獻，然后將自己的想法以PPT的形式進行展示，其中包括研究背景，研究目的、意義及研究內容，解決生活中的關鍵問題，講解完成后，其他學生提出問題，互相探討，在彼此的思維碰撞中進一步完善各自的想法。之后會初步確定3～5個課題，全體成員就這些項目的可行性、創新性、安全性給予客觀評判，最終確立項目課題。2019年我們參賽的題目為“Biodestroyer of biofilm”，該課題運用合成生物學的方法，通過對銅綠假單胞菌內源基因的重新編排和組裝，構建了高效合成并釋放胞外多糖水解酶的工程菌，利用該工程菌可有效抑制野生型銅綠假單胞菌生物被膜的形成并高效破壞野生型銅綠假單胞菌形成的生物被膜，從而增強野生型銅綠假單胞菌對抗生素的敏感性。通過該設計，期望解決臨床治療中因銅綠假單胞菌產生生物被膜引起的抗生素耐藥性、治療反復等問題，為治療和根除慢性細菌感染提供一種新思路。

3.項目實施

課題確定后進入項目的實施階段。在此期間，除了最基礎的實驗階段，還包括數學建模、人類社會實踐（Human Practice，HP）、網站搭建（Wiki）等。首先運用數學建模確定課題的可實施性，之后通過實驗進行進一步驗證。實驗階段是備賽過程中最重要的一部分，需要隊員們不僅要有熟練的實驗操作能力，更重要的是解決問題和獨立思考的能力。所以在實驗項目開始之前，隊員們會提前進入實驗室學習各項實驗技能并強化自己的專業能力。實驗項目開始之后，需要規劃好實驗進度并嚴格按照規劃，保證整個實驗項目有條不紊地推進。但在實驗過程中，依然會遇到各種各樣的困難和問題，因此我們將實驗項目分解后交給三個實驗小組完成，這樣不僅可以提高實驗效率，更有助于不同實驗小組之間的交流討論，為困難和問題的解決提供集體智慧。

iGEM大賽非常注重項目能否服務于社會并解決人類生活中存在的問題，項目設計完善的很多內容都來源于HP。我們的項目是利用合成生物學的方法改造一種工程菌用于破壞病原菌生物被膜，首先就需要了解利用這種改造的細菌破壞生物被膜的方式能否被大眾所接受；生物被膜問題對人類生活影響的程度以及比起目前已有的解決方式，此項目存在哪些優勢等。這些問題都需要我們在HP中解決，具體的開展工作包括建立公眾號、班級宣講宣傳項目，利用調查問卷了解大眾的接受度，去有關醫院了解目前臨床上解決生物被膜的方法以及與專家討論項目的可行性、持續性、安全性等。除此之外，iGEM大賽還需要將自己的成果推廣出去、與別的隊伍交流合作。我們團隊分別與四川大學、西安交通大學、西北大學建立合作關系，為彼此項目的完善提出有價值的建議，隊員之間也會分享各自的參賽心得，這對我們項目的進展及日后的參賽具有重要指導作用。

與其他競賽不同，iGEM大賽需要將所有階段的成果以網站的形式展示，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。最終裁判們評定結果時，除了現場的演講外，還會通過網站來評估參賽項目的各參賽模塊的材料是否完整，因此網站的搭建十分重要。

4.現場比賽

參加現場比賽對于整個賽事來說已接近尾聲。在這個階段，需要對整個項目進行展示。首先是海報宣傳，海報包括項目的背景及創新點、實驗結果、數學建模以及人類社會實踐等。每位隊員需要熟悉整個項目，以便于與其他隊伍的學生或教師在海報區交流學習。其次是現場匯報演講，每個團隊均需進行現場PPT匯報（一般為3～4人），我們的隊伍將項目劃分成實驗、數學建模和人類社會實踐三個部分，由3人分別匯報。匯報展示的時間為20分鐘，匯報完成后裁判提問5分鐘，提問時雖然全體隊員都可上臺回答，但最好還是選1～2個對項目熟悉且英文口語能力強的隊員。匯報和提問結束后，裁判們還會對現場匯報時存在的問題在海報區進行追問，最終結合整體表現，對項目進行評分。

iGEM大賽在地方院校本科生綜合能力培養中的作用

參加iGEM大賽不僅是機會更是挑戰，特別對于地方院校，由于研究平臺、教學資源和科研實力等普遍較弱，學生們很難系統地參與科學研究，科研能力也相對薄弱。但通過iGEM大賽，學生可以從構思、設計到實施，完整地參與一個科研項目，能極大地促進本科生，特別是地方院校本科生的科研能力發展。

在參賽的整個過程中，隊員們需要投入大量的時間和精力，任何涉及項目有關的事宜都需要大家積極主動完成。通過完整參與整個項目，隊員們的綜合能力都有明顯提高。以延安大學為例，從確定參賽、備賽再到比賽結束，通過每位參賽隊員的成長與反思，我們總結了iGEM大賽在地方院校本科生綜合能力培養中的作用，如下：

1.培養科研創新能力

創新能力是每個國家進步的源泉，培養創新型人才是國家發展的動力。因此，如何提高大學生的創新精神和科研能力是我國高等教育的一大重要課題，而本科生就是這項工作的重要培養對象。iGEM大賽的整個過程以學生為主，從最開始的設計選題、實驗階段再到數據分析，都需要學生查閱有關文獻并獨立思考完成。當遇到問題時，隊員們需要不斷進行大膽的猜想和嚴謹的實驗驗證。除此之外，實驗數據的記錄、分析、整理等也能夠培養學生對于科研工作的認知能力，養成嚴謹的科研態度。

在參賽期間，隊員們同其他隊伍成員的交流學習，不僅可以了解到其他參賽項目新奇而大膽的創意，而且還可以了解到不同國家和地區之間大學生科研創新能力的差異。另外，在這個過程中隊員們也可以接觸不同的研究領域，既豐富了思維認知又可找到自己的興趣點，為之后的科研工作打下堅實基礎。

2.培養團隊協作能力

現如今，科研領域獲得的重大突破往往是一個團隊共同努力的結果，再加上科研本身就是一個難度系數極高、任務量較大的工作，這需要科研人員多看多聽多問，積極討論、互相磨合，從而提高自己。

iGEM大賽涉及的知識面極廣，需要各領域人才高效緊密的合作，不同專業的學生相互配合充分利用自己的特長可以有效解決實際問題。另外，在比賽的每個階段都有規定的截止時間點，再加上任務繁重，所以對于團隊協作能力的要求極高。優秀的團隊協作能力對于科研工作的順利推進具有舉足輕重的作用。

3.培養動手實操能力和社會實踐能力

科研工作不僅需要敏捷的思維和持久的耐力，更需要良好的動手實操能力，將設想轉化為現實。為了進一步鞏固學生的專業理論知識，提高實踐技能，每個大學都會開展必要的實踐教學，讓學生們在實踐的過程中更好地發現問題、思考問題、解決問題。實踐是檢驗真理的唯一標準，科研工作更是如此。純理論的輸入雖說可以豐富知識體系，但很多科研設想只有在實踐中才能一步一步完善。

人類社會實踐（Human Practice）是iGEM大賽的一個重要的比賽內容，重點是如何將項目更好應用于解決社會問題。因此必須進行一定的社會調查，這就需要學生主動制作一些調查問卷針對不同的人群去了解溝通。除此之外，在實驗的過程中，還要求學生們平衡學習與實驗的時間安排，同時也需要合理規劃預算經費，包括申請實驗儀器的使用和實驗材料的購買等，在此期間學生們的實操能力和社會實踐能力都會有很大的鍛煉和提升。

4.培養綜合技能

iGEM大賽作為國際賽事，由于參賽隊伍和裁判來自不同國家，要想讓大家更好地了解實驗項目，并拿到出色的成績，每個隊伍要能夠進行流利的英語演講及海報介紹，并且能夠自如應對裁判們提出的問題，因此對每個團隊成員的英文水平有較高的要求，如英文的寫作、專業詞匯的積累、英文文獻的閱讀能力以及英語口語表達能力等。這無疑對學生的英文能力具有很大的促進作用。同時，在比賽期間，不同高校之間尤其與國外高校有很多交流學習的機會，不同隊伍之間的隊員們都會進行激烈的討論，這不僅促進了不同國家、不同學科、不同知識背景下學生的交流與學習，而且有助于學生開闊眼界和思維，并運用所學的生物學知識解決生活中的問題。除此之外，iGEM大賽還涉及網站、海報和PPT的美工設計，這也對隊員們的藝術設計能力有一定要求?？偟膩碚f，iGEM大賽不但提高了隊員們的綜合能力，激發了大家對科學研究的熱情，并且增強了其專業素質能力，同時這也為個人的發展積累了寶貴的財富。綜上，iGEM大賽對地方院校本科生綜合能力的培養具有重要的促進作用，是地方院校培養創新型人才的重要平臺。

總結與展望

本文通過分析2016～2019年地方院校與教育部直屬院校參加iGEM大賽的隊伍數量與獲獎情況，顯示地方院校在參賽數量、辦學條件、經費支持等方面均處于劣勢的情況下，獲獎比例卻不亞于教育部直屬院校，這說明地方院校的學生同樣具有與世界名校學生同臺競爭的能力。同時本文以延安大學為例，從隊伍組建、項目確立、項目實施到現場比賽等各個環節對參加iGEM大賽的經驗進行了梳理，并從中總結出iGEM大賽對地方院校學生在獨立思考和科研創新能力、團隊協作能力、社會實踐能力及綜合技能等方面具有重要的培養作用，通過參加iGEM大賽也可以讓學生深刻體會在實驗項目實施過程中發現問題、分析問題和解決問題的重要性。

通過iGEM大賽不但有利于地方院校本科生在國際舞臺上展示自身的能力，而且對于展現我國地方院校的科研水平也具有重要意義。由于iGEM大賽在地方院校本科生綜合能力的培養方面發揮重要作用，因此我們希望地方院校能在項目經費和實驗條件等方面對本科生參加iGEM大賽提供更多長期而穩定的支持。同時，我們更期望通過iGEM大賽培養出來的學生在合成生物學領域以及其他相關科研或產業領域的創新取得更大的突破，在建設創新型國家方面肩負起時代的重任。

參考文獻：

[1]BENNER SA， SISMOUR AM. Synthetic biology[J].Nat Rev Genet，2005，6（7）：533-543.

[2]嚴偉，信豐學，董維亮，等.合成生物學及其研究進展[J].生物學雜志，2020，37（5）：1-9.

[3]李福利.中國合成生物學發展前景可期[J].高科技與產業化，2019（1）：32-34.

[4]鄔瀟劍.淺談合成生物學技術研究進展[J].中國高新技術企業，2016，4（14）：73-74.

[5]謝華玲，李東巧，遲培娟，等.生物學領域專利競爭態勢分析[J].中國生物工程雜志，2019，39（4）：114-123.

[6]田六，羅旭東，張紅雨，等.iGEM競教結合提升學生科研創新能力及綜合素質[J].高校生物學教學研究（電子版），2016，6（2）：57-62.

[7]呂原野，張益豪，王博祥，等.國際基因工程機器大賽對本科生科研教育的啟示[J].生物工程學報，2018，34（12）：1923-1930.

[8]伍克煜，劉峰江，許浩，等.合成生物學基因設計軟件： iGEM設計綜述[J].生物信息學，2020，18（1）：8-15.

[9]郝曉冉，邴杰，陳金波，等.大學生自主創新能力培養——國際遺傳工程機器大賽簡介[J].生物學通報，2017，52（7）：21-23.

[10]李燕，連俊，陳銘.iGEM在浙江大學培養拔尖人才教育中的模式與啟示[J].高等工程教育研究，2014：119-123.

[11]趙霞，盧曙光，王競，等.國際基因工程機器大賽在中國[J].生物工程學報，2018，34（12）：1915-1922.

[12]洪泂，羅昭峰，梁志，等.高水平國際學術競賽在大學生創新能力培養中的作用[J].高校生物學教學研究（電子版），2012，2（2）：60-64.

[13]王帥濤，牛艷婷，張恒，等.靶向破壞銅綠假單胞菌生物被膜的定向蛋白投放技術[J].微生物學報，2021，61（9）：2726-2748.

[14]譚靜，胡啟文，肖文剛，等.國際基因工程機器大賽對本科生創新能力培養的啟示[J].衛生職業教育，2018，36（1）：1-3.

[15]衛敏，邵小涵，陳金波.關于國際遺傳工程機器大賽金獎項目的分析[J].生物學通報，2019，54（4）：37-40.

[16]樂率，胡啟文，熊坤，等.以國際遺傳工程機器大賽（iGEM）為載體培養大學生的科研創新能力[J].生命的化學，2017，37（3）：458-462.

[17]田六，羅旭東，張紅雨，等.iGEM競教結合提升學生科研創新能力及綜合素質[J].高校生物學教學研究（電子版），2016，6（2）：57-62.

[18]張先恩.中國合成生物學發展回顧與展望[J].中國科學：生命科學，2019，49（12）：1543-1572.

（林金水、李盼欣、尹芮、成娟麗、陳國梁：延安大學生命科學學院）