iGEM國際基因工程機器大賽金獎作品案例分享（4）

國際基因工程機器大賽iGEM，是合成生物學領域的國際頂級大學生科技賽事，也是涉及數學、計算機、統計學等領域交叉合作的跨學科競賽。每年由美國麻省理工學院MIT主辦，主要針對在校本科生、研究生和高中生。競賽要求iGEM團隊利用標準生物模塊（Biobricks）來構建基因回路、建立有效的數學模型，實現對精致複雜人工生物係統（artificial biosesystem）的預測、操縱和測量以完成比賽。

2022年國際基因工程機器大賽iGEM，已於(yu) 北京時間10月28日20:00正式落幕。

據不完全統計高中生組，2022年中國大陸有60多個(ge) 隊注冊(ce) 參賽，最終有16支隊伍獲得金獎、19支隊伍銀獎、15支隊伍銅獎、9支隊伍無獎、2支隊伍棄權。

機構有幸繼續領跑iGEM Commercial 賽道。其中 Worldshaper-Shanghai隊經曆了長達1年的學習(xi) 、科研之旅，喜獲金獎。

# 1Worldshaper-Shanghai

 是誰？

Worldshaper-Shanghai

Worldshaper-Shanghai是一支由16名高中生組成的隊伍。其成員來自上海市世界外國語中學、光華學院劍橋國際中心、上海平和雙語學校、Sydney Pymble Ladies College、星河灣、華東(dong) 師範大學第二附屬中學、杭州樹蘭(lan) 學校、上海諾科、上海市控江中學、NCPA美式中學、WLSA、華東(dong) 康橋國際學校等。

Worldshaper-Shanghai隊的最大特色是緊跟潮流，想法新穎。他們(men) 特別擅長自媒體(ti) 運營，在參與(yu) 項目實踐期間，采用vlog的形式記錄日常事件，並在後期與(yu) 項目課題相關(guan) 聯製作日曆圖文。

Worldshaper-Shanghai隊的每位同學都積極參與(yu) 了各隊長競選活動，最終分成幹濕隊兩(liang) 大組，項目實施、宣傳(chuan) 設計等七小隊。各隊組的分工主要如下：

基本每位隊員都參加了濕隊實驗工作，每位成員還參加了2-3個(ge) 幹隊小組的工作。從(cong) 選題到項目的幹、濕隊工作的實施，再到後麵的各類數據與(yu) 結果的分析整理以及相關(guan) 文稿的整理，直到最終的答辯準備與(yu) 完成，在全體(ti) 隊員的共同努力下，隊員們(men) 都圓滿完成了各項目標任務，最終收獲金獎。

# 2體(ti) 外擴展係統

 實現花青素批量生產(chan)  

Worldshaper-Shanghai隊的研究課題是藍精靈：抗衰老花青素的體(ti) 外生產(chan) 。團隊以花青素開發為(wei) 目標，利用合成生物學的方法，實現花青素的體(ti) 外批量生產(chan) 。

花青素是一種廣泛分布於(yu) 植物體(ti) 內(nei) 的天然無害色素，在用作食用色素的同時，由於(yu) 其抗氧化與(yu) 清除自由基的生物學活性，它也是極具潛力的抗衰老物質。隨著大眾(zhong) 對人類健康問題的關(guan) 注，對花青素產(chan) 品的需求不斷增長。

但是，由於(yu) 植物原材料受季節和氣候影響極大，來源的不穩定，同時需要占用大麵積的糧食生產(chan) 用地，並產(chan) 生大量的生產(chan) 廢物，導致了資源浪費並容易造成環境汙染，當前的花青素生產(chan) 產(chan) 業(ye) 的規模受到嚴(yan) 重限製，花青素產(chan) 品的產(chan) 量遠遠不能滿足消費者的需求。

因此，Worldshaper-Shanghai隊希望開發一種以食用胡蘿卜細胞為(wei) 基質細胞的體(ti) 外生物係統，能夠在較短時間內(nei) 大量生產(chan) 花青素。通過這種可擴展的係統，可以實現花青素的批量生產(chan) 。

通過背景調研發現，在植物中，花青素的合成主要是在轉錄水平上受到 由 MYB、bHLH和WD-重複轉錄因子組成的MBW 複合體(ti) 的調控，其中MYB基因的單獨以為(wei) 表達或 MYB基因結合bHLH基因的共同異位表達能夠顯著增加植物中的花青素含量。此外，黃芩（Scutellaria baicalensis）是一種花瓣中富含花青素的重要中草藥，黃芩基因組已經完成了全部測序。

因此，可以從(cong) 黃芩基因組中分離出用於(yu) 花青素生物合成的MYB和bHLH調控因子，構建一個(ge) 高產(chan) 的離體(ti) 花青素合成細胞體(ti) 係，從(cong) 而解決(jue) 傳(chuan) 統花青素產(chan) 業(ye) 原材料來源不穩定、占用耕地、容易導致資源浪費和環境汙染等問題，從(cong) 而實現花青素的穩定量產(chan) 。

Worldshaper-Shanghai隊的整個(ge) 項目實驗主要包括以下四個(ge) 部分：

◾ 載體(ti) 構建。需要分離克隆獲取黃芩的MYB和bHLH調控因子以及其他的目的基因以及相應的啟動子和終止子。之後應用Golden Gate Assembly方法，構建用於(yu) 花青素誘導合成的最終載體(ti) 。

◾ 農(nong) 杆菌介導轉化。先將構建得到載體(ti) 轉移到發根農(nong) 杆菌，在通過農(nong) 杆菌對胡蘿卜外植體(ti) （葉子）的侵染並形成發狀根，最終將目標載體(ti) 整合到胡蘿卜發狀根細胞中。

◾ 發狀根的培養(yang) 於(yu) 花青素的誘導。篩選出轉化陽性的胡蘿卜發狀根並對其進行離體(ti) 培養(yang) 。在獲得足量的發狀根後，通過往液體(ti) 培養(yang) 基中加入適量的β-雌二醇，誘導發狀根合成花青素。

◾ 花青素提取與(yu) 檢測。最後應用酸化甲醇提取獲得花青素後，測定胡蘿卜發狀根的花青素含量，並進行花青素的一係列顯色反應，確認花青素的應用價(jia) 值。

在項目研究過程中，同學們(men) 通過文獻調研，在專(zhuan) 家和導師的指導下，經過反複實驗，成功解決(jue) 了一係列的難題：

◾ 底盤細胞和培養(yang) 體(ti) 係的選擇

相對微生物細胞，植物細胞含有花青素合成的所有核心基因，因此團隊一開始就選擇了植物細胞作為(wei) 花青素生物合成的底盤細胞，但是在選擇具體(ti) 的植物物種上卻存在著不少疑問——在現有的植物細胞離體(ti) 培養(yang) 體(ti) 係中，煙草細胞的培養(yang) 體(ti) 育係最為(wei) 成熟，但是由於(yu) 煙草細胞合成對人體(ti) 有害的生物堿，不適合用於(yu) 合成作為(wei) 保健品或食品添加劑的花青素。

在專(zhuan) 家和實驗導師的建議和指導下，團隊最終選擇了胡蘿卜細胞作為(wei) 生物合成底盤，並成功建立了相對細胞懸浮培養(yang) 體(ti) 係生長速度更快、遺傳(chuan) 更穩定、無限繁殖並能夠在無激素培養(yang) 基中持續生長胡蘿卜發狀根離體(ti) 培養(yang) 體(ti) 係。

◾ 目的基因的克隆和載體(ti) 的構建

麵臨(lin) 的困難主要是目的基因的克隆和載體(ti) 的構建。

在實驗導師的指導下，隊員們(men) 最終從(cong) 黃芩基因組中克隆得到了MYB和bHLH調控因子，並分別命名為(wei) SbMYB75和SbDEL。之後，團隊應用Golden Gate Assembly方法，通過逐步構建的方法，成功構建了用於(yu) 花青素誘導合成的IA（inducible anthocyanin）載體(ti) 和陰性對照NC（negative control）載體(ti) ：

對於(yu) IA載體(ti) ，主要由GFP、SbMYB75和SbDEL三個(ge) 表達盒組成，團隊將載體(ti) 命名為(wei) IA（誘導型花青素）載體(ti) ，其中SbMYB75基因和SbDEL基因均由lexA-35S啟動子驅動。在β-雌二醇存在的情況下，組成型表達的XVE轉錄因子被激活，並進入細胞核，與(yu) LexA-35S啟動子結合，進而激活SbMYB75和SbDEL的表達，然後，這兩(liang) 個(ge) 轉錄因子打開內(nei) 源結構基因以進行花青素生物合成。為(wei) 了便於(yu) 篩選，載體(ti) 中還包括了一個(ge) GFP 表達盒。而NC陰性對照載體(ti) ，由於(yu) 沒有 XVE 表達盒，則不能誘導花青素的合成。

如果能在較短時間內(nei) 大量生產(chan) 花青素，通過這種可擴展的係統，實現花青素的批量生產(chan) ，從(cong) 而降低市場上花青素產(chan) 品的價(jia) 格，就能進一步滿足消費者對於(yu) 花青素的需求。

# 3收獲不止獎項

 堅持讓成功近在咫尺 

上海隊的每個(ge) 同學都有各自的優(you) 勢，在項目進行過程中，有過歡笑，也有過沮喪(sang) 。但是，每個(ge) 人依舊保持著對生物學的熱忱，對項目的嚴(yan) 謹態度，最終成功獲得優(you) 異的成績。

當然，在他們(men) 遇到困難時，會(hui) 選擇積極地與(yu) 團隊成員交流討論，及時尋找解決(jue) 方法。這一路走來，上海隊的每位成員作出的努力，老師們(men) 都可以真真切切感受到。每位隊員的堅持不懈終邁進成功大門！

# 42023種子隊員招募

 報名持續中 

新的一年，新的起點，新的成就！新一屆的同學們(men) ，2023年機構·iGEM戰隊種子隊員招募啟動啦！截至12月31日都可享受早鳥優(you) 惠！

對iGEM競賽感興(xing) 趣、渴望在國際舞台上展現風采的同學們(men) ，快來加入我們(men) 吧！