美國波士頓，2016年11月1日晚，扣人心弦的“國際遺傳工程機器大賽”頒獎直播，牽動著全球五大洲30多個國家、地區(qū)的283支參賽隊伍，當(dāng)TMMU-China（第三軍醫(yī)大學(xué)-中國）出現(xiàn)在金獎名單時，引發(fā)了一陣歡呼。這場為期5天的合成生物學(xué)領(lǐng)域頂尖賽事，聚集了哈佛大學(xué)、耶魯大學(xué)、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、劍橋大學(xué)等世界名校，以及北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國科大、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)等國內(nèi)高校代表隊。其中，第三軍醫(yī)大學(xué)是我軍2個斬獲金獎的院校之一，也是重慶市第一支獲此殊榮的高校參賽隊。

國際遺傳工程機器大賽（iGEM)，由麻省理工學(xué)院于2003年創(chuàng)辦，2005年發(fā)展為國際性學(xué)術(shù)競賽，是合成生物學(xué)領(lǐng)域的頂級國際性學(xué)術(shù)競賽。合成生物學(xué)是近年來新興研究領(lǐng)域，試圖設(shè)計、構(gòu)建和完善人工生物模塊、系統(tǒng)，實現(xiàn)對復(fù)雜生物系統(tǒng)的操縱和測量，在多個領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景，包括更有效的疫苗生產(chǎn)、藥物研發(fā)，以生物學(xué)為基礎(chǔ)的工業(yè)制造、可再生能源生產(chǎn)、環(huán)境污染的生物治理、生物傳感器對有毒化學(xué)物質(zhì)的檢測等，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

“曾有人評價，合成生物學(xué)是21世紀(jì)與人工智能、腦科學(xué)等并列的顛覆性領(lǐng)域。作為一門新興的交叉學(xué)科，需要這樣的比賽將我們的本科生培養(yǎng)為未來的接班人?！钡谌娽t(yī)大學(xué)領(lǐng)隊胡啟文副教授說。

在長期推行“本科生進實驗室”的第三軍醫(yī)大學(xué)，參賽項目的社會價值或許遠遠大于比賽本身的結(jié)果。

“我們把一個活的生命體或者細胞命名為‘底盤生物’，以此為基礎(chǔ)，將其他的一些生物工程系統(tǒng)加諸到這種‘底盤生物’上，使之呈現(xiàn)出多種性能。這就好比在汽車生產(chǎn)中，汽車的車架就是底盤，可以根據(jù)汽車底盤的性狀來安裝不同系統(tǒng)和零部件，最終打造出諸如奔馳、寶馬等不同品牌的汽車。事實上，對‘底盤生物’的改造主要包括兩種策略：一種是使它能加載更多的‘東西’，另一種是植入某些‘元素’讓‘底盤生物’運行更加高效。后者正是我們此次參賽項目設(shè)計的基本思路?！钡谌娽t(yī)大學(xué)基礎(chǔ)部微生物學(xué)教研室主任饒賢才教授說。

從2015年年底開始，第三軍醫(yī)大學(xué)的21名本科生在微生物學(xué)教研室等抽調(diào)的指導(dǎo)教師團隊幫帶下，歷時一年完成了參賽項目。該項目利用食品級篩選標(biāo)記，對乳酸乳球菌進行遺傳工程改造，構(gòu)建了“外源基因敲入乳酸乳球菌快速篩選系統(tǒng)”，利用篩選標(biāo)記調(diào)控基因?qū)ο到y(tǒng)進行了耐受性升級，通過引導(dǎo)肽、錨定分子等合成生物學(xué)設(shè)計，準(zhǔn)確穩(wěn)定地將降鈣素展示于乳酸乳球菌表面，并將傷寒沙門菌Vi抗原合成基因簇作為部件，采用快速篩選系統(tǒng)整體植入乳酸乳球菌，得到Vi抗原產(chǎn)生工程菌。

“合成生物學(xué)常用的‘底盤生物’包括大腸桿菌、酵母菌、噬菌體等。我們在參賽項目中選取的‘底盤生物’乳酸乳球菌，就是乳酸菌的一種，這是一種食品安全級的菌，很早就被用于發(fā)酵工業(yè)，比如奶酪。與傳統(tǒng)的‘底盤生物’相比，它的優(yōu)勢非常明顯，但目前對乳酸乳球菌的研究卻很少。要對乳酸乳球菌進行改造并運用到食品和生產(chǎn)中，需要解決很多問題?！钡谌娽t(yī)大學(xué)領(lǐng)隊胡曉梅教授說。

“通過我們在實驗室的‘加工’，使得乳酸乳球菌在適當(dāng)培養(yǎng)基上呈現(xiàn)藍色，而成功植入外源系統(tǒng)的有用工程菌則是白色，這種差別一目了然，為科學(xué)家提供了一種有用而高效的菌種。通過一套設(shè)計來優(yōu)化乳酸乳球菌，讓乳酸乳球菌真正變成一個便利的底盤生物?！钡谌娽t(yī)大學(xué)參賽隊隊長、本科學(xué)員黃志剛說。

“前期實驗部分要求我們投入大量的時間去完成，每天除了上課，我們基本就是在實驗室，有時利用課間10分鐘都要去實驗室看一下菌群生長情況。經(jīng)過三個月攻關(guān)，課題才基本有了雛形。”參賽隊員盧毅飛說。

“項目創(chuàng)新的基礎(chǔ)，來自導(dǎo)師傳授的實驗技能和分子生物學(xué)理論基礎(chǔ)。”參賽隊員鄧杰忠說。

“大賽包括實驗項目、實踐推廣、數(shù)學(xué)建模、合作交流、網(wǎng)頁制作、部件遞交、現(xiàn)場答辯、海報展示等八個模塊，需要我們具備實驗設(shè)計、數(shù)學(xué)建模、網(wǎng)頁設(shè)計等綜合技能，對本科生科研素質(zhì)是重大考驗?！眳①愱爢T晉旭銳說。

據(jù)悉，該項目準(zhǔn)確把握了益生菌與人類健康這一重大課題，建立了快速無抗生素基因的整合篩選系統(tǒng)，為發(fā)展合成生物學(xué)提供了有效途徑，具有廣闊的發(fā)展前景。“我們也應(yīng)用該優(yōu)化‘底盤生物’，成功構(gòu)建了降鈣素展示菌，人類服用展示了降鈣素的乳酸乳球菌，有望治療骨質(zhì)疏松等骨關(guān)節(jié)疾病。而進一步植入其他系統(tǒng)的乳酸乳球工程菌，臨床應(yīng)用更加廣泛?！别堎t才教授介紹道。