合成生物学新技术给微生物穿上七彩“服饰”

上海科技大学李健课题组开发出基于丝氨酸整合酶（serine integrase）的 合成生物学新技术， 给微生物穿上七彩“服饰”，相关成果在线发表于国际知名学术期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)。

丝氨酸整合酶通常来源于 噬菌体，在噬菌体侵染宿主细胞的过程中，丝氨酸整合酶催化DNA之间发生位点特异性重组反应，促使噬菌体DNA整合至宿主的基因组内。

近年来，丝氨酸整合酶被广泛运用于基因组编辑、线性DNA重组、基因线路设计等合成生物学领域。李健组借用生态学领域“ 共生”的概念，将丝氨酸整合酶、基因线路设计与合成生物学元件等紧密结合，在体内和体外两种应用场景下，实现了对启动子、终止子和表达基因等合成生物学相关元件的精准操控，为合成生物学领域提供了一种 基于丝氨酸整合酶的新型遗传操作手段。

此模型用少数的丝氨酸整合酶即可控制多种不同的大肠杆菌实现信号输出，成功实现“输入信号”与“输出信号”之间的指数级增长（图1）；而且通过设计“二进制-十进制”信号转换器，也能使同一种大肠杆菌处于多种不同的状态（图2）。

图1 | 基于丝氨酸整合酶设计的“锁-钥契合”模型，实现信号指数级（y=2^x-1）增长

图2 | 基于丝氨酸整合酶设计的“锁-钥契合”模型，实现“二进制-十进制”信号转换

此外，研究人员利用“资源分配器”基因线路，对“锁-钥契合”模型进行改进优化后，可使“输出信号”得到显著放大。

图3 | 利用丝氨酸整合酶实现体外多轮质粒融合及叠加

值得指出的是，这里的质粒构建方式是以两个环状质粒为直接模板，避免了传统方法中需先制备线性片段再构建质粒等繁琐的遗传操作过程。

研究人员利用质粒融合技术，将6种能够表达不同色素蛋白的质粒进行两两或三三融合，共 构建了35种不同表达质粒。再将这些质粒转入大肠杆菌进行蛋白表达，进而获得了 一系列带有不同颜色的大肠杆菌（图4），其中一些新产生的颜色是此前在大肠杆菌中从未报道过的。

图4 | 大肠杆菌中不同融合质粒表达色素蛋白。（A）菌体颜色标准化流程；（B）六种基础色素蛋白颜色；（C）能够覆盖完整色谱的代表性彩色菌体展示

此外，研究人员还提出了一套颜色的标准化流程，利用比色卡，将肉眼可见的颜色转换为标准化的RGB数值。

这些彩色大肠杆菌可用于不同的应用场景，比如做 为活体绘画的颜料、信息加密的载体及环境响应的媒介等等；同时，这些彩色大肠杆菌的构建策略还具有用于 构建其他彩色微生物的可能，进而丰富彩色蛋白/微生物的应用范围。

除了在医疗、环保领域大有可为，利用合成生物学，还能全面升级 生物制造技术，不仅可以提高生物基物质/材料的生产效率，还可以获得全新的生物基物质/材料。

iGEM国际基因工程机器大赛，以合成生物学为主题，采用“自下而上”正向工程学策略，通过元件标准化，模块化，适配底盘，按照电子工程学原理和方式设计、模拟，构建简单的、可被调控的基因线路模块，致力于解决世界难题，比如粮食危机、环境治理、能源危机等。

iGEM国际基因工程机器大赛

什么是iGEM？

iGEM国际基因工程机器大赛，合成生物学领域的最高国际性学术竞赛。由麻省理工学院（MIT）创办，每年举办一次，是以合成生物学为核心多学科交叉 国际级科技竞赛，其理念在于鼓励学生积极创新，用创新去改变世界 。

自2005年发展成国际学术竞赛，从最开始的大学生组一个组别（不足10支队伍）参赛，发展至今成为涵盖高中、本科、研究生以上三个组别。要求学生自主选题，融合 科学、技术、商业、工程、设计等各个方面，不仅是理论和设计的竞赛，还涉及生物实 验、数学建模、社会调研、网站设计、宣传海报、英文演讲陈述和举办相关的科普地面 活动等。

参赛学生将研究所取得的有用成果提交给MIT的竞赛组委会，供全球的科学家共 享参赛队伍的研究成果，为不同国家、不同专业的学生提供了一个相互交流的国际 舞台；参赛队伍的相关研究成果常年发表于《Nature》、《Science》、《Economists》 等一线学术期刊......

为什么参加iGEM？

▫ 全球顶尖大学参与与认知度最高的创新竞赛之一

▫ 95%以上的参赛高中生以全球前50位大学为升学目标

▫ 涵盖生物、数学与信息科学、机械与电子工程、公众宣传、社会创新等领域

▫ 国内一流大学实验室的科研与导师团队一起工作

▫ 适合跨校参加的团队竞赛，体现每一位成员的领导与执行力

▫ 积累推荐信、顶尖竞赛奖项、论文与专利、大量的活动影像素材

▫ 参赛项目可用于isef、商赛、丘成桐、青少年科技创新大赛等其他赛事

哪些学校参加了iGEM？

2011年，iGEM首次开设高中组赛道。2013年，来自中国大陆的高中队首次成功参赛。近年来，尤其是，2017-2019年，中国高中队每年均以10支左右的数量逐年递增，远远高 于全球参赛队伍数量的增长率。由此看出，越来越多的国内学生关注到iGEM，也有意识 地通过iGEM来提升个人综合实力，为将来的留学申请提高竞争力。

全球国际名校：普林斯顿大学、牛津大学、哈佛大学、耶鲁大学、哥伦比亚大学、斯坦福大 学、芝加哥大学、MIT、杜克大学、康奈尔大学等等国内顶尖985、C9高校：清华大学、北京 大学、浙江大学、中科大、复旦、上交等几乎所有985高校

中国大陆iGEM高中队统计

2021年，思铺学院指导的3支高中iGEM队伍获得2金1银，1最佳单项奖提名。

2022年，思铺学院在杭州、南京、上海等地开设了iGEM课题研究小组，目前课题即将进入实施阶段，想要参加iGEM国际基因工程大赛的同学，不要再犹豫啦！

2022赛季全领域战队成员招募

iGEM战队分工

iGEM竞赛内容

竞赛辅导日程

2022.5

队伍选拔、前期培训及必修课程学习，项目社会调查和专家访谈

2022.6

干队工作实施及暑期工作筹备

2022.7-2022.8

项目实施（干湿队同步进行）

2022.9

项目结题及交付成果整理

2022.10

项目预答辩及交付成果上传

TBD

项目答辩

指导团队介绍（部分）

▫ 史如意博士

浙江大学生物系统工程博士

Worldshaper生物项目总监

在生物工程、食品科学领域取得优异的科研成果。投身青少年科技教育后，在课程开发、课题 指导、国际学校课程体系建设中取得了出色的成绩。作为生物组学术带头人，带领多支iGEM 竞赛队伍在国际大赛中获得金牌。

▫ 曾宪福博士

武汉大学数学与统计学博士

Worldshaper数学项目总监

发表学术论文十余篇、主编微积分教材一部。曾担任高校数学竞赛负责人，大学生、高中生数 学建模队教练。指导学生参加全国大学生数学建模竞赛先后获得一等奖、二等奖等13项。多次指导高中生队伍在Himcm、登峰杯数学建模大赛、丘成桐数学奖、AMC中获得优异成绩。

▫ 王银申

浙江大学机械电子工程硕士

硬件制作与传感设计导师

大学生/高中生机器人竞赛、人工智能挑战赛、中国青少年科技创新大赛资深教练。多次辅导 获得全国机器人大赛一等奖，省级青创赛一等奖等等，拥有丰富的无人机、多功能机器人、 Python编程、传感器设计等方面的课程开发与教学经验。

▫ Dr. Justin Pahara

Worldshaper iGEM首席外方顾问

剑桥大学生物技术与电子学博士

约翰霍普金斯大学病理学实验室高级研究员

浙江省科技馆科学院生命科学创新导师

▫ 张教授等

Worldshaper iGEM杭州课题指导组

浙江大学生命科学学院教授专家团队

▫ 薛教授等

Worldshaper iGEM上海课题指导组

同济大学生命科学与技术学院教授专家团队

▫ 孙教授

资深微生物与合成生物学专家，武汉大学与图卢兹大学联合培养博士，带领重点高校校队连续4年获得iGEM金牌。目前担任思铺学院合成生物学学术顾问。

▫ 江教授

发酵与生物工程专家，浙江大学、华南理工大学、爱荷华大学联合培养博士。江苏省重点高校合成生物学与生物智造课题组负责人。

▫ 王教授

广东省985高校博导，生物化学与分子生物学、微生物与发酵工程、合成生物学专家。多年担任大学校队iGEM课题指导，并连续获得金牌。

Worldshaper队伍历年战绩

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