喜报!我校两支代表队在2022 iGEM国际基因工程机器大赛再夺两金
发布时间 :2022-10-31  阅读次数 :701

北京时间10月28日,2022年合成生物学领域国际顶尖赛事——国际基因工程机器大赛(International Genetically Engineered Machine Competition,以下简称为iGEM)落下帷幕。疫情期间,赛事转为线上进行。共有来自麻省理工学院、清华大学、北京大学、上海交通大学等国内外知名学府的350余支顶尖队伍参赛。上海交通大学代表队SJTU-Software凭借项目“DL-ecGEM Reconstruction of Actinomycetes”再度卫冕金奖;SJTU-BioX-Shanghai凭借项目“Odyssey”斩获金奖。两支队伍延续了在这一赛事中的良好表现,再次在国际舞台上展现了交大学子的风采!

SJTU-Software卫冕金奖

SJTU-software团队由韦朝春教授、张岳副研究员担任指导教师,白林泉教授、石婷副研究员、王卓副教授、张宇航副教授担任专家顾问,由来自生命科学技术学院的魏嘉璐同学担任队长,成员由逄崇宸、张世杰、朱翔宇、傅杨、周若茵、陈禹蒙、王苏然、马艺嫣、倪悦琳、张晨楠、伦奕颖、汉熙昊、顾恩霖共14名本科生组成。

团队的参赛项目为“DL-ecGEM Reconstruction of Actinomycetes”,旨在搭建一个基于放线菌全基因组代谢模型的集成软件,并用于模拟放线菌生长、预测酶工程改造靶点、寻找优化抗生素生产策略等多个方面。

日益增长的微生物耐药性给传染病的治疗带来了巨大的挑战,并产生了寻找新抗生素的强烈需求。在近十年的科学研究中,放线菌仍然是新抗生素发现的最重要来源。团队研究对象——游动放线菌SE50/110,以生产阿卡波糖而闻名。阿卡波糖是一种α葡萄糖苷酶抑制剂,可以降低血糖浓度,是治疗II型糖尿病的有效药物。由于其具有温和持久的治疗效果和无毒性的优点,越来越受到患者的青睐。

系统生物学方法越来越多地应用于放线菌,基因组规模代谢模型(Genome-scale Metabolic model,GEM)可用于预测生物的代谢能力,团队希望为此放线菌重建高质量GEM并结合多种预测工具来加速其研究进程。

团队设计出一个自我优化、自我验证的闭环结构平台,利用放线菌添加酶约束的GEM进行模拟,并寻找对于阿卡波糖生产的关键酶类并将其作为改造对象,结合蛋白酶热点识别工具获得了单酶活性位点附近的改造靶点及突变方向,利用深度学习网络预测新蛋白序列对应的Kcat值并获得最优改造方案,并用更新后的Kcat值修改模型中的酶参数,最终观察到阿卡波糖产量的提升,以此验证了软件推荐改造方案的可行性。在模型参数优化过程中,还可以结合实验数据使其更接近细胞真实表型。生命科学技术学院研究生李倩雯、本科生胡远洁对此模型重构亦有重要贡献。

本项目为科研人员开发出集建模、预测、模拟于一体的集成软件,可以降低湿实验过程成本、缩短酶工程中的实验探索周期。软件还可以为目标代谢物提供高产优化策略,加速稀有抗生素的产业化进程。宏观上看,项目加速了放线菌乃至微生物的全基因组代谢模型重构,推动细胞代谢途径的理解及调控,参与到合成生物学从“被动理解”到“主动创造”的发展浪潮中。

为向大众宣传科普合成生物学及糖尿病、放线菌的相关知识,团队通过公众号及微信表情包的方式扩大影响力,并于暑期社会实践的支教活动中开设了相关科普趣味课程,激发更多小朋友对生命科学的兴趣和探索。

 

SJTU-BioX-Shanghai斩获第11枚金牌

SJTU-BioX-Shanghai团队依托于Bio-X研究院“合成基因机器学生科技创新工作室”,指导老师为贺林院士、马钢副教授和王毓舒老师。2022年团队由来自致远学院的闫奕潇同学担任队长,团队成员包括鲁周语、李福临、刘子博、郭映哲、焦响、郑雅文、吴诗怡、李宣仪、闫俊志、李赛亚、于翔宇、韩欣越、鲍瑛莹、陶乐阳、殷奕珉、谭新韵共17名本科生以及高中生钱泓亦。2021年团队的队长卢毓昕,队员张杰汉、朱子健,以及Bio-X研究院研究生牙里亲·亚力亲担任团队顾问。

本年度的项目聚焦于宇宙,生命与文明。2020年伊始,中国紫金山天文台提出了寻找地球2.0的“近邻宜居行星巡天计划”,引发了世界广泛关注。随着星际移民与深空探索逐渐变为可能的现实,一个尚未解决的问题是:人类该怎样运输大量信息以进行信息的星际运输?无线电与激光已然被淘汰,传统的固态存储又因其质量大,保存条件苛刻而不适用于该应用场景。基于以上考虑,团队成员决定从合成生物学的视角解决问题,我们应用DNA信息存储技术存储信息,同时将基因工程改造的枯草芽孢杆菌芽孢作为保护信息序列的载体。

DNA信息存储技术具有存储密度高,半衰期长,保真度高等优点,其单位存储密度可达455艾字节每克,相当于全球每年生产的全部信息可以被装进仅4g的DNA分子中。本项目中,Odyssey采用“阴阳码”作为基本编码方式,其信息存储密度可达每个碱基1.96 字节。在此基础上,团队将登月歌曲《Fly Me to The Moon》的一段歌词翻译成碱基序列并存储进枯草芽孢杆菌基因组。枯草芽孢杆菌被诱导产生芽孢,芽孢对于恶劣环境有着强烈的抵抗能力,NASA的实验表明芽孢能够在近地轨道存活超过90天。但是,考虑漫漫征途中可能遇到的种种危险与挑战,尤其是银河宇宙射线(GCR)对DNA的损害,Odyssey通过基因工程手段进一步对芽孢进行改造,分别从芽孢内部和芽孢外部进行抵抗辐射的修饰。在芽孢内部,引入水熊虫DSUP蛋白,该蛋白能够结合DNA从而起到对辐射的屏障作用。在芽孢外部通过表面展示系统,构建了黑色素生成与锚定的酶与结合肽体系,实现在芽孢外部形成抵抗紫外线的黑色素保护。最终在紫外损伤实验中,我们成功实现了DSUP蛋白和黑色素对枯草芽孢杆菌的保护,基因组测序表明我们的体系能够有效避免枯草芽孢杆菌DNA的突变,起到了DNA信息存储的保护作用。

黑色素结合能力测试

实验过程中,团队应用DNA存储相关算法进行信息序列的编码与解码;应用分子模型预测蛋白质结合强度,并通过理性设计预测实现更优功能的氨基酸突变位点;应用数学模型实现对实验全程的协助,补充和完善。

在项目开展过程中,团队与多个领域的专家进行了深入探讨与交流,在项目设计,实验技术,模型搭建与生物安全性等方面均获得了有益的反馈和启发。与天津大学,同济大学,及同样来自上海交通大学的队伍建立了良好的伙伴关系,在各个方面相互启发帮助。此外,团队还跟世界其他地区的队伍进行了广泛合作与交流。

此外,团队成员以支教,直播公开课,讲座等途径,向各个年龄段的学生进行了合成生物学的科普工作。9月初,中国科学家将敦煌壁画的数字信息存储进DNA的成果冲上热搜,但是问卷和社会调研的结果显示公众对DNA信息存储的基本概念尚不清楚,为此,团队通过制作手册,发送推送和邮件订阅科普小报的方式面向大众进行科普。此外,团队同样致力于太空生物学(astrobiology)的推广。“仰观宇宙之大,俯察品类之盛”,团队成员以科幻小说和科学问题作为载体进行科普教育,制作了科幻小说博客频道。

从2009到2022年,上海交通大学iGEM代表队斩获十八金三银二铜,尤其值得一提的是,SJTU-BioX-Shanghai团队曾荣获亚洲冠军、最佳人工生物模块设计、全球最佳16队、最佳医学诊断项目提名等荣誉,SJTU-Software曾获最佳软件项目提名等荣誉。2022届队员勤学精研,勇于探索,紧密配合,不懈奋斗,在前沿生物学的世界舞台上再一次彰显了交大青年学子的风采!