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中国人民大学附属中学IGEM

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什么是iGEM

iGEM全称为国际遗传机器大赛(International Genetically Engineered Machine Competition),先是由麻省理工大学创办,后发展为代表合成生物学领域最高水平的学术竞赛。大赛每年一届,由iGEM基金会举办。每年大赛参赛队伍的相关研究成果都受到如:《科学》、《自然》、《科学美国人》、《经济学人》 等期刊学术界和工业界的广泛关注,同时受到BBC等传统媒体的关注和专题报道。

合成生物学是近年来新兴的研究领域。比赛涉及生物学,数学,化学等多种学科,是以合成生物学为核心多学科交叉国际科技竞赛。其理念是鼓励生物学者积极创新,用创新去改变世界。


大赛分为高中组以及大学组。大赛要求各支参赛队伍自己设计或者利用part registry数据库的标准化生物学元件,组装表达载体,构建生物系统,并在活细胞内表达。各团队所进行的生物系统工程内容没有任何限定,参赛队伍需要对自己组装的生物系统的各个性质进行测定,并在part registry数据库注册。

参赛团队的的项目中需要包含Human Practice和Safety两块内容。目的是分析自己的研究成果对于全社会和大众的影响,普及和宣传合成生物学知识;分析展示团队项目的可行性以及潜在的安全威胁。


在项目完成后,各队会在名为Jamboree的聚会上展示各自的成果,并进行交流。聚会的地点在美国的波士顿,全世界顶级生物学学者将会汇集于此。

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛) 中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

我们是谁

我们是来自中国人民大学附属中学的iGEM团队,

我们的队员由来自高二,高三的学生组成。


我们的队员对生物学有着浓厚的兴趣,

我们队员的英语水平超群,可以和来自不同国家的学者无缝交流。


我们团队集结了人大附中拥有最高合成生物学水平的高中生,

我们队员曾获得英国美国奥林匹克生物竞赛的国际奖项,在以往IGEM比赛上取得了优异的成绩。


我们的指导老师是有丰富的带队经验,指导学生在生物类赛事都取得了优秀的成绩,

我们的辅导员为团队的基因工程和生物合成方面提供了强有力的技术指导。


但是我们同样需要您的帮助,您的慷慨解囊可以帮助我们解决实验资金短缺的问题。

团队分工

1. 技术部:负责iGEM项目技术方面的事务,如课题的理论论证,实验流程设计,具体实验人员的分工,材料管理,具体实验操作规范化和技术培训,生物安全管控。


2.宣传部:负责iGEM项目的对外宣传,包括公众号定期更新,招新,众筹方案设置与实物回赠,logo,队服队徽和海报的设计与制作,Human Practice与和其他队进行合作交流等。


3.管理部:负责iGEM项目各方面非工作内容的管理,比如管理众筹资金,队员的时间表,记录队员贡献,记录实验期间的考勤,确定机票和住处,时刻关注并通报ddl等。


4.信息部:负责iGEM项目各类信息的电子化以及处理,包括基因电路的数学建模,wiki页面的结构设计,每次会议内容,实验方法及结果的整理归档,影像收集以及基本的视频制作等。

课题背景


中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

图片:www.news.163.com.



2004年11月18日,延安发生特大石油泄漏污染事故,输油管泄漏原油上千吨,数百亩农田被污染 。2010年7月16日大连发生原油泄露,污染面积约50平方公里,直接影响周围600户居民生活。大量水生生物死亡,将近400亩的海鲜养殖区受到波及。


石油泄漏是一种非常严重的环境污染。


目前,我国油田区土壤污染面积约有4.8^1010平方米,占油田开采区面积的20%-30%。油田区长期积存未经处理的含油污泥为主的石油固体废物,堆放量超过300万吨,成为油田区污染的主要来源。


石油进入土壤后,会粘着在植物的根表面,引起根系腐烂,使作物减产。污染后的农田种出的粮食伴有恶臭,含油量严重超标。

石油中的某些苯和烃可以致癌,致病变和致畸形。土壤被污染后这些物质就会随着食物链进入人体,长期积累就会危害生命。因此治理土壤中的石油污染对人民的身体健康非常重要,其中修复被污染的土壤是关键一环。


传统处理石油泄露的方法仅限于物理和化学方面,如焚烧法和化学浸出法,但是这些方法对环境破坏比较大,会加重温室效应或者释放有毒的硫化物。


如今,生物修复石油泄露的方法逐渐成熟。这种方法利用微生物的新陈代谢减少土壤或水体中有害物质,并且产物均为水或其它无害化合物,同时可以保持土壤整体完好。在生物修复中有一种物质十分重要,就是表面活性剂。它将大块油污变为小块油污,极大地提高降解油污的效率。


部分微生物可以生产一种名叫表面活性素(surfactin)的表面活性剂。表面活性素的优势有:


1.作为生物表面活性剂,它比化学表面活性剂毒性更小,百分百可生物降解,安全并对环境友好。它在极端温度,pH,和盐度的条件下都可使用。

2.有关毒性:实验结果证明当其摄入量小于47.5ppm(parts per million),对多个生理功能没有负面影响。

3.促进碳氢化合物生物降解的效果很好:为期88天的实验的结果是表面活性素将土壤碳氢化合物浓度6981ppm降低到1655ppm。


我们相信,微生物中的表面活性素将起到极好的乳化泄漏石油的作用,从而促进石油污染的生物修复。

课题介绍

为了使生物修复法能更有效地清除石油污染,我们提出了「可移动表面活性剂工厂(Mobile Surfactant Factory)」的概念,希望设计既可以生产表面活性剂,也可以降解石油的微生物。


根据这个目标,我们锁定了枯草芽孢杆菌作为我们的改造宿主,并确定了所需的基因元件。我们之所以选择枯草芽孢杆菌,是因为野生型枯草芽孢杆菌可以自己生产表面活性剂,而外排表面活性剂所需的蛋白也常见于枯草芽孢杆菌或与之类似的各种革兰氏阳性菌中。

我们需要克隆野生枯草芽孢杆菌中负责生产并外排表面活性剂的基因,并在枯草芽孢杆菌中测试2010年TU-Delft队设计的、可降解碳氢化合物的基因元件,赋予其降解石油的能力。


另外,我们还要测试一种神奇的转运蛋白——lmrA——的功能,看看这种来自乳酸菌的转运蛋白能否提高枯草芽孢杆菌的表面活性剂外排效率。

发现lmrA蛋白


中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

图片:Created with Swissdock. Visualized with UCSF Chimera


微生物以及人类癌细胞所体现出来的多药物抗性严重影响了各种药物的效力,威胁着我们的健康。其最主要的原因就是细胞膜表面存在的异生素转运蛋白,它们能够利用细胞内的能量源源不断地把进入细胞的各种有毒物质排出细胞。通过调查生物活性素的性质,我们了解到它不仅是很好的生物活性剂,还是一种环肽类抗生素。通过逆向思维,我们可以试图驾驭导致多药物抗性的转运蛋白来使它高效外排表面活性素,从而促进对石油污染的清除。经文献调研,我们选择了乳酸链球菌中一种名叫lmrA的ABC转运蛋白准备进行测试,不仅因为它的结构功能明确,而且许多研究联合证明了它的底物特异性较差,能外排很多种抗生素、化疗药物和小分子的有毒物质,我们推测它很有可能也具备外排表面活性素的能力。

降解石油

2010年TU-Delft队的iGEM项目旨在利用大肠杆菌分解烷烃。他们将来Gordonia sp. TF6的几个基因转入大肠杆菌,这些基因表达后会在细胞膜上形成复合体,可以水解长度为五个碳到十三个碳之间的烷烃化合物。细胞内自带的其他代谢通路会处理水解产物,并最终利用其所释放的能量来生存。我们希望通过TU-Delft队的基因元件来赋予枯草芽孢杆菌降解石油的功能,和表面活性剂一同作用。除处理石油外,我们还希望该基因元件在为细菌提供更多碳和能量,帮助其适应各种不同的工作环境。

课题科学意义

首先,在我们的课题中,通过改造枯草杆菌可以得到高效生产并外排表面活性素的菌株。之后通过加入外源的石油降解基因,我们会在前人基础上进一步摸索在枯草杆菌中异源表达的可靠方法,并测试、优化现有的枯草杆菌标准生物元件。

通过改造lmrA蛋白并测试其对表面活性素的外排效果,我们会进一步阐明它潜在的底物特异性以及应用价值。

以上这些工作,都将推进在枯草杆菌(革兰氏阳性菌)中合成生物学理念的进展。进一步推动石油降解技术的进步,造福人类。

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

图片:photo.caijing.com.cn

主要的参考文献

1.De Faria, Andreia Fonseca, et al. "Production and structural characterization of surfactin (C14/Leu7) produced by Bacillus subtilis isolate LSFM-05 grown on raw glycerol from the biodiesel industry.." Process Biochemistry 46.10 (2011): 1951-1957.


2.Parthipan, Punniyakotti et al. “ Biosurfactant and Degradative Enzymes Mediated Crude Oil Degradation by Bacterium Bacillus Subtilis A1.” Frontiers in Microbiology 8 (2017): 193. PMC. Web. 14 July 2017.


3.Sahnoun, Rihab, et al. "Evaluation of Bacillus subtilis SPB1 Lipopeptide Biosurfactant Toxicity Towards Mice." International Journal of Peptide Research and Therapeutics 20.3 (2014): 333-340.


4.Silva, R. C F S, et al. "Applications of biosurfactants in the petroleum industry and the remediation of oil spills.." International Journal of Molecular Sciences15.7 (2014): 12523-12542.


5.Bolhuis, H., et al. "Proton motive force-driven and ATP-dependent drug extrusion systems in multidrug-resistant Lactococcus lactis.." Journal of Bacteriology 176.22 (1994): 6957-6964.


6.Lage, Hermann. "ABC-transporters: implications on drug resistance from microorganisms to human cancers." International Journal of Antimicrobial Agents 22.3 (2003): 188-199.


7.Stein, Torsten. "Bacillus subtilis antibiotics: structures, syntheses and specific functions." Molecular Microbiology 56.4 (2005): 845-857.


8.Radeck, Jara, et al. "The Bacillus BioBrick Box: generation and evaluation of essential genetic building blocks for standardized work with Bacillus subtilis."Journal of Biological Engineering 7.1 (2013): 29-29.


Harwood, Colin R., et al. "Chapter 4 – Bacillus subtilis: Model Gram-Positive Synthetic Biology Chassis." Methods in Microbiology (2013): 87-117.

队员介绍


肖博文


是2017年RDFZ-China队的队长

来自高三国际部

热爱生物学和神经生物学

参加过2016年的iGEM并获得银奖。

对这个赛事非常热爱并打算将这一活动坚持到大学。

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

王思清


来自高三国际部

在igem团队中负责Human Practice部分

对生物技术、社科、医学有浓厚的兴趣

曾经参加过哥伦比亚社科workshop

USABO生物比赛获得铜奖

在夏校和其他生物类活动中有较多实验经历

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

周轩羽


来自高三国际部

有丰富的生物竞赛经历,获得东润丘成桐生物科学奖全国奖,英国生物奥林匹克竞赛铜奖。

有扎实的生物基础和出众的英语表达能力以及较为丰富的答辩经验

负责团队的项目宣传

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

杨雨音


来自高三国际部

对合成生物学有浓厚的兴趣

曾获Brain Bee 全国脑神经科学大赛二等奖

是第29届校学生会副部长和第30届校学生会副主席

PeerTutor同班教学社负责人

现负责宣传组

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

单凯滢


来自高三国际部

对生物有浓厚的兴趣

有一年的生物竞赛经历,在化学奥林匹克竞赛和生物奥林匹克竞赛获得金奖

是技术部的骨干成员,负责理论部分,参与设计课题和实验。

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

祝可欣


来自高三国际部

对合成生物领域有浓厚的兴趣

有一定的实验操作经历

团队中负责Human Practice部分(该项目与社会的联系),参与实验操作。

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

邓睿


来自高三国际部

热爱生物,喜欢研究各种专业书籍

在技术部里整理技术的资料,也参与建模

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

张伊清


来自高三国际部

是技术组加宣传组的成员

在技术组参与选题调查以及对枯草芽孢杆菌的功能和性质的调研

在宣传组记录每一次的会议并写出公众号的文章

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

杨峻豪


来自高三国际部

有竞赛经验,在BBO(英国生物奥林匹克)取得了优秀的成绩

对生物工程感兴趣。

是团队中Human Practice项目小组的一员

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

唐泽宇


来自高二国际部

对生物有浓厚的兴趣

有一定的实验经历

在英国奥林匹克生物竞赛获得优异成绩

负责wiki网页制作和实验的建模

是队内的协调员

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

沈亦莘


来自高二国际部

生物爱好者

目前在北大医学部实习,有不错的实验经历。

曾留学美国一年,有较为出众的英语表达能力。

接受专业美术训练9年,有良好的审美能力

是宣传部的成员

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

曹羽泽


来自高二国际部

热爱生物,具有良好的生物学基础以及实验操作能力。

在英国奥林匹克生物竞赛中获得了全球银奖。

在团队中主要负责建模,参与wiki网页设计。

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

王珺莹


来自高二国际部

对生物有浓厚的兴趣

第30届学生会宣传部部长

团队中负责队徽及网页设计,平时小组会议和活动的照片拍摄,并且将参与前期的资料收集和部分实验。

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

赵子渊


来自高二国际部

对生物和化学比较了解,也熟悉相关分子生物学实验技术。

去年和来自北京其他高中的同学们组建了联队参加2016 iGEM比赛

在英美生物奥林匹克竞赛获得金奖

在队伍里负责课题技术的把控和实验设计。比较清楚整个比赛流程,能帮助团队进行决策。

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

郭雨薇


来自高二早培项目

自初三起在北京大学进行表观遗传方面独立课题研究,曾于期刊上发表学术论文,现在中国人民大学开展生物信息领域研究学习。

热爱科研探索,与同伴编写的教学游戏在“中国大智汇(CTB)”创新研究挑战赛中获得全球Tier2及各站路演银奖成绩,亦曾带队参加国际青年科学家挑战赛并获得铜奖。

在团队中主要负责技术方面研究调查,实验操作的部分

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

刘紫涵


来自高二国际部

热爱生物

有一定的实验经历

队伍中担任建模和实验的工作

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

王海宁


来自高二国际部

生物爱好者

有一定的实验经历

是团队宣传部的成员,负责众筹项目和网页编辑,参与实验环节

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

指导老师

辇伟峰老师


人大附中国际部生物教师,中国教育学会科创联盟创始会员,中国教研网VR/AR教学联盟专家,海淀区国际生物兼职教研员。指导学生参与国际国内各项生物类赛事获得优异成绩。

比赛寄语: iGEM有可能是你未来的人生!

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

刘文凤老师


生物实验室负责人,在早培开设多门早培研修课,指导早培年级小组课题研究;在高中开设国家选修课《转基因技术》。可为iGEM团队提供基因工程及生物合成方面的实验技术指导。

中国人民大学附属中学IGEM (环保,生物,比赛)

我们的实验室

实验在人大附中实验楼进行。由学校给我们提供研究合成生物学生物学的实验器材。

同时北大物理院的分子生物学实验室也为我们提供技术支持

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结束语

我们希望用生物技术造福人类,并探讨技术与社会之间的关系。希望您能支持我们,让我们在合成生物学之路上走向更远!

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