美国波士顿，2016年11月1日晚，扣人心弦的“国际遗传工程机器大赛”颁奖直播，牵动着全球五大洲30多个国家、地区的283支参赛队伍，当TMMU-China（第三军医大学-中国）出现在金奖名单时，引发了一阵欢呼。这场为期5天的合成生物学领域顶尖赛事，聚集了哈佛大学、耶鲁大学、斯坦福大学、麻省理工学院、剑桥大学等世界名校，以及北京大学、清华大学、中国科大、复旦大学、浙江大学等国内高校代表队。其中，第三军医大学是我军2个斩获金奖的院校之一，也是重庆市第一支获此殊荣的高校参赛队。
国际遗传工程机器大赛（iGEM)，由麻省理工学院于2003年创办，2005年发展为国际性学术竞赛，是合成生物学领域的顶级国际性学术竞赛。合成生物学是近年来新兴研究领域，试图设计、构建和完善人工生物模块、系统，实现对复杂生物系统的操纵和测量，在多个领域具有极好的应用前景，包括更有效的疫苗生产、药物研发，以生物学为基础的工业制造、可再生能源生产、环境污染的生物治理、生物传感器对有毒化学物质的检测等，受到学术界和工业界的广泛关注。
“曾有人评价，合成生物学是21世纪与人工智能、脑科学等并列的颠覆性领域。作为一门新兴的交叉学科，需要这样的比赛将我们的本科生培养为未来的接班人。”第三军医大学领队胡启文副教授说。
在长期推行“本科生进实验室”的第三军医大学，参赛项目的社会价值或许远远大于比赛本身的结果。
“我们把一个活的生命体或者细胞命名为‘底盘生物’，以此为基础，将其他的一些生物工程系统加诸到这种‘底盘生物’上，使之呈现出多种性能。这就好比在汽车生产中，汽车的车架就是底盘，可以根据汽车底盘的性状来安装不同系统和零部件，最终打造出诸如奔驰、宝马等不同品牌的汽车。事实上，对‘底盘生物’的改造主要包括两种策略：一种是使它能加载更多的‘东西’，另一种是植入某些‘元素’让‘底盘生物’运行更加高效。后者正是我们此次参赛项目设计的基本思路。”第三军医大学基础部微生物学教研室主任饶贤才教授说。
从2015年年底开始，第三军医大学的21名本科生在微生物学教研室等抽调的指导教师团队帮带下，历时一年完成了参赛项目。该项目利用食品级筛选标记，对乳酸乳球菌进行遗传工程改造，构建了“外源基因敲入乳酸乳球菌快速筛选系统”，利用筛选标记调控基因对系统进行了耐受性升级，通过引导肽、锚定分子等合成生物学设计，准确稳定地将降钙素展示于乳酸乳球菌表面，并将伤寒沙门菌Vi抗原合成基因簇作为部件，采用快速筛选系统整体植入乳酸乳球菌，得到Vi抗原产生工程菌。
“合成生物学常用的‘底盘生物’包括大肠杆菌、酵母菌、噬菌体等。我们在参赛项目中选取的‘底盘生物’乳酸乳球菌，就是乳酸菌的一种，这是一种食品安全级的菌，很早就被用于发酵工业，比如奶酪。与传统的‘底盘生物’相比，它的优势非常明显，但目前对乳酸乳球菌的研究却很少。要对乳酸乳球菌进行改造并运用到食品和生产中，需要解决很多问题。”第三军医大学领队胡晓梅教授说。
“通过我们在实验室的‘加工’，使得乳酸乳球菌在适当培养基上呈现蓝色，而成功植入外源系统的有用工程菌则是白色，这种差别一目了然，为科学家提供了一种有用而高效的菌种。通过一套设计来优化乳酸乳球菌，让乳酸乳球菌真正变成一个便利的底盘生物。”第三军医大学参赛队队长、本科学员黄志刚说。
“前期实验部分要求我们投入大量的时间去完成，每天除了上课，我们基本就是在实验室，有时利用课间10分钟都要去实验室看一下菌群生长情况。经过三个月攻关，课题才基本有了雏形。”参赛队员卢毅飞说。
“项目创新的基础，来自导师传授的实验技能和分子生物学理论基础。”参赛队员邓杰忠说。
“大赛包括实验项目、实践推广、数学建模、合作交流、网页制作、部件递交、现场答辩、海报展示等八个模块，需要我们具备实验设计、数学建模、网页设计等综合技能，对本科生科研素质是重大考验。”参赛队员晋旭锐说。
据悉，该项目准确把握了益生菌与人类健康这一重大课题，建立了快速无抗生素基因的整合筛选系统，为发展合成生物学提供了有效途径，具有广阔的发展前景。“我们也应用该优化‘底盘生物’，成功构建了降钙素展示菌，人类服用展示了降钙素的乳酸乳球菌，有望治疗骨质疏松等骨关节疾病。而进一步植入其他系统的乳酸乳球工程菌，临床应用更加广泛。”饶贤才教授介绍道。
