iGEM国际基因工程机器大赛金奖作品案例分享(4)

iGEM参赛回顾4 | Worldshaper-Shanghai队以花青素开发为目标开展研究,喜获金奖

国际基因工程机器大赛iGEM,是合成生物学领域的国际顶级大学生科技赛事,也是涉及数学、计算机、统计学等领域交叉合作的跨学科竞赛。每年由美国麻省理工学院MIT主办,主要针对在校本科生、研究生和高中生。竞赛要求iGEM团队利用标准生物模块(Biobricks)来构建基因回路、建立有效的数学模型,实现对精致复杂人工生物系统(artificial biosystem)的预测、操纵和测量以完成比赛。

2022年国际基因工程机器大赛iGEM,已于北京时间10月28日20:00正式落幕。

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据不完全统计高中生组,2022年中国大陆有60多个队注册参赛,最终有16支队伍获得金奖、19支队伍银奖、15支队伍铜奖、9支队伍无奖、2支队伍弃权。

机构有幸继续领跑iGEM Commercial 赛道。其中 Worldshaper-Shanghai队经历了长达1年的学习、科研之旅,喜获金奖

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# 1Worldshaper-Shanghai

 是谁?

Worldshaper-Shanghai

Worldshaper-Shanghai是一支由16名高中生组成的队伍。其成员来自上海市世界外国语中学、光华学院剑桥国际中心、上海平和双语学校、Sydney Pymble Ladies College、星河湾、华东师范大学第二附属中学、杭州树兰学校、上海诺科、上海市控江中学、NCPA美式中学、WLSA、华东康桥国际学校等。

Worldshaper-Shanghai队的最大特色是紧跟潮流,想法新颖。他们特别擅长自媒体运营,在参与项目实践期间,采用vlog的形式记录日常事件,并在后期与项目课题相关联制作日历图文

Worldshaper-Shanghai队的每位同学都积极参与了各队长竞选活动,最终分成干湿队两大组,项目实施、宣传设计等七小队。各队组的分工主要如下:

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基本每位队员都参加了湿队实验工作,每位成员还参加了2-3个干队小组的工作。从选题到项目的干、湿队工作的实施,再到后面的各类数据与结果的分析整理以及相关文稿的整理,直到最终的答辩准备与完成,在全体队员的共同努力下,队员们都圆满完成了各项目标任务,最终收获金奖

# 2体外扩展系统

 实现花青素批量生产 

Worldshaper-Shanghai队的研究课题是蓝精灵:抗衰老花青素的体外生产。团队以花青素开发为目标,利用合成生物学的方法,实现花青素的体外批量生产。

花青素是一种广泛分布于植物体内的天然无害色素,在用作食用色素的同时,由于其抗氧化与清除自由基的生物学活性,它也是极具潜力的抗衰老物质。随着大众对人类健康问题的关注,对花青素产品的需求不断增长。

但是,由于植物原材料受季节和气候影响极大,来源的不稳定,同时需要占用大面积的粮食生产用地,并产生大量的生产废物,导致了资源浪费并容易造成环境污染,当前的花青素生产产业的规模受到严重限制,花青素产品的产量远远不能满足消费者的需求。

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因此,Worldshaper-Shanghai队希望开发一种以食用胡萝卜细胞为基质细胞的体外生物系统,能够在较短时间内大量生产花青素。通过这种可扩展的系统,可以实现花青素的批量生产。

通过背景调研发现,在植物中,花青素的合成主要是在转录水平上受到 由 MYB、bHLH和WD-重复转录因子组成的MBW 复合体的调控,其中MYB基因的单独以为表达或 MYB基因结合bHLH基因的共同异位表达能够显著增加植物中的花青素含量。此外,黄芩(Scutellaria baicalensis)是一种花瓣中富含花青素的重要中草药,黄芩基因组已经完成了全部测序。

因此,可以从黄芩基因组中分离出用于花青素生物合成的MYB和bHLH调控因子,构建一个高产的离体花青素合成细胞体系,从而解决传统花青素产业原材料来源不稳定、占用耕地、容易导致资源浪费和环境污染等问题,从而实现花青素的稳定量产。

Worldshaper-Shanghai队的整个项目实验主要包括以下四个部分:

载体构建。需要分离克隆获取黄芩的MYB和bHLH调控因子以及其他的目的基因以及相应的启动子和终止子。之后应用Golden Gate Assembly方法,构建用于花青素诱导合成的最终载体。

◾ 农杆菌介导转化。先将构建得到载体转移到发根农杆菌,在通过农杆菌对胡萝卜外植体(叶子)的侵染并形成发状根,最终将目标载体整合到胡萝卜发状根细胞中。

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◾ 发状根的培养于花青素的诱导。筛选出转化阳性的胡萝卜发状根并对其进行离体培养。在获得足量的发状根后,通过往液体培养基中加入适量的β-雌二醇,诱导发状根合成花青素。

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◾ 花青素提取与检测。最后应用酸化甲醇提取获得花青素后,测定胡萝卜发状根的花青素含量,并进行花青素的一系列显色反应,确认花青素的应用价值。

在项目研究过程中,同学们通过文献调研,在专家和导师的指导下,经过反复实验,成功解决了一系列的难题:

◾ 底盘细胞和培养体系的选择

相对微生物细胞,植物细胞含有花青素合成的所有核心基因,因此团队一开始就选择了植物细胞作为花青素生物合成的底盘细胞,但是在选择具体的植物物种上却存在着不少疑问——在现有的植物细胞离体培养体系中,烟草细胞的培养体育系最为成熟,但是由于烟草细胞合成对人体有害的生物碱,不适合用于合成作为保健品或食品添加剂的花青素。

在专家和实验导师的建议和指导下,团队最终选择了胡萝卜细胞作为生物合成底盘,并成功建立了相对细胞悬浮培养体系生长速度更快、遗传更稳定、无限繁殖并能够在无激素培养基中持续生长胡萝卜发状根离体培养体系。

◾ 目的基因的克隆和载体的构建

面临的困难主要是目的基因的克隆和载体的构建。

在实验导师的指导下,队员们最终从黄芩基因组中克隆得到了MYB和bHLH调控因子,并分别命名为SbMYB75和SbDEL。之后,团队应用Golden Gate Assembly方法,通过逐步构建的方法,成功构建了用于花青素诱导合成的IA(inducible anthocyanin)载体和阴性对照NC(negative control)载体:

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对于IA载体,主要由GFP、SbMYB75和SbDEL三个表达盒组成,团队将载体命名为IA(诱导型花青素)载体,其中SbMYB75基因和SbDEL基因均由lexA-35S启动子驱动。在β-雌二醇存在的情况下,组成型表达的XVE转录因子被激活,并进入细胞核,与LexA-35S启动子结合,进而激活SbMYB75和SbDEL的表达,然后,这两个转录因子打开内源结构基因以进行花青素生物合成。为了便于筛选,载体中还包括了一个 GFP 表达盒。而NC阴性对照载体,由于没有 XVE 表达盒,则不能诱导花青素的合成。

如果能在较短时间内大量生产花青素,通过这种可扩展的系统,实现花青素的批量生产,从而降低市场上花青素产品的价格,就能进一步满足消费者对于花青素的需求。

# 3收获不止奖项

 坚持让成功近在咫尺 

上海队的每个同学都有各自的优势,在项目进行过程中,有过欢笑,也有过沮丧。但是,每个人依旧保持着对生物学的热忱,对项目的严谨态度,最终成功获得优异的成绩。

当然,在他们遇到困难时,会选择积极地与团队成员交流讨论,及时寻找解决方法。这一路走来,上海队的每位成员作出的努力,老师们都可以真真切切感受到。每位队员的坚持不懈终迈进成功大门!

# 42023种子队员招募

 报名持续中 

新的一年,新的起点,新的成就!新一届的同学们,2023年机构·iGEM战队种子队员招募启动啦!截至12月31日都可享受早鸟优惠!

对iGEM竞赛感兴趣、渴望在国际舞台上展现风采的同学们,快来加入我们吧!

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