北京时间2022年10月28日,经过长达10个月的头脑风暴和紧张工作,并克服疫情对实验的影响,SJTU-BioX-Shanghai团队凭借项目Odyssey摘得在巴黎举办的2022年iGEM国际竞赛的金牌!这也是团队第11次荣获该项赛事的金牌。
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。
彗星实验
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。我们团队与天津大学,同济大学,及同样来自上海交通大学的软件队等队伍建立了良好的伙伴关系,在各个方面相互启发和帮助。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。
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,团队成员还包括来自生命学院的:鲁周语,李福临,刘子博,郭映哲,焦响,郑雅文;来自致远学院的:吴诗怡,李宣仪;来自农业与生物学院的闫俊志,李赛亚,于翔宇;来自设计学院的韩欣越和鲍瑛莹;来自密西根学院的陶乐阳,安泰经济与管理学院的殷奕珉,船舶海洋与建筑工程学院的谭新韵,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。
从2009到2022的十四年间,SJTU-BioX-Shanghai收获十一金二银一铜的佳绩,并曾荣获亚洲冠军、最佳人工生物模块设计、全球最佳16队、最佳医学诊断项目及最佳创新应用项目提名等殊荣。不忘初心,牢记使命,Bio-X研究院将始终坚持和贯彻以学生为主体、提高学生自主能动性的创新培养模式,为我们国家的科技创新与发展输出高素质人才而不懈努力!最后,再次感谢校团委,生命学院,实验教学中心,仪器分析平台及上海交大个体化医学交叉学科创新人才实践培养基地的大力支持!感谢校内校外专家们的建议与帮助!
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