通过iGEM合成生物学竞赛促进微生物学教育外文翻译资料

 2022-08-08 11:08

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通过iGEM合成生物学竞赛促进微生物学教育

理查德·凯利克、劳拉·鲍瓦特、凯·h·约曼和理查德·P·鲍瓦特、

摘要：

合成生物学在21世纪发展迅速。它涵盖了一系列科学学科，包括从工程到利用和改善生物系统的原则，通常适用于特定的问题。该学科领域的重要方法包括生物系统的系统设计和测试，在这里，我们描述了合成生物学项目如何经常发展微生物学技能和教育。合成生物学研究在生物技术和医学方面具有巨大的潜力，这带来了重要的伦理和道德问题，为微生物研究的更广泛影响提供了学习机会。通过iGEM，国际基因工程机器竞赛，合成生物学项目已经发展成为广泛的培训和教育经验。比赛的要素是根据特定的标准来评判的，参赛队可以赢得几个类别的奖牌和奖品。协作是iGEM的一个重要元素，iGEM团队合成的所有DNA构建体都可以通过标准生物部件注册处提供给所有研究人员。提供了iGEM竞赛中微生物学发展的概述。这篇综述是针对那些专注于微生物学和合成生物学的教育工作者的，但对对这个令人兴奋的学科领域感兴趣的本科生和研究生也有价值。

关键词:生命伦理学；生物技术；iGEM微生物教育；合成生物学；可转移技能

1背景：

合成生物学是一个跨学科的领域，它融合了艺术、人文学科的专业知识，更重要的是，融合了一系列的科学学科。因此，这个学科领域代表了一个培养和训练微生物学家的挑战性环境。如下所述，国际基因工程机器(iGEM)竞赛为开展这一培训提供了一个极好的平台。我们将介绍SynBio和iGEM。我们还将探索iGEM竞赛，以及SynBio的工具、方法和方法论，如何为这一激动人心的科学领域培养早期职业微生物学家。

2合成生物学：

合成生物学在21世纪发展迅速。它结合了工程原理，以利用和改善生物系统，通常与解决具体问题的应用(凯尔维克等人，2014年)。因此，SynBio的研究通常遵循工程师们喜欢的“设计、建造和测试”的模型(麦克丹尼尔和维斯，2005；哈利勒和柯林斯2010；Kitney和Freemont 2012Agapakis 2014Beal 2014)。SynBio有多种定义。为了清晰起见，本文使用了ERASynBio (Minssen，Rutz和van Zimmeren，2015)描述的定义:“利用生物学和工程学阐明的原理，为有用的目的，有意(重新)设计和构建新的生物学和生物学基础的部件、设备和系统，以执行新的功能”。SynBio中的“生物学”为通常由工程解决的问题增加了许多重大挑战(郭，2010)，但许多挑战的解决方案正在逐步确定(基特尼和弗里蒙特，2012；K e l w i c k等人(2014年)。因此，SynBio被认为是有助于解决21世纪全球社会面临的健康、能源和粮食安全挑战的科学技术之一(阿尔伯茨，2011年；社论-NatB 2011)。值得注意的是，其中一个挑战是细菌对抗生素的耐药性危机，这被描述为一个迫在眉睫的灾难性全球威胁(Bowater，2015；Roca等人，2015年)。最近的几篇综述和专著强调了SynBio应用于解决这些问题的潜力(哈利勒和柯林斯，2010年；Baldwinetal . 2012陈、盖洛威、斯摩克2012；Muller和Arndt 2012 elwiketal.2014Liljeruhm，Gullberg，Forster 2014百年灵和高野2015)。在这里，我们重点关注这个主题对未来微生物学家教育的帮助。

在开发SynBio解决方案以应对21世纪的挑战时，一个重要的问题涉及到它们在实验室环境之外应用基因工程方法的潜力。这些建议带来了重大的伦理、法律和监管难题，特别是如果它们要求发展转基因生物。转基因生物在现实世界中的应用进展缓慢，部分原因是基因工程的一些倡导者和更广泛的社会群体之间产生了不信任(罗兰，2002；Marris 2014)。重要的是，SynBio研究发展过程中的一个重要驱动力是确保科学家、研究资助者和更广泛的公众之间的良好参与。这使得SynBio研究的伦理考虑更加引人注目，特别是其对社会和环境的潜在影响(Agapakis，2014年；Church等人，2014年；Minssen，Rutz和van Zimmeren(2015)。

SynBio的发展与科学界的共识非常吻合，即研究项目影响的展示是评估的必要组成部分，无论是直接资助者还是更广泛的社会。这一要求改善了科学家和更广泛的社区之间的对话，使优秀的科学家能够展示他们研究的负责任的性质。在英国，合成生物研究的主要资助者已经为该领域的未来发展制定了路线图。这种对科学发展的机遇和局限性的认识的提高正在影响科学政策，从涉及转基因生物的研究中可以看出这一点。在欧洲联盟(欧盟)国家内，对转基因生物技术应用的关切产生了严格的监管制度，限制了研究转化为更广泛影响的潜力。2015年初治理的变化意味着欧盟内的每个国家都将能够对转基因生物的使用适用自己的法规，这可能为负责任的科学家开发转基因生物的应用带来更广泛的机会(社论-NatB 2015a)。这些法规的变化是及时的，允许科学家将SynBio方法应用于转基因生物的未来发展。

3合成生物学研究项目国际竞赛

iGEM竞赛是一系列涉及开发和承担SynBio研究项目的大学或高中团队的竞赛。在这里，我们关注大学生iGEM竞赛，它始于2003年美国麻省理工学院，并在2004年发展成为一个有五个团队的夏季竞赛。大学生竞赛在2005年成为国际比赛，有13支队伍，到2014年每年增加到245支队伍(图1)。如下所述，微生物学方法对绝大多数iGEM项目很重要。

iGEM竞赛继续由iGEM基金会管理和监督，IgeM基金会是一个非营利组织，致力于SynBio的教育和发展，特别是通过发展开放社区和合作。重要的是，团队需要大量资金来参加iGEM竞赛。需要一些资金来支付竞赛固有的费用(注册费，以支付iGEM管理费用、出席所需活动的费用和差旅费)，一些资金与项目相关(研究耗材和设备)。一些团队向学生提供津贴，以支付他们自己作为团队一员的费用，尽管并非所有团队都使用这种津贴。还可能存在“隐藏”或无人认领的成本，例如那些与担任顾问或导师的员工的时间相关的成本。在http://2015.igem.org/Funding.可以获得运行iGEM团队的可能成本的摘要。由于iGEM项目的计划和职权范围有很大的差异，其成本也有很大的差异。一个小团队完成iGEM竞赛可能至少需要30，0 00欧元(20，0 00英镑)，这与2014年之前的估计一致，即每个团队的平均成本为每年20，0 00-50，000美元(维拉诺瓦和波尔卡尔，2014年)。因此，支付参与iGEM的相关费用是一项重大挑战，确保和管理资金的要求对许多团队成员来说是一个重要的学习过程。一些团队能够从国家或国际组织(包括慈善机构)获得资金，但大部分费用是通过团队所在机构和赞助协议(与相关行业或其他适当合作伙伴)收回的。许多iGEM团队采用了创新的方法来筹集资金，包括通过开发众筹机会。

图1。从2004年至2014年参加iGEM竞赛。对于每一年，数据代表参赛队伍的数量(直线，左边的轴)和参赛队伍提交的零件数量(横条，右边的轴)。数据来自http://igem.org/Previous IgeM竞赛。请注意，2014年提交的零件最终数量尚未提供。

通过参与iGEM，团队开发基于SynBio的项目，并争夺奖牌和奖项。iGEM竞赛的一个重要组成部分是研究人员应该合作，这被认为是帮助其他团队开发和测试系统的良好做法。然而，iGEM的竞争方面有助于激励团队更努力地推进他们的项目，通常有助于团队开发创新的方法，否则这些方法可能被认为对基于学生的研究太具挑战性。根据特定的标准对竞赛要素进行评判，最终授予金牌、银牌或铜牌；重要的是，由于奖牌是根据项目的质量授予的，所有的团队都可以获得其中的任何一枚奖牌。为了获得更高水平的奖牌，团队必须与其他iGEM团队合作和/或改进其他团队准备的DNA构建。iGEM的这种协作性意味着团队成员对其他团队的项目真正感兴趣，有助于促进对SynBio研究不同方面的理解和享受。

竞赛中还有许多类别的最佳团队或项目的奖项，由一组专家进行评判，他们是因为对iGEM、SynBio和科学政策发展的详细知识而被选中的(Marris 2014维拉诺瓦和波尔卡尔，2014年)。奖品和奖牌在比赛结束时举行的最后一次“狂欢会”上颁发。每年的比赛都会在波士顿举行的“世界锦标赛”上达到高潮，有些年份(2011-13年)还会在全球几个不同的地区举行初步的“地区锦标赛”。一个名为“iGEMmers奖”的奖项授予最受欢迎的球队，由所有参加最后一次盛会的人投票选出。基于微生物学的项目在许多奖项类别中表现良好，包括2013年(Earl 2014年)和2014年邓迪iGEM团队获得的iGEMmers奖，该奖项在2013年侧重于环境中的蓝藻，在2014年侧重于囊性纤维化中的细菌感染。

在整个iGEM项目中，涉及了大量的主题。根据许多SynBio研究的目标，iGEM项目通常侧重于科学的应用领域，许多项目与应对21世纪挑战的计划相称。由于iGEM项目通常只持续几个月，它们的具体进展通常仅限于在模型系统中演示“原理证明”。然而，许多团队已经开发了使用复杂实验系统的项目(维拉诺瓦和波尔卡尔2014；社论-NatP 2015b)。

iGEM项目的一个重要方面是，它们必须旨在产生和表征新的标准化的DNA构建体，这些构建体被称为“生物砖”。以前对iGEM项目的分析已经描述了作为比赛一部分提交的零件的数量和质量(Shetty，Endy和Knight 2008S m o l k e 2009蔡、威尔逊、佩克特2010；维拉诺瓦和波尔卡尔，2014年)。在每场比赛结束时，每个新的生物砖必须提交给iGEM标准生物部件登记处，从那里它可以免费提供给所有其他iGEM团队(穆勒和Arndt 2012)。SynBio的研究帮助开发了大量的脱氧核糖核酸组装方法，这些方法有助于创建模块化的、可重复使用的脱氧核糖核酸部件(埃利斯、艾迪和鲍德温，2011年；赞助人2014；Casini等人，2015年)。为了帮助团队之间交换生物砖，并确保竞赛规则的透明性，每个团队必须遵守要求克隆到特定骨干的特定规定(谢蒂、恩迪和奈特，2008；Muller和Arndt 2012)。然而，即使在iGEM项目中，也引入了复杂的基因组装和编辑方法，例如使用金门克隆(Patron等人，2015年)和CRISPR-Cas系统(吴等人，2014年)。iGEM和SynBio研究有着密切的关系，但两者不是同义词。就DNA构建而言，情况尤其如此，因为SynBio研究通常不受同样有限的特定骨架范围的限制，这些骨架有助于iGEM的竞争和团队元素。例如，虽然iGEM方法确保所有研究人员可以共享DNA构建体在SynBio社区中被广泛接受，但大多数SynBio研究人员并不使用iGEM推广的生物砖。

在准备和提交生物砖的同时，团队必须准备提交给iGEM注册表的信息，该信息描述了每个生物砖中包含的基因序列，并描述了它是如何被表征的。(iGEM注册中心提供的所有生物砖的详细信息见http://parts.igem.org/Main网页。生物砖中包含的基因序列有多种形式，包括启动子、蛋白质编码序列、终止子和其他调节序列。

这些特定序列中的每一个都被称为“部分”，但重要的是，生物砖的制备方式必须使不同的部分能够容易地在它们之间移动。正如所料，随着参与iGEM的团队数量的增加，提交给iGEM注册中心的零件数量也在增加(图1)。近年来，竞争对手更加重视确保提交给iGEM注册中心的零件质量良好，并且具有良好的特性。因此，自2010年以来，提交给iGEM的零件数量达到了稳定水平，约为1600件(Smolke，2009年；维拉诺瓦和波尔卡尔，2014年)。

重要的是，iGEM项目的许多基本原则建立在分子生物学的标准方法上，这些方法是许多微生物研究的基础，如启动子序列和载体骨架。此外，由于绝大多数iGEM项目在某个阶段需要使用细菌(通常是大肠杆菌)，iGEM的几乎每个参与者都在基本微生物学原理方面打下了良好的基础，包括如何处理微生物的知识、无菌技术的实践等。

4合成生物学中负责任的研究和创新

iGEM竞赛的结构是这样的，每个团队的项目都与更广泛的工程框架有关，这一框架独特地将SynBio定义为一门新的科学学科。值得注意的是，iGEM BioBricks的部分教育价值在于，它们代表了SynBio采用的几个核心工程原则，包括“设计、构建和测试”的商定教条。

由于生物砖是独立的生物部件，必须符合特定的组装要求，iGEM团队提交的特征生物砖本质上是为其他iGEM团队、工程师和科学家的重用(模块化)而设计的。因此，学生学习并获得合成生物的几个核心工程原理的第一手经验。iGEM竞赛中的特别奖为生物砖或工程生物系统提供了额外的激励，使团队能够在整个项目中积极应用这些工程原理。截至2014年，应用领域包括艺术与设计、能源、创业、环境、食品与营养、基础进展、健康与医学、信息处理、制造、测量、微流体、新应用、政策与实践和软件。向iGEM注册中心提交生物砖还向iGEM团队介绍了关于开放创新的持续问题(Calvert 2012)。生物砖基金会(BioBricks Foundation)是该领域开放创新的有力支持者，该基金会是一个非营利组织，旨在通过确保iGEM注册中心和其他专业注册中心的生物砖可公开用于研究和商业应用来加快负责任的创新步伐(Shetty，Endy和Knight，2008；S m o l k e 2009Muller和Arndt 2012)。有趣的是，公众可获得的生物砖的商业利用可能来自iGEM团队本身。通过包含企业家奖，iGEM团队被鼓励围绕他们的技术建立商业模型。iGEM网站(http://igem.org/IGEM创业公司)提供了由iGEM前

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