设计实践
设计学子在 2021iGEM国际基因工程机器大赛中斩获佳绩
北京时间11月15日凌晨，2021年合成生物学领域国际顶尖赛事——国际基因工程机器大赛（International Genetically Engineered Machine Competition，以下简称为iGEM）落下帷幕。疫情期间，赛事转为线上进行。共有来自麻省理工学院、清华大学、北京大学、上海交通大学等国内外知名学府的352支顶尖队伍参赛。
上海交通大学代表队SJTU-Software凭借项目“An intelligent platform for DNA nano machine contriving”卫冕金奖，获得了“Best Software Project”的提名；SJTU-BioX-Shanghai凭借项目“Detection Blitz”获得银奖。两支队伍延续了以往在此项竞赛中的优异表现，再一次展现了交大学子的实力和风采。
SJTU-Software团队
SJTU-Software团队由韦朝春教授、陈峰教授、欧竑宇教授、张岳副研究员及吴茂英老师等担任指导教师，成员由来自生命科学技术学院的胡远洁、王喜、颜秉浩、顾睿初、余谷风、周松池、祝宇玥、张智进、朱俊超、朱骏杰、程子芸、李润涵、姜戈，设计学院的肖亦祺、胡沛尧共15名本科生组成。团队的参赛项目为“An intelligent platform for DNA nano machine contriving”，旨在搭建一个平台辅助科研人员实现DNA计算，并用于癌症早期诊断等多个领域。
2020年全球癌症死亡人数高达1000万人，癌症死亡率高的一个很重要因素就是大多数癌症在晚期才被检测出来。为此，人们迫切需要一种高效、无创的癌症早筛手段。在文献调研过程中，团队了解到韩达实验室将基于探针的检测方式——DNA计算应用于检测癌症的生物标志物之一miRNA，并能达到较高的正确率。在进一步的探索过程中，团队了解到DNA计算具有快速、无创的优点。
团队希望建立一个用于分析血清中miRNA的DNA计算辅助平台以实现癌症的早期诊断。首先，软件将确定针对不同癌症的miRNA组合，并通过SVM构建出判断一个人是否患癌症的表达式。下一步是设计探针。在DNA计算过程中，探针设计是决定检测质量的关键因素。探针自身形成二级结构和探针之间假杂交都会影响检测的有效性。团队通过建立深度学习模型，并使用大量数据训练，实现了核酸二级结构有效预测的功能。另外，团队还通过动态规划算法来测量探针形成假杂交的倾向性。通过上述功能，团队能够帮助科研人员筛选靶标，检测其设计的探针的有效性。在SJTU-BioX-Shanghai的帮助下，团队的模型通过湿实验证明了有效性。
为了向公众宣传合成生物学和癌症早筛的知识，SJTU-Software在暑期“显微知著”实践过程中开设了一些趣味课程，建立了一个科普网站及益智游戏，深受同学们喜爱，同时收获其他参赛队伍和评委的好评。
部分作品展示
SJTU-BioX-Shanghai团队由贺林院士、马钢副研究员、王毓舒老师指导，团队成员由来自生命科学技术学院的陈柏润、费嘉琪、胡鼎康、江向海、罗诗涵、任思源、张杰汉、张子骜、周芷诺，致远学院代若冰、卢毓昕、于希、朱子健，农业与生物学院刘子逸和乔滢瑞，环境科学与工程学院贺玉莹，海洋学院李奕帆，设计学院韩欣越，共18名本科生以及陈自修、钱弘毅、肖琛涵三名高中生组成。2020年团队队长李可依，队员钟博子韬、冯宸煦、刘江影、方震、陈子瑶等担任技术指导。
2021年SJTU-BioX-Shanghai团队将目光投向快速检测领域。随着越来越多的化学品被开发并广泛应用，全新的环境、健康风险不断显现，严重的污染事件、安全事件时有发生。面对无比庞大的化学品列表，巨大的时间和资源消耗使快检方案开发陷入僵局。SJTU-BioX-Shanghai团队希望基于aptazyme的液相筛选技术和胶体金侧流分析技术，构建一个快检试纸的自动化开发平台，平衡快检需求与开发间的矛盾，守卫高速发展背景下人与生态的安全底线。
为了达到上述目标，SJTU-BioX-Shanghai创新性地将aptazyme应用到了快检领域。Aptazyme是一段寡核苷酸，由aptamer和ribozyme两部分串联组成。Aptamer负责结合特定的靶标，ribozyme（核酶）的部分通过形成一个特殊的活性中心，可以催化自身特定位点的磷酸二酯键断裂。通过理性设计，aptamer与靶标结合时造成的扰动会影响到ribozyme区域的结构，从而导致ribozyme的催化剪切的活性发生变化。因而aptazyme可以将靶标是否存在转化成核苷酸链是否完整的信号。斯坦福大学在21年3月发表的一种aptazyme的液相筛选开发策略 (DRIVER)针对新靶标分子的aptazyme筛选过程可以完全在自动移液平台上完成，而后进行二代测序，顺利的情况下二十天之内可以得到结果。
而后，SJTU-BioX-Shanghai设计了基于胶体金侧流分析技术的试纸条来表征aptazyme剪切与不剪切的两种状态（分别对应着待测靶标不存在与存在两种状态）。在T-line上利用生物素-亲和素固定了一条探针，通过与aptazyme 3`端的互补配对把aptazyme捕获在T-line上。同时conjugate pad（胶体金垫）上是胶体金标记的5`端探针，因此全长的单链寡核苷酸（aptazyme）在流动至T-line时会形成金标探针-aptazyme-生物素标探针的复合物，T-line处聚集的胶体金颗粒将显现出明显的红色条带。而若aptazyme发生了自我剪切，5`端的探针则只能结合在断裂下来的片段上，随着液体继续向吸收垫流动，T-line不会显现颜色。
SJTU-BioX-Shanghai还引入了基于核酸链置换反应（TMSD）的优化策略来进一步缩短检测时间，降低制作成本。通过在体外转录反应中引入一段和aptazyme内部序列互补的寡核苷酸，它将能够通过互补配对打开aptazyme原有的二级结构使之失去功能，因此完整的aptazyme序列得以在待测的靶标分子不存在的情况下被合成并保存。需要进行检测时，只需要加入与第一段寡核苷酸互补的另一端寡核苷酸将最初的寡核苷酸竞争下来，释放aptazyme，让它恢复正常构象，即可实现剪切活性的恢复。
相比于传统达到检测方案，Detection Blitz意味着更短的开发周期，更广的识别范围，更低的试纸条制备成本，更简单且不需要仪器设备的检测操作。
在赛季中，SJTU-BioX-Shanghai团队能够顺利完赛，离不开所有队员和老师的辛苦付出，也离不开来自世界各参赛者的热情帮助。在与SJTU-Software、TUDelft、Tongji、LZU、Nanjing_NFLS、TJUSLS_China等队伍的相互合作中，参赛队员们收获了友谊，拓宽了视野，留下了精彩的回忆
从2009到2021年，上海交通大学iGEM代表队斩获十六金三银二铜，并荣获亚洲冠军、最佳人工生物模块设计、全球最佳16队、最佳医学诊断项目、最佳软件项目提名等殊荣。2021届队员秉承“精勤、力行、求真、务实”的奋斗精神，在前沿生物学的世界舞台上再一次捍卫了交大荣誉。
学生感想
跨学科参赛是一次非常宝贵的体验，感谢交大提供了这样的条件和平台。感谢很厉害的队友，给予我非常多的协作与帮助，弥补了我基因工程相关专业知识的匮乏的短板。这段时光让我难忘。
视觉设计部分制作的周期总体来说比较匆忙，很多设计的部分没有实现理想的效果，希望之后如果还有类似的机会可以做的更好。
——肖亦祺
参与跨学科的国际竞赛是难得的体验。加入全新的队伍，大家一起摸索规则到完成所有任务的过程中，我收获了友谊、得到了锻炼并在其中成长。视觉设计的任务工作量大、时间紧迫，生物知识的匮乏也成为任务中一大绊脚石。感谢我的队友们不断给予我支持与帮助，及时指出各种原理图不足之处，在一次次不懈更正后有了现在的成果。但在网页设计与演讲视频方面，许多提前构想的效果因为技术限制、制作时间预留过少等原因最终无法实现。所幸，最终的结果没有留下太多遗憾。
非常感谢交大为我提供的条件与机会，让我结识更多优秀的同龄人、挑战自我。道阻且长，达到即是成就。
——韩欣越
专业老师曾跟我们说过：任何一个成功的团队里必定需要设计师角色。而设计在不少人眼里等同于美工，等同于镶边，正因如此才更应该多和别的领域交流、融合，将设计思维带入到项目的每个过程，改变大众对设计界的误解。这段话启蒙了我的设计观，并指导我报名并入选iGEM。起初作为“生科小白”一直不清楚要做什么，到后来可以和大家一起探讨生物原理用什么样的形式展现更加生动易懂，才算是真真正正地发挥到了作用。
遗憾是没能在项目初期更多地参与调研和软件开发，后期因为时间原因也放弃了一些值得尝试的有趣想法。但这能鞭策我在之后做得更好。大家从组队到现在近一年的努力，收获了国际金奖的好成绩，我感到荣幸，同时也会一直激励我努力学习。
——胡沛尧
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