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上海交通大學代表隊在國際基因工程機器大賽上斬獲一金一銀
發布時間 :2020-11-23  閱讀次數 :320

北京時間11月23日凌晨,2020年合成生物學領域國際頂尖賽事——國際基因工程機器大賽(International Genetically Engineered Machine Competition)落下帷幕。疫情期間,此項賽事轉為線上進行,吸引了來自麻省理工學院、清華大學、北京大學、上海交通大學等國內外知名學府的256支頂尖隊伍參賽。上海交通大學代表隊SJTU-software憑借項目“Riss”衛冕金獎;代表隊SJTU-BioX-Shanghai憑借項目“Rational Design Assisted Directed Evolution of CRISPR-Cas9 System on Specific Gene”獲得銀獎。兩支隊伍延續了以往在此項競賽中的優異表現,再一次展現了交大學子的實力和風采!

SJTU-software團隊由生命科學技術學院韋朝春教授、陳峰教授、歐竑宇教授、張岳副研究員及吳茂英老師等擔任指導教師,成員由來自生命科學技術學院、農業與生物學院、設計學院、電子信息與電氣工程學院的18名本科生組成。團隊參賽項目名為“Riss”,意為Rice from SJTU-software。Riss是一個在線的合成生物學網站,整合了水稻基因組、轉錄組、蛋白質組等相關信息的數據庫,并包含一些新算法的推薦搜索結果。

 

通過篩選具有良好環境適應性的優質水稻品系,降低水稻種植的環境要求,并在更大范圍內促進水稻種植,是提高世界水稻產量的有效途徑,團隊希望通過引入合成生物學思路找到提高世界水稻產量的有效途徑。依托上海交通大學韋朝春教授的3,010個水稻基因組分析工作,團隊項目對大量水稻樣品進行了全基因組范圍關鍵基因座功能分析,旨在尋找可以提高水稻對環境適應性的關鍵性狀關聯的基因組合,這將為開發高產高耐受性水稻新品系提供參考。

 

 對于基因組數據,團隊除了利用“隨機森林”、“聚類”等工具分析之外,還采用并修改了一種新的全局搜索算法。利用兩階段貝葉斯網絡方法來實施DAG的全局搜索,以識別具有多種結果的全基因組相互作用。該方法綜合了基于得分的方法和基于約束的方法的優點,它以貪婪的方式最大化了BIC(貝葉斯信息準則),但仍保證了大樣本限制的一致性。

“Riss”給用戶提供了一種較為完整的體驗,數據庫與分析結果的整合設計引起了評委的極大興趣,提供的搜索的實用性收到了其他參賽隊伍的認同與好評。在答辯環節,SJTU-software獲得了評委們的極高評價,評委高度評價了項目的網頁設計,并建議繼續深入開發。最終團隊榮獲金牌。

  SJTU-BioX-Shanghai團隊依托于Bio-X研究院“合成基因機器學生科技創新工作室”,指導老師為賀林院士、馬鋼副研究員和王毓舒老師,2020年團隊由來自生命科學技術學院、藥學院、農業與生物學院、致遠學院、電子信息與電氣工程學院、生物醫學工程學院的18名學生組成。往屆隊員何沛祥提供技術指導,肖毅教授擔任團隊顧問。

今年的參賽項目在去年項目的基礎上,繼續運用合成生物學方法,針對2020年獲諾獎技術CRISPR技術的瓶頸——脫靶問題,提出了從根源上解決基因編輯技術風險問題的優化方法。隊伍從脫靶水平的測定,定向進化與理性設計三部分實現優化。為了使脫靶和上靶水平可視化,SJTU-BioX-Shanghai設計了兩套表征系統:CRISPRa和CRISPRi,利用Cas9蛋白激活或阻礙報告基因的表達。

SJTU-BioX-Shanghai 項目設計簡要流程圖

項目的核心在于定向進化和理性設計。在CRISPRa/CRISPRi系統回路的基礎上,SJTU-BioX-Shanghai隊伍通過易錯PCR的方法構建了突變體庫,利用流式細胞儀對突變體文庫進行篩選,并且進行DNA改組以積累突變體優勢,最大化利用突變體文庫。在理性設計部分,SJTU-BioX-Shanghai隊伍選用多種模型進行實驗預測,參考機器學習方法與神經網絡構建方法,預測出多條可能與脫靶問題直接相關的序列,并在后續的實驗驗證中得到了顯著的陽性結果,并且開發了PROMARE蛋白質設計軟件。

非理性設計后的突變體文庫

PROMARE三大應用模塊:特征提取,突變和設計

理性設計突變后dCas9脫靶率降低

項目立題角度新穎,可行性強,與基因編輯前沿熱點聯系緊密,同時利用理性設計方法進一步完善了定向進化系統的操作方法,為蛋白進化和技術改進提供了具有啟發性的研究思路,具有廣闊的應用場景,如:針對不同的基因編輯目標序列以及誘餌序列設計不同的luCas9蛋白;在掌握蛋白質晶體結構的情況下,利用蛋白質理性設計,加速定向進化;基于蛋白質結構和量子力學計算,使用理性設計和定向進化來優化酶的穩定性和反應活性,進而達到從頭設計的目的。

另外,今年的項目依然貫徹了將合成生物學進一步推廣的理念,在線上線下開展了多個學術分享講座;同時在微信公眾號SJTUBioXShanghai上同步更新了多篇文獻解讀,為學術科研提供便利,也為年輕學子入門提供幫助。

科普推送

從2009年到2020年,上海交通大學iGEM代表隊斬獲十五金二銀二銅的佳績,并曾榮獲亞洲冠軍、最佳人工生物模塊設計、全球最佳16隊、最佳醫學診斷項目提名等殊榮。2020屆隊員秉承“精勤、力行、求真、務實”的奮斗精神,在前沿生物學的世界舞臺上再一次捍衛了交大榮譽。

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