你或許會很難想象，有一天，人類能夠像裝配零件一樣，將自己設(shè)計出的細(xì)胞、微生物，組裝成一個協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的新整體，進(jìn)而控制其完成任務(wù)。不過，這樣充滿未來感的故事，其實(shí)正在當(dāng)下發(fā)生，并形成了一門生物科學(xué)分支學(xué)科——合成生物學(xué)。不久前，美國波士頓海恩斯

你或許會很難想象，

有一天，

人類能夠像裝配零件一樣，

將自己設(shè)計出的細(xì)胞、微生物，

組裝成一個協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的新整體，

進(jìn)而控制其完成任務(wù)。

不過，這樣充滿未來感的故事，

其實(shí)正在當(dāng)下發(fā)生，

并形成了一門生物科學(xué)分支學(xué)科——

合成生物學(xué)。

不久前，美國波士頓海恩斯國際會議中心，浙江大學(xué)代表隊(duì)ZJU-China在浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳銘教授的帶領(lǐng)下，以項(xiàng)目家用HPV檢測儀“PaDetector”斬獲國際基因工程機(jī)器大賽（iGEM）金牌。這也是自2010年參賽以來，浙大代表隊(duì)收獲的第七枚金牌。

ZJU-China團(tuán)隊(duì)與國際基因工程機(jī)器大賽評委合影

ZJU-China團(tuán)隊(duì)與國際基因工程機(jī)器大賽評委合影

近二十年來，中國的宮頸癌發(fā)病率持續(xù)上升?？墒怯捎诜N種原因，HPV（人類乳頭瘤病毒）檢測作為宮頸癌有效預(yù)防措施之一，卻在普及過程中屢次碰壁。這一方面不利于女性的身心健康，另一方面也加重了醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。

因此，在陳銘教授的指導(dǎo)下，ZJU-China團(tuán)隊(duì)經(jīng)過幾輪選題，綜合比較可操作性與現(xiàn)實(shí)意義等因素后，將目光聚焦了在“方便簡潔的HPV自檢方法”上。

設(shè)計初期，團(tuán)隊(duì)的設(shè)想是，通過添加精細(xì)裝置，在衛(wèi)生巾內(nèi)“一步到位”地完成檢測過程，直接將結(jié)果通過顏色可視化。但在衛(wèi)生巾制作流程的實(shí)地考察中，隊(duì)員們與制作廠商交流后發(fā)現(xiàn)，這種方法的成本太高，只好將檢測設(shè)備單獨(dú)分離。

他們以女性經(jīng)血作為樣本，結(jié)合兩種常溫檢測方法，在設(shè)計、制造、改進(jìn)3個版本后，最終呈現(xiàn)出了用于HPV早期篩查的家用HPV檢測儀“PaDetector”。

“PaDetector”的原理基于針對性強(qiáng)、靈敏度高的CRISPR/Cas12a系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中，操作者首先需要破裂宮頸上皮細(xì)胞樣品，用RPA擴(kuò)增獲得HPV基因組，然后通過Cas12a蛋白的核酸酶活性指示進(jìn)行檢測，并使用紫外手電照射反應(yīng)液，以觀察結(jié)果。

為進(jìn)一步提高“PaDetector”的高通性，實(shí)現(xiàn)在一次反應(yīng)中同時檢測多種HPV亞型，團(tuán)隊(duì)之后還設(shè)計了另一種利用核酸雜交鏈進(jìn)一步放大信號的方法。

而在實(shí)際的日常應(yīng)用中，用戶其實(shí)只需要取下衛(wèi)生巾夾層內(nèi)的裝置，將收集的經(jīng)血樣本放入“PaDetector”，靜置40分鐘至1小時，就可以看到檢測結(jié)果，非常符合團(tuán)隊(duì)當(dāng)時提出的“簡便”原則。

分工明確，通力合作，準(zhǔn)備充分的他們終勝出

本次參賽隊(duì)伍ZJU-China由浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、醫(yī)學(xué)院、竺可楨學(xué)院、農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和控制科學(xué)與工程學(xué)院共6個院系的12名本科生組成。

團(tuán)隊(duì)大致被分為“濕隊(duì)”和“干隊(duì)”兩支隊(duì)伍。“干隊(duì)”負(fù)責(zé)軟件部分，“濕隊(duì)”負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)部分。隊(duì)長蘇鍵解釋了兩支隊(duì)伍的劃分依據(jù)：“由于實(shí)驗(yàn)通常需要接觸溶液、培養(yǎng)基這些潮濕的東西，所以實(shí)驗(yàn)隊(duì)被稱為‘濕隊(duì)’，相應(yīng)地，軟件隊(duì)就被稱為‘干隊(duì)’。這也是比較通用的劃分方法。”

工程浩大、細(xì)節(jié)繁瑣，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部經(jīng)常會產(chǎn)生分歧，但好在隊(duì)員們都有著同一個目標(biāo)，始終能夠?qū)⒉煌庖姺诺脚_前探討，在愈辯愈明中，找出合適的答案。

ZJU-China團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室，白板上寫著：

-If we knew what we were doing,

it wouldn't be called research, would it?

-Absolutely Right.

與理念分歧相比，實(shí)際操作更顯得狀況百出，幾乎每位隊(duì)員都遇到過意料之外的情況。

對于“濕隊(duì)”隊(duì)員們來說，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是他們掛在心頭的重中之重。

2019年的暑假期間，因?yàn)樽孕性O(shè)計的方法始終無法分辨HPV16和HPV18兩種病毒，隊(duì)員蘇鍵“幾乎做了一整個假期的實(shí)驗(yàn)”。他在百思不得其解中郁悶抓狂，最后卻還是決定冷靜下來，耐心地一項(xiàng)項(xiàng)排除可疑因素。

直到借用另一種實(shí)驗(yàn)方法后，蘇鍵才找到了令他啼笑皆非的錯因——他在實(shí)驗(yàn)中混淆了病毒載體。解決完這個頗有些“烏龍”意味的問題，隨后的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展十分迅速，蘇鍵終于順利地得到了預(yù)期結(jié)果，“松了一口氣”。

隨后的十一假期，隊(duì)員李文曉本想將這段時間專門留給“PaDetector”，卻忘記了生物公司放假，不能向她及時寄送實(shí)驗(yàn)所需材料。這讓她暗自懊悔“錯過了多好的時間”，只能在假期結(jié)束后，課堂實(shí)驗(yàn)室兩頭跑，更加高效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)成功后，她甚至為了慶祝，將微信頭像直接換成了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

隨著截止時間的推近，團(tuán)隊(duì)的安排愈發(fā)緊鑼密鼓，隊(duì)員之間也漸漸模糊了一開始劃分的界限，每個人都要身兼數(shù)職。李鴻屹主要負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)建模工作，但為呈現(xiàn)出最好的視覺效果，他同樣參與了網(wǎng)頁的后期修改工作，以保證“PaDetector”項(xiàng)目網(wǎng)站的內(nèi)容質(zhì)量和展現(xiàn)形式。

除此之外，ZJU-China的隊(duì)員們還前往低碳科技館，借助主題卡片，向小朋友們科普了HPV知識，希望借此提高其健康意識；更和兩支中國區(qū)高中隊(duì)伍共同主辦了“高中版國際基因工程機(jī)器大賽”，邀請大賽官方人員出席，指導(dǎo)高中生實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)范、項(xiàng)目原理，得到了參與者們的一致認(rèn)可。

正是因?yàn)楸３种R心協(xié)力的狀態(tài)，扎扎實(shí)實(shí)地完成了繁雜艱巨的前期任務(wù)，踏上大洋彼岸的決賽場地后，隊(duì)員們并沒有感受到特別緊張的氛圍，反倒純熟自如地將作品展現(xiàn)給了世界。

最終，國際基因工程機(jī)器大賽的評委們高度肯定了“PaDetector”，認(rèn)為它是ZJU-China團(tuán)隊(duì)對身邊問題提出的合成生物學(xué)解決方案，其中運(yùn)用的兩種HPV檢測方法，能夠應(yīng)用于檢測病毒、癌癥、基因突變等不同場景，具有很高的泛用性和可升級性，并決定將金牌頒發(fā)給ZJU-China團(tuán)隊(duì)。

這個獲得獎牌的喜悅時刻，成為隊(duì)員們的難忘瞬間。當(dāng)然，有關(guān)國際基因工程機(jī)器大賽的別樣記憶里，必定也少不了他們在臺上的亮眼表現(xiàn)、與優(yōu)秀同齡人的精彩研討、賽后犒勞自己的波士頓大龍蝦……

但更被隊(duì)員們掛在嘴邊的，還有一幅丟失在遙遠(yuǎn)回國路途的主題海報。它成為此次大賽之行，隊(duì)員們唯一的遺憾——“應(yīng)該把海報筒封好的”。

而對于該項(xiàng)目的發(fā)展前景，團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師陳銘教授指出，目前宮頸癌在中國的問題還比較嚴(yán)重，團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)HPV的家用檢測上有了很好的探索。同時，陳銘老師鼓勵團(tuán)隊(duì)的同學(xué)們將相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)拓展至當(dāng)前對新冠肺炎檢測的探索中。當(dāng)然，他也表示，該項(xiàng)目具有較好的發(fā)展前景，但真正應(yīng)用到臨床還需不斷完善，尚需時日。

國際基因工程機(jī)器大賽（iGEM）簡介

國際基因工程機(jī)器大賽（iGEM）是合成生物學(xué)領(lǐng)域的國際頂級大學(xué)生科技賽事，旨在推動合成生物學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)各國大學(xué)生在該領(lǐng)域的學(xué)習(xí)、交流與合作。這項(xiàng)賽事由麻省理工學(xué)院于2003年創(chuàng)辦，初期主要面向在校本科生，后逐漸擴(kuò)大到研究生以及高中生。

國際基因工程機(jī)器大賽尤其強(qiáng)調(diào)“Local people solving local problems”，號召參賽者深入自身環(huán)境解決問題，構(gòu)建并利用基因回路和數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對人工生物系統(tǒng)的預(yù)測、操縱與測量，其趣味性和實(shí)際應(yīng)用性極富挑戰(zhàn)力和吸引力。

目前，大賽已有哈佛大學(xué)、劍橋大學(xué)等多所世界著名高校的年輕人報名參加，其賽況和研究成果也受到《科學(xué)》、《自然》、《科學(xué)美國人》、《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》等頂級學(xué)術(shù)雜志的關(guān)注，幾乎每年都有相關(guān)專題報道。

文字記者：雷思涵

圖片由受訪者提供

本文編輯：浙江大學(xué)微訊社 陳晗鈺

責(zé)任編輯：周亦穎