北京时间11月23日凌晨，2020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）落下帷幕。疫情期间，此项赛事转为线上进行，吸引了来自麻省理工学院、清华大学、北京大学、上海交▆通大学等国内外知★名学府的256支顶尖队伍¤参赛。上海▓交通大学代表队SJTU-software凭借项目“Riss”卫冕金奖；代表队SJTU-BioX-Shanghai凭借项目“Rational Design Assisted Directed Evolution of CRISPR-Cas9 System on Specific Gene”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团队由生命科Ψ学技术学院韦朝春教授、陈峰教授、欧竑宇教∮授、张岳副研究员及々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、农业与生物学院、设计学院、电子信息与电气工程▃学院的18名本科≡生组成。团队参◥赛项目名为“Riss”，意为Rice from SJTU-software。Riss是一个在线的〓合成生物学网站，整合了水♀稻基因组、转录组、蛋白质组等相关信息的数据库，并包含一些新算法的推荐搜索结果。

通过筛选具有良好环境适应性的优质水◥稻品系，降□低水稻种植的环境要求，并在更大范围内促进水稻种植，是提高世界水稻产量的有效途径，团队希望通过引入合成生物学思路找到提高世界水稻产量的有效途▂径。依托上海交通大学韦朝春教授←的3,010个水稻基因组分析工作，团↑队项目对大量水稻样品进行了全基因组范围关键基因座功能分析，旨在寻找可以提高水稻对环境适应性的关键性状关联的基因组合，这将为开发高产高耐受性水稻新品系提供参考〒。

对于基因组№数据，团队除了利用“随机森林”、“聚类”等工具分析之外，还采用并修改了一种新的全↓局搜索算法。利用两阶段贝叶斯网络方法来实施DAG的全局搜索，以识别具有多种结果的∏全基因组相互作用。该方法综合了基于得分的方法和基于约束的方法的优点，它以贪婪的方式最大化了BIC（贝叶斯信息准则），但仍保证了◆大样本限制的一致性。

“Riss”给用户提供』了一种较为完整的体验，数据库与分析结果的整合设计引起了评委的极大兴趣，提供的搜索的实用性收到了其他参赛队伍︻的认同与好评。在答辩环节⌒　，SJTU-software获得了评∑委们的极高评价，评委高度评价了项目的网页设计，并建议继续深入开发。最终团队荣获金牌。

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、马钢副研究员和王毓舒老师，2020年团队由来自生命科学技术学院、药学院、农业与生物学院、致远学院、电子信息与电气工程学院、生物医学工≡程学院的18名学生组成。往届队员何沛祥提供技术指导，肖毅教授担任团队顾问。

今年的参赛项目在去年项目的基础上，继续运用合成生物学方法，针对2020年获诺奖技术CRISPR技术的々瓶颈——脱靶问题，提出了从根源上解▲决基因编辑技术风险问题的优化方法。队伍从脱靶水平的测定，定向进化与理性设计三部分实现优化。为了使脱靶和上靶水平可◤视化，SJTU-BioX-Shanghai设计▂了两套表征系统：CRISPRa和CRISPRi，利用Cas9蛋白激活或阻碍报告基因的表达。

SJTU-BioX-Shanghai 项目设计简要流程图

项目的核心在于定向进化和理性设计。在CRISPRa/CRISPRi系统回路的基础上，SJTU-BioX-Shanghai队伍通过易错PCR的方◥法构建了突变体库，利用々流式细胞仪对突变体文库进行筛选，并且进行DNA改组以积累突变体优势，最大化利用突变体文库。在理性设计部分，SJTU-BioX-Shanghai队伍选用多种模型进行实↘验预测，参考机器学习方法与神经ξ　网络构建方法，预测出多条可能与脱靶问题直接相关的序列，并在后续的实验验证中得到了显著的阳性结果，并且开发了PROMARE蛋白质设计软件。

非理性设计后的突变∩体文库

PROMARE三大应◆用模块：特征提取，突变和设计

理性设计突变后dCas9脱靶率降低

项目立题◢角度新颖，可行性强，与基因编辑︼前沿热点联系紧密，同时利用理性设计方法进一步完善了定向进化系统的操作方法，为蛋白进化和技术改进提供了具有启发性的研究思路，具∮有广阔的应用场景，如：针对不同的基因编辑目标序列以及诱饵√序列设计不同的luCas9蛋白；在掌握蛋白质晶体结构的情况下，利用蛋白质理性设计，加速定向进化；基♂于蛋白质结构和量子力学计算，使用理性设计和定向进化来优化酶▃▃的稳定性和反应活性，进而达到从头设计的目的。

另外，今年的项目依然贯彻了将合成生物学进一步推广的理念，在线⊙上线下开展了多个学术分享讲座；同时在微信公众号SJTUBioXShanghai上同步更新了多篇文献解读』，为学术科研提∞供便利，也为年轻学子入门提供帮助。

科普推送

从2009年到2020年，上海交通大学iGEM代表队共获得十五金二银二铜，并曾荣获亚洲冠军、最佳人工生物模块设计、全球最佳16队、最佳医学诊断项目提名等殊荣。2020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。

作者： 生命科学技术学院 供稿单位： 生命科学技术学院