2009年4月10日

合成生物學競賽-iGEM

作者/楊志賢、吳傑熙、張傳雄(陽明大學生物醫學資訊研究所(cchang@ym.edu.tw))

一年一度的iGEM 競賽,讓學生可以實際參與合成生物學的研究,發揮創意,設計組合出專屬於自己的生物系統。

國際基因工程生物競賽(The International Genetically Engineered Machine competition, iGEM),是由美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)所主辦的國際合成生物學學術比賽,由大學部和研究所學生共同組成團隊,代表自己的學校及國家參與競賽。參賽團體在每年3~4月底登記參賽後,即著手籌組隊伍;經過數個月的實驗設計與操作,所有隊伍在當年11 月的第一個週末,前往麻省理工學院,以海報及現場口頭報告的方式,發表實驗成果。

iGEM競賽試圖去回答一個問題:一個簡單的生物系統是不是能夠以標準化、可交換的生物元件構成,並且在活的有機體中去測試與驗證? 或者,生物體本身太過於複雜,以至於無法用這樣簡單的方式對生命體進行改造?無論答案是哪一個,一定要做了才知道——這就是合成生物學的精神。

競賽內容以學生的創意為主,使用基因工程整體設計的概念與做法,先將各種特殊的DNA當成元件,製造許多生物性的標準裝置(biological parts, BioBlockTM),再利用特殊設計與實驗方法,送入所想改造培育的生物體中,期望此生物能夠產生所送入之基因體的能力;就像是用電子元件設計電路一般,組裝出能執行特殊功能的生物。

在每年的暑假開始,每個參賽團隊都會收到主辦單位提供的一套基本生物元件,團隊利用所拿到的元件和自己設計製作的元件,加上創意思考,設計出各種不同的基因組合系統,並使之能正常運作於生物細胞中,達到當初設計的目的。專業評審則根據系統可行性、實用價值、報告呈現、以及創意性等項目評定獎項。

iGEM以教育性競賽為目標,希望讓大學生在合成生物學這個新興的領域中,能夠有實作的經驗;藉由大學生無比且無懼的創意,來推廣促進合成生物學的發展,並且漸漸累積出一份標準的生物元件庫,開放給下一年度比賽的學生,或對合成生物學有興趣的研究人員使用。

iGEM的起源

2003年1月,iGEM始於麻省理工學院獨立活動月(Independent Activity Period, IAP)的一個活動,當時有4個團隊參與,根據艾洛維茲( Michael Elowitz)博士於2000年在Nature上發表的研究——以三個單元的轉錄調控(transcription regulation)互相拮抗為基礎的振盪器(oscillator)做為主題去設計。

艾洛維茲振盪器

振盪器的存在,對某些生物(如藍綠菌)來說,是維持生理運作的重要調節。所謂振盪(oscillation)意指在狀態上產生週期性改變,在電子電路而言,就是產生電子訊號上週期性變化;對艾洛維茲博士所設計的生物振盪器而言,就是要產生基因表現上的週期性變化。

電子電路上有一種設計振盪器的方式,稱作環形振盪器(ring oscillator)。環形振盪器製作的方式,就是將奇數個反向器(inverter)頭尾相連,形成一個環。假設第一個反向器的輸入是低電位「0」,那它的輸出(也就是第二個反向器的輸入) 就會是高電位「1」;之後第二個反向器的輸出(也就是第三個反向器的輸入)就會是低電位「0」,導致第三個反向器的輸出是高電位「1」。但是注意了,因為第三個反向器的輸出是直接接上第一個反向器的輸入而形成一個環,所以第一個反向器的輸入會在電訊號傳遞到第三個反向器之後,從低電位 「0」改變成高電位「1」。

因此,又經過了一段可以讓電訊號從第一個反向器傳遞到第三個反向器的時間以後,第一個反向器的輸入會再度由高電位「1」改變成低電位「0」。所以,只要電源一直供應著,你可以把第一個反向器的電壓接在示波器(oscilloscope)上看,就會看到有週期性的狀態改變(高電位與低電位的互換),形成所謂的振盪現象。【更詳細的內容,請參閱第472期科學月刊】

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