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他们能修复敦煌壁画? ! 深圳8名中学生摘得“2021年iGEM国际银奖”

“敦煌壁画作为世界文化瑰宝,现在正面临着严重的、无法恢复的破坏,与传统方法相比,我们使用大肠杆菌来修复壁画更加精确、高效,并且可以在一个相对较大的范围内实现壁画修复。”近日,深圳市育才中学Yucai_SZ团队以“用合成生物学的方式修复壁画(Restoring murals with bacteria)”项目,摘得“2021年iGEM国际银奖”。

这个奖项有多牛呢?记者了解到,国际遗传工程机器竞赛 (iGEM) 是生命科学领域全世界规模最大、学术影响力最高的国际赛事,由美国麻省理工学院于2003年创办,至今已成功举办18届。iGEM 以“合成生物学”为主题,鼓励全世界有志于在生命科学领域开拓创新的年轻人,设计完成合成生物学科研项目,尝试解决世界面临的现实问题。

他们大胆提出用合成生物学方式修复敦煌壁画

Yucai_SZ团队由8名队员组成,分别是王睿(队长)、李梓华、李泽均、叶翀睿、王海心、白妍诺、朱子晴、聂一鸣,可能他们是高中生参赛队伍里人数最少的,但却一点都不影响他们的参赛热情。

队长王睿介绍,Yucai_SZ的参赛项目是用合成生物学的方式修复壁画(Restoring murals with bacteria)。“敦煌壁画作为世界文化瑰宝,现在正面临着严重的、无法恢复的破坏,如掉色、磨甲等。然而,根据我们的问卷调查结果显示,近40%的受访者不知道现有的壁画修复方法。传统的壁画修复有三个步骤,大约需要96小时。而我们使用大肠杆菌来修复壁画。与传统方法相比,这一方法更加精确和高效,并且可以在一个相对较大的范围内实现壁画修复。”

李泽均在项目中主要负责实验相关内容,他介绍,整个系统由两个主要部分组成,一个是光感受器质粒,一个是功能质粒。“我们的光感受器系统由两个光控制元件组成,所产生的T7RNAP受蓝光调节,在有蓝光的情况下会有活性,在没有蓝光的情况下会失活。第二个功能质粒由一个CsgA-Mfp3S-pep融合蛋白与一个颜色蛋白组成。该融合蛋白允许宿主锚定在固体表面形成生物膜,并吸附钙离子以形成矿化层。我们通过控制蓝光来控制具有特定形状的彩色生物膜的产生。”

据介绍,团队的整个实验有三个部分:融合蛋白表达系统实验,光感受器系统实验,以及共转表达。而在修复的过程则主要分为5个部分:首先,要将含有细菌的生物膜转变为凝胶,并将其混合到水凝胶中;然后,将整个水凝胶贴在墙上;第三步,则是在生物膜形成后喷洒SBF,并等待矿化;待矿化完成后,将水凝胶掀开;最终,干燥并杀死剩余的细菌。

大量社会实践助力实验逐步完善

记者了解到,根据iGEM赛事要求,参赛项目主题包括生物能源、环境治理、医学检测、药物开发、食品和营养、新材料等,在大约 6 个月的比赛周期内,参赛团队需要利用课余时间,阅读专业文献,查找大量资料,完成项目设计。在暑假,还要学习实验技能,完成实验室内的研究工作。由于合成生物学具有较强的学科交叉性,参赛项目往往还要包含数学建模的内容。如果项目需要,还会涉及软件编写、硬件制作的部分。 iGEM 赛制要求参赛团队设计和进行相关的社会实践, 探寻考察可能影响项目技术设计和使用的各类实际因素。最后,团队还要完成项目的英文书写,以及项目网站编写的工作。在比赛现场,还需面向科学家与业界精英进行英文演讲展示、答辩及海报展示。为此,育才中学的学生团队开展了丰富的实践活动。

采访深圳大学美术修复专家栗教授

采访合成生物学专家王艳怡博士

华大基因合成生物学项目分享会

画纸上的合成生物学

育才三中敦煌壁画艺术史交流会

六位国际评委为育才学子点赞

赛事评委对该项目表达了充分的肯定。一位评委表示,“祝贺你们,这种保护壁画的应用想法很有创意。在我看来,生物膜技术在不同行业领域有很大的应用前景,生物膜和壁画之间的相互作用及反应类型用于保护壁画不被损坏,或将产生极大贡献。未来,你们还可以在抗菌特性上进行尝试。

另一位评委表示:“这个项目解决了一个不同寻常的问题——恢复古代艺术品,不仅耐人寻味,而且非常酷!作为一个高中生团队,你们完成了大量出色的工作,并且表现出了对合成生物学领域的深入理解……”

“我喜欢这个用合成生物学来修复艺术品的想法,但还是大家请在未来的实验中,更多地思考‘安全性’问题。”“能够很好地理解和描述项目的紧迫性以及要解决的问题本身;将合成生物学应用于艺术作品以及历史性艺术作品的保护上,是一个非常好的尝试。”“项目团队完成的工作量是惊人的,也许这个项目值得做成一份商业计划!”……育才中学的项目及项目团队给评委留下深刻印象,六位评委表达了充分肯定,并给出了积极建议。

感谢为iGEM奋战的180个日日夜夜

赛后,提起为iGEM奋战的180个日日夜夜,八位同学都颇为感慨,坦言收获颇丰。

王睿和项目队员们表示,要特别感谢蛇口育才教育集团、育才中学、育才中学生物学科组,特别是育才教育集团信息中心张加健主任及其创办的“未来生物实验室”,为大家参加比赛提供了硬件保障。“该实验室配备的器材,可以完成绝大部分合成生物学实验,这在全国高中学校里也可以位列前茅!没有未来实验室的鼎立支持,就没有iGEM的好成绩!”

张加健主任介绍创办未来生物实验室的初衷

实验室的部分仪器(高速离心机、振荡恒温金属浴、PCR仪等)

王睿表示,作为队长,最大的收获是感受了“生物”和“研究”的魅力。“在实验老师的指导下,我们了解了很多学科知识,从一开始一无所知,最后,我们可以娴熟地说出一些专业名称;还收获了很多乐趣,比如高压灭菌锅香香的臭味、用有颜色的大肠杆菌画画、用倒毁了的培养基养一些杂菌……;更获得了一些非常实用的经验,包括如何写论文等。我想说的是,兴趣是原动力,如果选择了参加,那就努力做到最好!”

李泽均认为,iGEM项目对完整度要求高,综合能力需求强。一个项目的顺利完成离不开所有成员的努力付出。在比赛中,和专业人士沟通,和指导老师交流,不断学习并提升自己,同时充分地领略了合成生物学的魅力和广阔前景。朱子晴是实验组成员,主要负责实验和wiki美工。她坦诚地说, iGEM是挑战,更是机遇,它对自己的提升不仅仅局限于生物的实验设计,更多的是团队合作和时间安排,虽然参赛真的很累,但最后的成就感也超级大。李梓华印象最深的是做网页和准备答辩,“它使我明白在DDL面前什么奇迹都有可能发生,我们远比想象中的自己更强!”

白妍诺说,自己在比赛中最大的收获是慢慢学会了相信自己,变得更敢去做,也更能做好事情!王海心一开始负责实验,后来转到了HP组负责关于线上线下讲座以及与实验参考文献第一作者的联系,认识了很多大学的学长学姐,跳出了生物课本之外,体会到了科研项目研究的乐趣。叶翀睿认为最大的收获是自学能力和执行力得到了提升,“相信自己,不要陷入焦虑,不要畏难,大胆去学,大胆去做。万事只要开了头,后面都会越做越好的!”聂一鸣也收获了英语能力、处理问题能力以及团队协作能力,他期待更多学弟学妹能够团结合作,勇于进取。

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