北京时间10月27日凌晨，2024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，以下简称为iGEM）在法国巴黎会议中心落下帷幕。共有来自麻省理工学院、哈佛大学、牛津大学、清华大学、北京大学和上海交通大学等国内外知名学府的400余支顶尖队伍参赛。经过激烈角逐，上海交通大学代表队SJTU-BioX-Shanghai凭借项目“XPCures”蝉联金奖；SJTU-Software凭借项目“HEATMAP”斩获金奖，两支队伍延续了在这一赛事中的良好表现，再次在国际舞台上展现了交大学子的风采！
SJTU-BioX-Shanghai
今年，SJTU-BioX-Shanghai团队聚焦于健康与疾病治疗。着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum, XP）是一种常染色体隐性遗传病，在各大洲几乎全部种族里均有报道，患者对紫外线（Ultraviolet Radiation B，UV-B）高度敏感，日晒部位多发生水疱、表皮增生和肿瘤等，2/3的患者于20岁前死亡，目前尚未有治愈XP的方法。团队成员聚焦于发病率最高的C型着色性干皮病（XPC），发病原因是由于XPC基因突变导致DNA修复蛋白异常，从而无法修复紫外线照射造成的DNA损伤。受植物中一种响应紫外线的系统启发，团队成员决定设计一种全新的紫外线响应基因开关，实现XPC基因在患者体内的可控表达，将致病的UV-B转化为治疗的UV-B。
紫外线响应基因开关系统
团队将植物中的这套紫外线响应系统与转录调控元件相结合，开发了一种以光遗传技术为控制端、基因治疗为基础的新型疗法，同时构建了一种负反馈调控机制。该套系统可通过腺相关病毒递送系统借助微针透皮递送至皮肤基底层细胞实现替代治疗。
在哺乳动物细胞中验证了植物源紫外线响应系统的有效性后，团队在人源角质形成细胞上转入该系统进行功能测试。他们惊喜的发现，XPC基因缺失的角质形成细胞在UV-B照射后大量凋亡，而转入该系统的XPC基因缺失细胞的存活率接近正常细胞水平，强有力地证明了响应紫外线的基因开关系统的有效性。也就是说，该系统对于修复紫外线诱导的DNA损伤具有重要作用，为未来着色性干皮病治疗提供新的思路。
与此同时，团队积极与社会各界的利益相关方交流，根据他们的反馈，不断优化项目，让XPCures更加安全、有效地满足患者的需求。此外，SJTU-BioX-Shanghai还设想了XPCures从基础研究落地为医疗产品的未来发展道路，详细地阐述了专利申请、临床前试验、临床试验、研究者发起的临床研究、进入市场等过程的步骤。通过采访政府、医院伦理委员会的从业者，了解了针对罕见病基因治疗研发的特殊政策以及安全伦理考虑。在推进项目的过程中，团队成员逐渐勾勒出罕见病患者群体的社会处境画像，呼吁社会各界关注这个社会群体，充分体现对罕见病患者的人文关怀。
SJTU-BioX-Shanghai团队由贺林院士领衔，马钢副研究员、莫茜研究员（上海儿童医学中心）、胥川副研究员和王毓舒老师指导，由来自生命科学技术学院的郑瑜娴同学担任队长，团队成员还包括来自生命科学技术学院的高翔、崔益豪、许菡玉、涂然，致远学院的舒子栋、魏宏宇、唐洪果，生物医学工程学院的李恩然，农业与生物学院的赵泽正，药学院的成昊洋，医学院的王革、姚嘉一，共12名本科生以及高中生傅逸佳。2023年团队的队长杨祯熙，队员江向海和张可昕担任技术顾问。
SJTU-Software
近年来，虫害导致40%作物减产和700亿美元经济损失，使人们对农药的需求量越来越高，然而传统农药大多存在难以降解、毒害性强的弊端。今年，SJTU-Software团队聚焦于无公害、天然、高效的生物杀虫剂——多杀菌素。多杀菌素可使害虫迅速麻痹、瘫痪，最后导致死亡。其杀虫速度可与化学农药相媲美，且安全性高，作用广谱。然而，由于产率低、副产物多和提取工艺复杂等因素，该产品仍然价格昂贵，难以推广。
团队经过多轮全方面调研发现，多数酶的最适温度与实际发酵温度不符，导致其在生产过程中活性较低。而对于最适温度，现有测定方式复杂，导致大部分酶数据缺失，优化代谢通路存在困难。
项目HEATMAP模型与可视化
因此，团队项目“HEATMAP: Harmonizing Enzymatic Activity and Temperature in Metabolic Pathways”通过搭建一个AI模型HEATMAP-AI来预测酶的最适温度，并建立了etcGEM模型模拟刺糖多孢菌生产多杀菌素的代谢通路，二者结合以寻找生产过程中制约反应速率的关键酶。然后，对这部分酶进一步定向进化，使酶的最适温度趋近于反应温度，从而提高多杀菌素的纯度、单位产量，降低成本，扩大市场影响力。
值得一提的是，团队基于该项目开发的深度学习模型HEATMAP-AI具有比现有模型都更高的精确度，并且团队结合湿实验验证在迭代学习过程中不断提高模型的预测精度。为了让该模型惠及更多用户，团队开发了最适温度预测平台HEATMAP，不仅可以通过输入任意酶蛋白序列来获得其最适温度的预测值，还可从网站下载所有酶的序列、最适温度信息。
HEATMAP-AI模型交叉验证结果
HEATMAP最适温度预测平台
目前，团队已和多家公司取得联系与合作。未来，团队会持续进行模型维护、项目优化，让该项目服务于更多人，协助不同领域的研究人员开展研究工作，助力于推动放线菌底盘生物的构建。
此外，团队在社会调研与社会实践方面完成了卓越的工作。
为了确保项目可行性，团队成员咨询了联合国全球环境、农业相关问题，发现了害虫治理的急迫性、必要性。团队先后拜访20余名领域内专家，共同探讨项目内容；同时走进企业，了解在实际生产过程中的现实问题，并通过与多杀菌素生产公司齐鲁制药的深入合作，逐步优化项目内容，共同推动项目实施与落地。另外，团队还关注到在合成生物学领域存在的生物伦理学问题，联合业内专家、合成生物学产品上市公司蒙牛乳业，与国内所有Software&AI赛道的iGEM团队召开“AI与生物安全生物伦理圆桌论坛”，共同编写了白皮书，致力于推动生物伦理学相关政策落地。
同时，团队开展大量科普工作助力合成生物学知识的传播。通过前期对不同年龄段群体的问卷调查，根据不同群体对合成生物学知识的了解程度分类开展科普宣传工作，取得了良好的成效。
SJTU-Software团队由韦朝春教授领衔，张岳副研究员指导，同时白林泉教授、陈海峰教授、冯雁教授和鲁洪中教授在项目推进过程中提供了宝贵意见，以及学校超算中心提供了计算资源。团队共有17名本科生，由来自生命科学技术学院的钱薪宇担任队长，团队成员还包括来自生命科学技术学院的程愉航、袁媛、高铭、彭驿博、江艾菲、华晋亮、王苏宁，致远学院的唐卓皓、张典，药学院的余志玮，生物医学工程学院的王旻莹，医学院的陈思予，设计学院的许朝凯、黄其灏、袁鸣键，媒体与传播学院的张译丹。2023年SJTU-Software团队队长朱骏杰、2022年SJTU-Software团队队长魏嘉璐等担任团队的技术顾问。
从2009到2024年，上海交通大学iGEM代表队斩获二十一金四银二铜，金奖总数全国第一。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、最佳软件项目提名、赛道最佳奖等荣誉。2024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！