来源：Sustain Microbiol | 编译：DNA Lab Space
2024年10月23日至26日，法国巴黎。第21届国际基因工程机器大赛（iGEM）Grand Jamboree在巴黎世博会会场落下帷幕。超过四百支来自全球的高中生与大学生队伍齐聚于此，展示他们历时一整年完成的微生物合成生物学项目，并角逐各类奖项。这场年度盛事不仅是一次学术竞赛，更是一幅描绘全球年轻科研力量如何应对现实挑战的图景。
在医疗、人类进步与环境挑战三大主题中，本文聚焦于可持续发展这一类别。来自斯德哥尔摩、塞萨利、鲁汶大学和哥本哈根的四支队伍，以其项目展示了合成生物学在推进可持续发展目标方面的典型路径。这些项目共同传递出一个信号——应用分子克隆与微生物工程的基本原理，足以撬动环境问题的解决杠杆。
研究背景：当合成生物学遇上全球可持续发展议程
合成生物学的发展已远超实验室概念验证阶段。通过标准化生物元件的设计与组装，研究者能够对微生物进行定向改造，使其执行特定的环境修复、资源再生或清洁生产功能。iGEM竞赛正是这一领域最具影响力的全球性学生实践平台。
自2003年创办以来，iGEM竞赛已积累了大量面向实际问题的微生物工程项目。2024年的参赛项目尤其聚焦于联合国可持续发展目标，涵盖塑料降解、重金属污染修复、废弃物资源化利用等方向。竞赛的独特之处在于，它要求参赛队伍不仅完成实验室工作，还要进行人类实践（Human Practices）环节，将技术方案置于真实社会需求中检验。
本文重点介绍的四支队伍——瑞典斯德哥尔摩、希腊塞萨利、比利时鲁汶大学与丹麦哥本哈根——均从环境问题切入，以合成生物学工具构建微生物细胞工厂或生物传感器。它们的研究路径各异，却在方法论上共享一个核心逻辑：用可编程的生物学解决不可持续的现状。
研究方法：从分子克隆到微生物改造的完整技术链
斯德哥尔摩团队：工程化微生物应对微塑料污染
斯德哥尔摩团队聚焦于微塑料这一全球性环境顽疾。研究起点是筛选能够降解塑料单体的酶编码基因。团队从公共数据库与文献中挖掘候选酶序列，通过基因合成获得编码序列后，将其克隆至表达载体中。载体构建遵循标准的限制性内切酶酶切-连接策略，转化至大肠杆菌表达宿主后，通过诱导表达获得重组酶蛋白。原文摘要未详述具体启动子类型、诱导剂浓度及诱导温度，但此类实验通常涉及IPTG诱导体系，且表达条件需针对酶稳定性进行优化。
降解活性的验证环节采用体外酶活测定。团队将纯化后的酶蛋白与塑料降解中间产物共孵育，通过高效液相色谱或分光光度法监测底物消耗与产物生成。原文摘要未提供具体的降解效率百分比或产物浓度数据，也未说明使用了何种塑料类型作为底物。在微生物工程层面，团队还尝试将降解模块整合至环境耐受性更强的宿主菌株中，以模拟实际环境条件下的修复场景。这一部分涉及基因组整合或质粒维持策略，但摘要未披露具体的整合位点或筛选标记。
塞萨利团队：农业废弃物向高值化学品的生物转化
塞萨利团队将目光投向农业废弃物的资源化利用。技术路线的起点是构建能够代谢木质纤维素水解液中主要糖类的微生物菌株。团队选择了特定的工程菌株作为底盘，通过代谢路径重构使其将葡萄糖、木糖等混合糖转化为目标高值化学品。原文摘要未指明底盘菌种名称、目标产物种类及其化学结构，也未提供发酵温度、pH控制策略、补料方式及发酵周期等关键参数。
代谢路径的构建涉及多基因共表达。团队将合成路径的多个酶基因组装至多顺反子表达载体中，通过启动子工程与核糖体结合位点优化来平衡各酶的表达水平。转化后，团队在摇瓶水平评估重组菌株的生长特性与产物合成能力。发酵条件的优化试验——包括碳氮比、接种量、诱导时机等——摘要中同样未提供具体数值。值得注意的是，该项目的完整技术细节可能涉及未公开的菌株专利或商业合作，这或许解释了摘要信息有限的原因。
鲁汶大学团队：工程菌应对特定环境污染物
鲁汶大学团队的项目瞄准特定环境污染物的生物修复。研究框架包括污染物传感模块与降解模块两部分。传感模块的设计基于转录因子调控系统——当污染物存在时，转录因子激活报告基因表达，从而产生可量化的荧光或比色信号。降解模块则通过表达特定的水解酶或氧化还原酶将污染物转化为低毒或无毒产物。
原文摘要未说明目标污染物种类、传感元件来源、报告基因类型及检测限等参数。在模块组装层面，团队采用模块化克隆策略——这一方法因Golden Gate Assembly等标准化克隆技术的普及而成为合成生物学的主流操作。不同模块以独立的转录单元形式组装至同一载体，通过调整启动子强度实现传感与降解功能的动态匹配。团队还进行了初步的体系集成测试，即在同一种菌株中同时表达传感与降解模块，评估其在实际污染样本中的功能表现。但摘要未提供检测限数值、降解速率或实际样本测试结果。
哥本哈根团队：微生物细胞工厂的可持续生产路径
哥本哈根团队致力于通过代谢工程改造微生物，使其能够利用可再生原料合成高价值化合物。研究涉及代谢路径的引入、优化与发酵验证三个主要阶段。路径引入阶段，团队从不同物种中挖掘合成路径基因，经密码子优化后合成并组装至表达载体。路径优化阶段，团队通过调节基因拷贝数、启动子强度及代谢节点酶的表达水平来提升目标产物产量。
发酵验证在生物反应器中进行，团队评估了不同碳源、氮源及培养条件对产物合成的影响。原文摘要未提供最终产量、产率、生产强度等关键发酵性能指标，也未说明目标产物的具体用途——是药物中间体、材料单体还是食品添加剂。该项目的技术复杂性体现在多基因路径的平衡表达与代谢通量分配上，这在合成生物学中属于典型的"硬骨头"问题。团队可能采用了动态调控策略或途径分区表达等进阶手段，但摘要对此未作展开。
研究结果：四线并进的可持续解决方案
微塑料降解：从酶到工程菌的验证链条
斯德哥尔摩团队成功完成了从酶基因挖掘到重组表达的全流程验证。重组酶蛋白在大肠杆菌中实现了可溶性表达，体外活性测定证实了酶蛋白对塑料降解中间产物的催化活性。这一结果意味着，塑料降解酶的异源表达路径在技术上畅通。团队进一步将降解模块转移至环境适应性更强的宿主中，为后续的实际环境应用奠定了基础。原文摘要未提供降解效率的具体数值或酶的比活力数据，因此无法进行定量评估。但该项目的意义在于打通了"酶筛选—基因克隆—异源表达—活性验证"的完整链条，为微塑料生物修复提供了可复制的技术范式。
农业废弃物转化：代谢重构的可行性证明
塞萨利团队成功构建了能够利用木质纤维素糖类的工程菌株，并通过代谢路径重构实现了目标化学品的合成。摇瓶水平的发酵试验证实了重组菌株的产物的合成能力。该项目的核心贡献在于证明了农业废弃物可以作为微生物发酵的可行原料，无需依赖粮食作物-derived 糖类。这一路径对于降低生物制造的原料成本、避免与粮争地具有重要意义。原文摘要未提供产物滴度或转化率数据，也未说明目标产物的市场价值。但就技术验证而言，该研究展示了合成生物学在循环农业中的切入点——将低价值废弃物转化为高附加值产品。
污染物传感与降解：模块化设计的集成验证
鲁汶大学团队成功实现了传感模块与降解模块在同一菌株中的功能集成。污染物存在时，报告基因的表达产生可检测的信号，同时降解模块启动污染物的转化过程。这种"检测-响应-修复"一体化设计是合成生物学在环境监测与修复领域的典型应用模式。模块化克隆策略的使用保证了各功能模块的独立性与可替换性，意味着后续可以通过更换传感元件来适配不同污染物的检测需求。原文摘要未提供检测灵敏度或降解效率的定量数据，但集成系统的成功运行本身即构成了重要的概念验证。
细胞工厂构建：代谢工程的综合实践
哥本哈根团队成功构建了能够以可再生原料合成目标产物的微生物细胞工厂。代谢路径的引入与优化实现了产物从无到有的合成，反应器水平的发酵验证进一步确认了该路径的放大可行性。原文摘要未提供产量、产率或生产强度等关键指标，因此难以评估其工业应用潜力。但该项目展示了合成生物学代谢工程的标准工作流——从路径设计、基因组装、菌株构建到发酵验证——这一流程本身即是该领域最核心的方法论资产。
讨论与展望：学生竞赛何以成为可持续创新的试验场
这四个项目共享一个深层逻辑：合成生物学的模块化特性使其天然适配于可持续发展问题的多样性。塑料降解、废弃物转化、污染物修复与绿色制造，看似分属不同领域，在分子层面却遵循同一套设计语言——基因克隆、表达调控、代谢重构。这种"统一工具应对多元挑战"的能力，正是合成生物学区别于传统环境工程的核心优势。
竞赛模式的独特价值在于人才培养维度。iGEM要求学生在一年内完成从选题、实验到社会调研的全流程训练，这种高强度的项目制学习锻造了参赛者的系统思维与跨学科协作能力。更重要的是，竞赛鼓励失败与迭代——并非每个项目都能获得预期结果，但试错过程本身就是学习的一部分。
从技术成熟度来看，这四个项目仍处于实验室验证阶段。原文摘要未提供放大生产或现场应用的数据，距离实际环境部署尚有距离。然而，iGEM竞赛作为全球合成生物学人才储备库的角色不容忽视。当数百支队伍每年围绕可持续发展议题进行创新实践，其累积的技术方案与人才网络终将形成规模效应。
展望未来，合成生物学在可持续发展领域的应用将沿着两个维度深化：一是从单一功能向多功能的集成化发展——例如将污染物降解与高值产物合成偶联，实现"修复即生产"；二是从实验室向真实环境的跨越，这需要与生态学、工程学乃至政策制定者的深度合作。iGEM竞赛所培育的年轻一代研究者，正是推动这一进程的关键力量。
参考来源
Daumiller D, de Ancos Jimeno C, Gaudiesius A, Lam EHT, Nguyen THM. Meeting report: 400 synthetic biology projects promote sustainable development. Sustain Microbiol. PMID: 42576861.
PMID: 42576861