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。