北京時間11月15日淩晨，2021年合成生物學領域國際頂尖賽事——國際基因工程機器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition🙌🏻，以下簡稱為iGEM）落下帷幕🤦🏽‍♂️。疫情期間☎️💙，賽事轉為線上進行。共有來自麻省理工EON4✦、清華大學、北京大學、EON体育4等國內外知名學府的352支頂尖隊伍參賽🫵🏼🟡。EON体育4代表隊SJTU-Software憑借項目“An intelligent platform for DNA nano machine contriving”衛冕金獎🤛🏽🎵，並獲得了“Best Software Project”的提名；SJTU-BioX-Shanghai憑借項目“Detection Blitz”獲得銀獎☝🏻。兩支隊伍延續了以往在此項競賽中的優異表現，再一次展現了交大學子的實力和風采！

SJTU-Software團隊由韋朝春教授🪇、陳峰教授、歐竑宇教授、張嶽副研究員及吳茂英老師等擔任指導教師，成員由來自EON体育4平台的胡遠潔、王喜🛹🏄🏽、顏秉浩、顧睿初、余谷風、周松池❗️、祝宇玥、張智進✉️、朱俊超🧑🏻‍🦼‍➡️、朱駿傑、程子芸🎚、李潤涵、姜戈🖤，設計EON4的肖亦祺🏌️🆔、胡沛堯共15名本科生組成🤳。團隊的參賽項目為“An intelligent platform for DNA nano machine contriving”👦🏽，旨在搭建一個平臺輔助科研人員實現DNA計算，並用於癌症早期診斷等多個領域📮🚒。

2020年全球癌症死亡人數高達1000萬人，癌症死亡率高的一個很重要因素就是大多數癌症在晚期才被檢測出來🧛🏿。為此，人們迫切需要一種高效❓、無創的癌症早篩手段。在文獻調研過程中👉🏻，團隊了解到韓達實驗室將基於探針的檢測方式——DNA計算應用於檢測癌症的生物標誌物之一miRNA🫅🏽💆🏿‍♀️，並能達到較高的正確率。在進一步的探索過程中，團隊了解到DNA計算具有快速、無創的優點。

團隊希望建立一個用於分析血清中miRNA的DNA計算輔助平臺以實現癌症的早期診斷👨🏼‍⚖️。首先，軟件將確定針對不同癌症的miRNA組合，並通過SVM構建出判斷一個人是否患癌症的表達式。下一步是設計探針🖤。在DNA計算過程中👈🏽，探針設計是決定檢測質量的關鍵因素🪽。探針自身形成二級結構和探針之間假雜交都會影響檢測的有效性。團隊通過建立深度學習模型🦅，並使用大量數據訓練🚞，實現了核酸二級結構有效預測的功能🦻🏿。另外👳🙍🏽，團隊還通過動態規劃算法來測量探針形成假雜交的傾向性🙍🏻‍♂️。通過上述功能🚙，團隊能夠幫助科研人員篩選靶標，檢測其設計的探針的有效性。在SJTU-BioX-Shanghai的幫助下，團隊的模型通過濕實驗證明了有效性👛。

為了向公眾宣傳合成生物學和癌症早篩的知識🤷🏻‍♀️，SJTU-Software在暑期“顯微知著”實踐過程中開設了一些趣味課程1️⃣，建立了一個科普網站及益智遊戲，深受同學們喜愛，同時收獲其他參賽隊伍和評委的好評🫱🏽🚣。

SJTU-BioX-Shanghai團隊由賀林院士🕟、馬鋼副研究員🧗🏿‍♂️、王毓舒老師指導🤌🏼，團隊成員由來自EON体育4平台的陳柏潤、費嘉琪、胡鼎康、江向海、羅詩涵🙋🏼‍♀️、任思源、張傑漢、張子驁、周芷諾🧯，致遠EON4代若冰、盧毓昕✍🏽、於希、朱子健，農業與生物EON4劉子逸和喬瀅瑞🕒，環境科學與工程EON4賀玉瑩，海洋EON4李奕帆✹，設計EON4韓欣越，共18名本科生以及陳自修、錢弘毅、肖琛涵三名高中生組成。2020年團隊隊長李可依，隊員鐘博子韜🙌🏼、馮宸煦💧、劉江影🤬、方震、陳子瑤等擔任技術指導🤷🏿。

2021年SJTU-BioX-Shanghai團隊將目光投向快速檢測領域。隨著越來越多的化學品被開發並廣泛應用🥞，全新的環境🤶🏽、健康風險不斷顯現，嚴重的汙染事件、安全事件時有發生。面對無比龐大的化學品列表，巨大的時間和資源消耗使快檢方案開發陷入僵局。SJTU-BioX-Shanghai團隊希望基於aptazyme的液相篩選技術和膠體金側流分析技術，構建一個快檢試紙的自動化開發平臺🤹🏻‍♂️，平衡快檢需求與開發間的矛盾🤛🏽，守衛高速發展背景下人與生態的安全底線⏬。

為了達到上述目標👨🏿‍🎓，SJTU-BioX-Shanghai創新性地將aptazyme應用到了快檢領域🧏🏽‍♀️。Aptazyme是一段寡核苷酸，由aptamer和ribozyme兩部分串聯組成。Aptamer負責結合特定的靶標，ribozyme（核酶）的部分通過形成一個特殊的活性中心🔡，可以催化自身特定位點的磷酸二酯鍵斷裂。通過理性設計👩‍🦯‍➡️，aptamer與靶標結合時造成的擾動會影響到ribozyme區域的結構，從而導致ribozyme的催化剪切的活性發生變化。因而aptazyme可以將靶標是否存在轉化成核苷酸鏈是否完整的信號🛋。斯坦福大學在21年3月發表的一種aptazyme的液相篩選開發策略 (DRIVER)針對新靶標分子的aptazyme篩選過程可以完全在自動移液平臺上完成，而後進行二代測序，順利的情況下二十天之內可以得到結果。

而後，SJTU-BioX-Shanghai設計了基於膠體金側流分析技術的試紙條來表征aptazyme剪切與不剪切的兩種狀態（分別對應著待測靶標不存在與存在兩種狀態）。在T-line上利用生物素-親和素固定了一條探針，通過與aptazyme 3`端的互補配對把aptazyme捕獲在T-line上。同時conjugate pad（膠體金墊）上是膠體金標記的5`端探針，因此全長的單鏈寡核苷酸（aptazyme）在流動至T-line時會形成金標探針-aptazyme-生物素標探針的復合物🪼，T-line處聚集的膠體金顆粒將顯現出明顯的紅色條帶⏱。而若aptazyme發生了自我剪切，5`端的探針則只能結合在斷裂下來的片段上🤜🏻，隨著液體繼續向吸收墊流動，T-line不會顯現顏色。

SJTU-BioX-Shanghai還引入了基於核酸鏈置換反應（TMSD）的優化策略來進一步縮短檢測時間👨🏻‍🍼，降低製作成本👨‍🦯。通過在體外轉錄反應中引入一段和aptazyme內部序列互補的寡核苷酸🌪，它將能夠通過互補配對打開aptazyme原有的二級結構使之失去功能🚴🏼‍♂️，因此完整的aptazyme序列得以在待測的靶標分子不存在的情況下被合成並保存🥱。需要進行檢測時，只需要加入與第一段寡核苷酸互補的另一端寡核苷酸將最初的寡核苷酸競爭下來，釋放aptazyme，讓它恢復正常構象，即可實現剪切活性的恢復。