iGEM Training

        新學期即將展開的國際合成生物學競賽(iGEM)準備,幾位學長姊於三週前帶領我們完成日後實驗所需的必要訓練;而這篇文章,將分享我在訓練中所學習的內容與心得,並簡單介紹「合成生物學」在做什麼。至於為何選擇參加iGEM,而非一般的大學社團活動;又參加之後會有什麼體悟與感想,最終競賽題材為何,恐怕得在數個月後的文章才能與諸君分享。
iGEM Logo,取自IGEM @ TAIWAN─參賽現狀與競賽本質一文

        「人類過去利用育種技術來選殖動植物,使其符合人類生活需求以促進生活品質,而這個過程中,也間接改變了這些有機體的基因體組成,堪稱是基因體工程的最原始形式。在操作並改造基因體的技術更加成熟的今日,我們不需要透過大量的嘗試錯誤,而達到預期的 DNA 操作,而是更為精確並有計劃的進行基因體工程,甚至於跨物種的基因體組合,以達到各種預期的功能。同時,工程化的生物零件、生物設備等概念,更進一步進展到基因迴路 (genetic circuit)。基因迴路的概念,是基於我們對於細胞內基因調控認知的描述:基因的表現可以被其他基因開啟 (turn ON) 或者是關閉 (turn OFF),細胞內的基因表現就呈現了高表現或低表現的狀態,就有如電子電路個節點的電位高低一般。在電子電路系統內,我們可以很容易地放入新的零件、模組,來改變整個系統運作或創造新功能。因此,合成生物學家也試圖將設計好的模組、設備或迴路,放入既存的基因體內,來改變基因體運作的模式,或者創造原有基因體不存在的功能,開發新的應用。」這段出自合成生物學專題的文字,簡述了合成生物學的發展與應用潛力,以及其中最關鍵的應用:基因迴路。

        基因迴路,或許是整個合成生物學最關鍵的部分,也是我們這幾天訓練的主要項目。同樣引述自合成生物學專題這篇文章的段落說明其方式:「Tom Knight 教授提出一種標準的 DNA 片段的組裝方式,在每次的組裝可以使用相同的方式,不需要再費心選擇每次組裝使用的限制酶酵素。這樣的組裝方式,讓DNA 片段可以像積木一樣,一個片段一個片段一直連續組裝下去,生物零件 (biological Part) 的概念就因此誕生。將生物 DNA 片段零件化,是工程思維應用在分子生物學的一個重大發明。因此,透過生物零件的定義與標準化的組裝方式,我們可以進一步組裝生物設備 (biological device),或更進一步可以組裝一個生物系統 (biological system),形成一個由生物零件為基礎的工程框架。」(競賽細節可參考2017.iGEM2016.iGEM的網站)

        連續兩天的訓練主要項目為Cloning Cycle Protocol,又分為Light DayHeavy Day兩個處理內容不同的工作天。Light Day可說是Heavy Day的前置作業,舉凡:為之後的PCR操作做準備,預先配好啟動子(Primer)、聚合酶(Taq polymerse)、自培養皿中挑出大腸桿菌的單一菌落(Single colony),作Liquid culture培養,用Agar粉末和Agarose粉末各作不同的膠盤(後者用來跑電泳膠的),將PCR結果作Gal electrophoresis

實驗室一隅

PCR儀器

        Heavy Day
的工作相較之下繁重許多,也花費較多時間在等待儀器運作,筆者猶記得這天一直到午夜才步伐疲累地走回宿舍。除了將Light Day培養的Liquid culture,藉不同的緩衝溶液與程序逐步抽出質體,還需要到共同儀器中心使用微型分光光度計測濃度與純度,將一連串的步驟—如DigestionGel extractionLigationTransformation—完成。

共同儀器中心一隅
Transformation結果

        由於筆者就讀的是陽明醫學系B組,大一上學期所受的生物實驗訓練有極大的幫助,除了電泳和PCR的操作,一些基礎的實驗流程—如Streak outTransformationLiquid culture—都還算上手。這兩天下來的訓練,除了睡眠不足,我還思考和獲益了幾件事:

1.時間永遠是實驗室的敵人,如何妥善規劃實驗流程,不讓寶貴的等待時間白白流失,變得至關重要。

2.體會到實驗室生活的辛苦,思考自己日後該選擇什麼樣的實驗室完成專題,能否在學業和事業間取得平衡?時間該如何規劃?

3.除了查找論文資料、建構實驗專題外,儀器的函數操作、撰寫程式碼作數據分析、寫好實驗紀錄本方便夥伴間的交接、規劃宣傳活動、與外校交流都是同樣重要的。

4.實驗手套的使用,先往手套內側吹氣,脹大後可以比較好套上。這不是在開玩笑,而是進入狹小的實驗室後,學到的第一個技能,日後也許可以在實驗課上賣弄給不知道這個方法、辛苦地抓戴手套的同學看。

        寒假期間,我花了些時間閱讀前人的競賽題材與研究報告,也試著精進自己於資料分析上的能力;去年初入iGEM團隊所說的話,我一直記得那段從漫畫《醫龍》看來的熱血文字:「真正的團隊合作不是彼此幫忙,而是每個人把自己的實力發揮到極致。」我總在思考我能做什麼,對於Wet Lab(濕式實驗)不甚在行的我,能否完成Dry Lab(乾式實驗)Wiki撰寫與田野調查其他同樣重要的項目?帶領我們做實驗的學長姊,在我們終於完成實驗,準備離開時說的那番話總讓我在某個時刻,燃起初衷:「從今天開始,iGEM正式開始了!

        是的,遠超過我迄今所經歷的任何事情的挑戰要來了,能否克服、能否從中獲得最好的收穫,這些都要等到九個月後的美國行才會揭曉了。

補充:

除了建構生物系統外,國際合成生物學競賽(iGEM)中仍有其他目標:
        1.To enable the systematic engineering of biology.
2.To promote the open and transparent development of tools for engineering biology.

3. And to help construct a society that can productively and safely apply biological technology.

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