近日，第二十屆國(guó)際基因工程機(jī)器大賽（iGEM）決賽于法國(guó)巴黎圓滿結(jié)束，浙江大學(xué)校級(jí)代表隊(duì)ZJU-China從全球400支隊(duì)伍中脫穎而出，奪得2023年國(guó)際基因工程機(jī)器大賽本科生組全球前十（TOP10）及金牌，這也是自2010年浙江大學(xué)組隊(duì)參賽以來(lái)第11次斬獲金牌！
ZJU-China團(tuán)隊(duì)由生命科學(xué)學(xué)院陳銘教授和楊帆副教授帶隊(duì)，由來(lái)自8個(gè)不同學(xué)院的14名本科生隊(duì)員組成。此次聚焦植物RNA疫苗，研發(fā)可以自我擴(kuò)增的RNA疫苗作為新型生物農(nóng)藥。
從RNA出發(fā)構(gòu)建“植物哨兵”
“講到防治病蟲(chóng)害，現(xiàn)在多用傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥，事實(shí)上這并非藥到病除、百利無(wú)害，其所引發(fā)對(duì)環(huán)境和健康的威脅還不容小覷！”2020級(jí)巴德年醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)班的夏凌豪同學(xué)解釋道。大量的農(nóng)藥散失造成土壤、空氣和水體的污染，還可能導(dǎo)致農(nóng)作物中有過(guò)高的農(nóng)藥殘留，食用會(huì)危害人類健康。頻繁使用傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥會(huì)讓害蟲(chóng)產(chǎn)生耐藥性，長(zhǎng)時(shí)間難以治本。
看到問(wèn)題就去解決！ZJU-China團(tuán)隊(duì)特別設(shè)計(jì)了一種新型的生物農(nóng)藥，從RNA出發(fā)構(gòu)建“植物哨兵”。“這款農(nóng)藥的特點(diǎn)在于以農(nóng)桿菌作為工程底盤，通過(guò)農(nóng)桿菌對(duì)植物葉片的瞬時(shí)轉(zhuǎn)染，在植物體內(nèi)表達(dá)我們?cè)O(shè)計(jì)的特殊RNA鏈，翻譯出經(jīng)改造的NLR植物免疫受體，來(lái)增強(qiáng)植物針對(duì)特定病原菌的免疫能力，這就相當(dāng)于給植物注射了疫苗。”負(fù)責(zé)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的濕隊(duì)成員說(shuō)。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，這段受體融合了納米抗體，通過(guò)納米抗體對(duì)病原菌的靶向識(shí)別，能夠精準(zhǔn)高效地激活下游免疫反應(yīng)，幫助植物抵御病原菌，打開(kāi)了為重要的經(jīng)濟(jì)作物度過(guò)易感病的窗口期的新思路。團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了基于AI預(yù)測(cè)抗原抗體結(jié)合的軟件，為拓寬產(chǎn)品的抗病譜提供了可能。
“我們的全新植物外源蛋白遞送系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)目的蛋白較長(zhǎng)時(shí)間遍布在植物全身和規(guī)避傳統(tǒng)的植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)帶來(lái)的長(zhǎng)周期問(wèn)題。”該系統(tǒng)包括兩個(gè)重要組成部分——“卡車頭”和“分身術(shù)”。“卡車頭”模塊是一段有特殊結(jié)構(gòu)的RNA序列，可以幫助RNA鏈在植物維管束中長(zhǎng)距離運(yùn)輸；“分身術(shù)”模塊的靈感源于自擴(kuò)增RNA疫苗，可以幫助RNA進(jìn)行自我復(fù)制擴(kuò)增，提高植物體內(nèi)RNA的量，從而增加目的蛋白的表達(dá)劑量。
為了解析RNA在植物中的存在和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，我們通過(guò)建模預(yù)測(cè)了RNA在植物體內(nèi)的擴(kuò)散速度和半衰期，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種更簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的熒光觀察儀器。負(fù)責(zé)建模預(yù)測(cè)及硬件設(shè)計(jì)的干隊(duì)成員說(shuō)。團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了新的光自殺生物安全模塊，可以通過(guò)光控讓農(nóng)桿菌在發(fā)揮作用后自然清除，規(guī)避了工程菌泄露環(huán)境引發(fā)的安全問(wèn)題。
項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖示
本次項(xiàng)目通過(guò)定向進(jìn)化獲得了農(nóng)桿菌的強(qiáng)組成型啟動(dòng)子。“這是iGEM庫(kù)中第1個(gè)針對(duì)農(nóng)桿菌設(shè)計(jì)的啟動(dòng)子元件，為未來(lái)使用農(nóng)桿菌作為底盤研究植物合成生物學(xué)提供了極大的便利！”這也是ZJU-China團(tuán)隊(duì)能成功蟬聯(lián)iGEM金牌的重要因素。
生物農(nóng)藥應(yīng)用場(chǎng)景及方法
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