原文：Dubé S, Orr D, Dempsey B, et al. A synthetic biology approach to integrative high school STEM training[J]. Nature biotechnology, 2017, 35(6): 591.

以合成生物学为基础的团体活动为STEM教育（科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics））提供了机会，同时降低了高中生对科学职业兴趣的门槛。

合成生物学的主要目的是将工程原理应用于生物系统，从而产生一种预期的特性或行为。由科学家社区创建的模块化和可互换的标准生物元件(例如编码特定蛋白质的DNA序列)是公开可用的(http://parts.igem.org/Catalog)，可用于分层设计生物器件和系统。这种工程生物学的动态方法在生物医学工程、环境修复和生物燃料生产等具有重要经济意义和多样化的领域具有应用价值。

也许合成生物学最成功的商业案例是酵母中青蒿酸(抗疟疾药物青蒿素的前体)生物合成。赛诺菲(巴黎)制药公司目前正使用这种技术生产以青蒿素为基础的联合疗法(ACT)，其模式是无利润不亏损。考虑到2013年，近2亿疟疾病例和估计有58.4万人死于疟疾。合成生物学应用的潜在健康和人道主义影响是显而易见的。

国际基因工程机器(iGEM)竞赛最初是2003年1月在麻省理工学院(MIT)举办的一项为期一个月的课程，旨在回答生物系统是否可以用简单和可互换的元件。2004年夏季5支队伍的竞争产生50个标准化的DNA元件，称为“生物砖（BioBricks）”，这个竞赛在过去的十年中不断增长，2016年已超过250个团队，来自40多个国家，超过4400人，在注册表中记录标准的生物部件总共有超过20000个“生物砖”。这些团队对各种各样的问题进行了高质量的科学研究，其成果在全球范围内得到展示。因此，本科生研究已成为合成生物学研究和培养生态系统的一个组成部分。

图1

iGEM在本科生阶段的成功可以归因于几个因素，包括使用标准的生物元件和协议(例如，开放的元件)；学生对同辈科学家群体的归属感，以及主要由学生主导的项目主题和研究。由于这次的成功，2011年又增设了一项高中iGEM竞赛，并于2015年作为一个专门的项目整合到主竞赛中。考虑到生物技术的快速发展，iGEM在高中提供了一个独特的机会，让学生在关键时刻参与到他们的教育和职业选择中来，为他们提供在合成生物学的许多实践经验。然而，尽管合成生物学的支持者倡导便宜、开源的、免费即插即用生物学，对高中iGEM团队来说仍存在许多挑战，和本科生相比，高中iGEM一直相对缓慢的增长(图1)。不过，高中学生和他们的老师在合成生物学项目中的参与，增加了公众和社区对科学、科学实践、技术、工程和数学(STEM；science， hands-on science， technology， engineering and mathematics)培训的兴趣；使他们能够就STEM职业做出明智的决定，并为大学和研究实验室招聘熟练的学生科学家，特别是那些拥有高中iGEM团队的学生。

在这里，我们讨论了在加拿大阿尔伯塔省莱斯布里奇市多所高中iGEM团队的经验。我们亦探讨iGEM比赛的趋势如何与现行中学课程紧密结合，高中iGEM团队发展所面临的挑战，以及解决这些挑战的潜在方案。

合成生物学与STEM教育和高中课程的整合

合成生物学的多学科集合性为高中生创造了一个很好的学习机会，通过结合生物学、化学、计算机科学、数学和社会研究的各个方面。因此，我们认为，将合成生物学纳入高中课程可以为学生提供一个动态的培训环境和教育工具，让学生探索该领域的科学、伦理、法律和社会影响。

阿尔伯塔省的高中课程概述了科学研究的四个一般基础。这些类别包括(i)科学、技术和社会(STS)、(ii)知识、(iii)技能和(iv)态度(图2)。每一大类都有特定的目标，以加强学生的学习、科学认知，以及为日后的教育和职业生涯做准备。根据我们与高中生合作的经验，大多数高中通常时间和资源有限而无法实现这些基础目标，而iGEM项目提供了一个特殊的机会。例如，STS的目标直接与iGEM的政策和实践方面相一致(http://igem.org/human_practices)，鼓励学生批判性地评估自己的合成生物学项目如何影响社会和环境。图2展示了高中课程主题如何与当前合成生物学研究相结合。

图2

对教与学科学方法的研究一再表明，以研究为基础的方法优于传统方法的好处，尤其是当学生对自己的项目有一种主人翁感时。最近一项关于本科生研究经历的综述也强调了全面研究经历的必要性；学生们从积极参与和反思研究过程的许多方面——从文献综述到计划实验，再到解释结果——获益最大，而不仅仅是建立实验或协助收集数据。

参与iGEM使学生能够体验科学努力的完整过程。高中iGEM项目，由学生自己选择，通常一开始会识别有意义的问题或挑战，解决合成生物学问题。例如，如果学生关心他们可以为他们的iGEM项目制造一个细菌中的重金属传感器。为了做到这一点，他们可以在标准元件的iGEM注册表中查找在特定重金属存在时启动的启动子，以及荧光蛋白等报告因子。这些标准元件，可使用简单的分子生物学技术标准“剪切和粘贴”，这样，当细胞在一个特定的重金属情况下，启动一种蛋白质的表达从而产生变化颜色的细胞。然后，他们可以在这个基本传感器的基础上建立一个系统，利用这个系统，他们可以量化不同数量的重金属，甚至在检测到这些重金属时将其隔离。模块化和可互换的概念类似于基于乐高玩具（LEGO）的机器人构建竞赛。根据我们的经验，高中iGEM团队的成就主要不受他们对潜在分子生物学细节的知识、能力或创造力的限制，而是受时间和资源的限制。

大学阶段的iGEM已证明对学生的学习有积极的影响，这是学生研究经历的重要组成部分。我们相信这些好处也适用于高中iGEM。调查显示，许多大学成员在参加iGEM后改变了职业计划，在iGEM的早期经历将使学生接触到独特和令人兴奋的机会，这些机会可能会影响他们未来的教育和职业选择。此外，在高中参加iGEM，学生将自信地进入高等教育。当然，高中iGEM项目面临着独特的挑战。

组织高中iGEM团队的经验和挑战

莱斯布里奇大学的iGEM (University of Lethbridge collegiate iGEM)团队在2012年发起了一个全市范围内的多所高中的iGEM团队，从那以后，该大学每年都会提供实验室和会议空间来接待高中iGEM团队。每年，团队的发展都是在当地六所高中中招对此感兴趣的学生。以前的团队成员每年都会回到他们的高中，在相关的科学和非科学课程上通过简短的谈话分享他们的个人经验，并为加入团队做广告。每年都会通过一份基于文章的申请，从9-12年级选出20-25名学生组成的小组。图3显示了高中iGEM团队的时间概览。

图3

培训和项目开发

因为很多中学生没有必要的知识背景来理解细节，因此需要从大学或高中招募团队校友等熟悉合成生物学的基本知识的导师和顾问，通过互动课堂演示、实验室教程和团队建设。这对于打破导师和高中生之间的隔阂以及培养团队友谊都很重要。在此之后，项目的选择开始于头脑风暴、与导师的小组讨论、项目提案的创建和审查，以及演示文稿。这些小组活动为学生提供了一个讨论和反思进展和挑战的机会，包括他们具体的iGEM项目，以及他们对基础科学的知识和理解。这提供了一个框架，通过这个框架，学生能够指导他们自己的学习和理解，以及他们团队的iGEM项目的方向。

根据我们的经验，观看前几年的iGEM演示文稿(可以从http://www.igem.org获得)是一个很好的开始。以前的学生项目想法包括环境问题(海水淡化、氯氟烃降解)、健康(糖尿病、癌症检测)和农业(安全农药)。2013年，莱斯布里奇高中(Lethbridge high school)的iGEM团队决定设计一种细菌，让催产素附着在载体分子神经物理素I上。该项目为该团队赢得了2013年波士顿高中iGEM竞赛的绿砖奖(GreenBrick trophy)。其他赢得高中iGEM竞赛的项目包括检测食用油污染物的传感器系统和紫外线辐射探测器。

省内外合成生物学技术研讨会

除了培训莱斯布里奇高中iGEM团队，莱斯布里奇大学已开始为所有中学队提供合成生物学研讨会，由省级资助机构(Alberta Innovates and MindFuel)、阿尔伯塔省RNA研究和培训机构，以及本科和研究生志愿者。团队在周末聚在一起，了解合成生物学原理和技术的基础知识，包括重组DNA技术、该领域的当代问题，以及着手在实验室对限制性消化、转化、感受态细胞制备和PCR等程序的培训。各小组还能够在讲习班期间从事自己的项目，在讲习班期间，他们可以获得他们通常在当地中学所没有的设备和专门知识。这些研讨会为没有直接指导的团队提供了与当地专家互动的机会，这些专家可以就iGEM经验的各个方面提供建议。此外，这是与该省其他小组进行接触并促进实践社区发展的一个主要机会。这种方法具有很高的成本效益和效率，因为它为大量高中生(2015年超过80名)提供了实践经验，并培训教师，使他们能够吸引未来的学生，并在未来几年发展该项目。

Wiki、策略和实践

除了与实验室相关的工作之外，iGEM竞赛还要求包括团队wiki的设计和开发，以及策略和实践项目。iGEM Wiki是一个描述与项目相关的所有团队活动的网站，使用HTML和CSS和JavaScript元素进行编码。wiki的编程完全是由学生主导的，对于更高级的学生来说，这是一个很好的机会来指导感兴趣的初学者。该项目的政策和实践部分鼓励学生研究他们的合成生物学项目的伦理和社会影响。主要目标是创建全面的iGEM项目和科学家，将不同的视角——环境、社会、伦理和法律——整合到他们新的合成生物学技术的设计和开发过程中。特别重要的是，让学生们认识到，任何一种技术开发出来都会产生社会影响。以前的Lethbridge iGEM团队采访了当地的医生、农民、教师、养蜂人和水处理工人，推动当地规章制度的改革，并制作了教育视频。在完成了最初的项目选择和培训之后，团队会议可以分为多个小组会议，讨论特定的项目组件(例如，wet lab规划、wiki设计和创建、策略和实践)。学生可以选择参加一个或几个不同的兴趣领域。这些子组通常每周与一个或多个导师会面，以计划和执行iGEM项目的特定领域。

材料和设备

根据我们的经验，高中合成生物学项目的一个主要挑战是供应、材料、设备和资金的可用性。iGEM团队至少需要配备生物安全一级实验室(包括EP管、离心机、冷冻库、电泳和培养箱)、化学和分子生物学试剂以及一次性用品(针尖、手套、试管)。有许多论坛、博客和wiki为各种设备的组装提供了免费的指导。阿尔伯塔省的许多高中团队已经建造了实验室设备，包括的微型离心机、培养箱和加热灯。这种创新体现了为高中生提供STEM综合培训的精神，并扩大了重要的资金投入。为了克服资金方面的挑战，Lethbridge iGEM团队从各种各样的商业、政府和私人渠道募集资金和资源。在阿尔伯塔省，geekStarter项目为科学教育提供了宝贵的支持，为高中和大学团队提供资金、研讨会和合成生物学专家。科学用品公司可以作为实物捐赠的来源，提供酶、试剂和塑料一次性用品。当地电台和电视台的报道、宣传节目和辩论、与当地领导人的会晤，以及一般情况下在直接课堂之外的积极参与，不仅对提高公众对iGEM和合成生物学的认识至关重要，而且对作为领导者的参与者本身也是至关重要的。像iGEM这样的合成生物学挑战的竞争和团队方面是一个非常强大的工具，因为即使对不喜欢科学的个人来说，它也是非常相关的，因为它与体育比赛类似。但这种类比甚至更进一步，因为它还允许筹款和赞助，这反过来涉及高中课程的社会方面。

对于一个新兴的合成生物学项目团队来说，想要和他们的项目竞争的主要挑战之一就是注册费。然而，近年来，一些基于合成生物学的团队竞赛已经出现，并丰富了这个空间与低成本的替代iGEM竞赛。图4概述了组织高中iGEM团队所涉及的主要挑战。

图4

评估影响

为了确定艾伯塔省的iGEM项目是否成功地发展了学生的STEM技能，同时增加了艾伯塔省课程的目标，并吸引了年轻的科学家，来自阿尔伯塔省参与我们调查了在2014/15赛季的竞赛的高中iGEM学生。这项调查的主要目标是确定(i)学生是否参与iGEM增强了阿尔伯塔省科学课程目标的基础，(2)学生觉得他们是否参与iGEM影响他们的教育和职业目标，和(3)学生对iGEM的感受。该调查的回复率为40%(2014/15年，阿尔伯塔省60名参加iGEM高中的学生中有24人接受了调查)。在调查中，我们提出了与阿尔伯塔省科学教育课程基础相关的问题。在这些问题中，平均有90%的学生报告说，他们对iGEM的参与提高了他们对与这些基础有关的科学方面的理解或兴趣(态度，92%；知识，90%；STS，96%；技能，89%)。接受调查的学生还表示，他们认为iGEM的参与将改善他们在学校的科学课程经验(92%的受访者)，并增加了他们追求科学职业的兴趣(75%的受访者)。这可以解释为一个迹象，iGEM在高中水平确实影响了参与阿尔伯塔省高中生的教育和职业目标。如前所述，莱斯布里奇大学主办的高中iGEM团队的导师是以前高中或大学iGEM团队的校友。这为有兴趣的学生提供了各种机会，让他们在毕业后或在大学iGEM的第一年之后担任高中项目的领导角色。这不仅使学生获得教学和辅导经验，而且也在iGEM项目中创建了一种社区意识。与此一致的是，来自莱斯布里奇大学(University of Lethbridge)和高中iGEM团队的大多数受访学生表示，他们觉得自己是iGEM社区的一部分(83%的受访者)。大多数学生还表示，他们希望参加大学级别的iGEM(79%的受访者)和/或他们希望成为高中的iGEM导师(58%的受访者)。

总的来说，学生们报告说他们很享受在iGEM项目中学习的经历(100%的受访者)，并且他们受到了挑战(87.5%的受访者)。例如，一名学生报告说:“作为团队的一员，我认识了许多新朋友，并与行业建立了联系。我通过这个项目认识了我最亲密的朋友，”他补充说，“在实验室里度过了许多漫长的夜晚，我明白了承担如此大的项目是多么困难。“科学是具有挑战性的——科学家经常面临许多挫折，包括技术和财务障碍，而这些正是iGEM学生面临的挑战。这样的实践经验使学生能够尽早学会如何应对这些挑战，也为他们提供了一个现实的概念，即参与研究意味着什么。综上所述，大多数(88%)的受访学生认为iGEM项目的学习既有趣又富有挑战性，这说明了它对培养年轻科学家的潜力。

结论

合成生物学是一个新兴的领域，为有志于STEM职业道路的学生提供了良好的培训环境。由于合成生物学具有重大的社会、环境和经济意义，因此必须尽早为感兴趣的学生提供教育机会。我们分享我们举办莱斯布里奇市高中团队的经验，目的是让中学生更容易接触到合成生物学。由于合成生物学的多学科性质，特别是iGEM竞赛，它提供了一个良好的培训环境，同时也很好地结合了当前的中学课程。然而，在基础设施、导师和资金需要一个成功的中学合成生物学团队的创造性解决方案。因为iGEM高中的学生和基于社区的同行们朝着一个共同的目标，我们相信这个项目给学生先前确定的研究经历以及工具来开发他们的身份作为科学家和信心在他们的抑制能力和知识，使他们能够做出明智的职业选择。