UCAS-China Team
Model Group
快来呀~快来呀~
[ 2025 UCAS iGEM
建模组招新]
—— 与其等待，不如来try ——
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欢迎你进入本期推送！
前情提要：iGEM UCAS-China Team开始新一年的招新啦！！
UCAS iGEM 2024 | LANTERN Introduction & Good Luck in Paris!
那么不妨假设点进本期推送的你已经知道了iGEM（国际基因工程机器大赛）的存在，并知道了UCAS-China团队的组成（不知道的话，恭喜你！本期推送给了你打破信息差的契机！点击上方链接总览UCAS-China团队招新事项）
本期推送小编（2023团队建模组组员，2024团队建模组组长）将为大家介绍iGEM竞赛团队中建模组（model组）的工作。
首先，我们强行套用古希腊哲学家苏格拉底提出的人生终极问题——哲学三问来简单介绍建模组。
问：你是谁？
答：与数字、图形、符号、语言打交道的组。
问：从哪里来？
答：成员常来自数学、物理、人工智能、计算机、生物等各专业，欢迎所有对生物和建模感兴趣的同学加入。
问：到哪里去？
答：进入团队中，为合成生物学项目建模，辅助wetlab & drylab。
2024 UCAS-China 建模组所做的工作包括：验证CRISPRi抑制作用，表征逻辑与门特性，利用平台预测常表达启动子效率，计算反应时间等。欢迎阅读2024年wiki网页，更欢迎你来与老成员们交流！
由于“建模”两个字过于笼统，说不清道不明model组在团队中的工作，常常让被iGEM吸引的同学迷惑其存在的意义从而忽略了生物建模的重要性与趣味性……
于是小编将在下文介绍建模组在团队项目中的用武之地，and列举并分析了4份近年来的iGEM优秀建模范例（敲黑板），希望可以让更多人了解iGEM建模（并加入我们！）
注：介绍与分析中充分融入了小编的个人理解，非完全客观准确。如有不清晰或表达有误之处望多多包涵！And欢迎来找小编讨论哈。
——So……What can we do for our project？
假如把整个项目比作建造火车和轨道，让它成功运营。
实验组是火车与轨道的设计师和工程师，
那么建模组能做的工作就是……
分析推导，优化实验设计
——分析车头性状对火车速率有没有影响，圆的和方的车头谁更合适？轨道的宽度有没有影响，多宽最好……将结果反馈给工程师，优化火车和轨道的设计。
依据生物学原理，将反应过程简化并建立数学模型，分析变量对生物反应效率、产率等的影响，验证可行性并优化设计。
e.g. 取材于2018 Vilnius-Lithuania Team（最佳建模奖）建模内容
Wiki直通车：
https://2018.igem.org/Team:Vilnius-Lithuania/Model
简介（正经版）：实验组在design环节认为前加入BamA mRNA会影响膜蛋白聚合体合成速率。为了探究具体关系，建模组依据中心法则建立动力学微分方程，预设系数值，比较仅加入DNA和额外加入表达并被纯化的mRNA的不同情形下，蛋白质的合成速率。这个过程中，该团队使用Fourier Amplitude Sensitivity Test(FAST)，一种敏感性分析的手段，绘图如上。模型表明：系统中同时使用质粒DNA与mRNA（纯化版），可以大大提高蛋白质表达速率，使膜蛋白聚合体形成体系中稳定存在高浓度的BamA，从而我们得到了更好地转录翻译体系。实验组无需通过大量实验来探究mRNA在这部分生物过程中的影响，他们依赖建模组反馈的模型与结论即可确定怎样的体系效率更佳，从而完成实验design的优化。
省流（不专业版）：wetlab猜A对产物蛋白质合成速率有影响，但不知道A有多大影响，进行大量实验成本太大，于是让model组算。Model组通过计算发现，还真有影响。不仅有影响，A越纯速率越大。遂反馈给实验组，实验组即可在后续实验中用纯化的A来提高产物合成速率。
【亮点 ：利用简化且不失准确性的动力学数学模型，将高阶项线性化后对变量进行敏感性分析，为实验组反馈优化设计的建议，同时实验组与建模组共同建立了design-build-test-learn的engineering cycle。】
模拟计算，表征系统特性
——火车发动机是如何运作的？火力和电力谁更合适......通过模拟计算及可视化，反映逻辑原理，阐明系统本质。
与实验操作双线并行，简化与模拟，以数学模型的形式呈现并更清晰地表征某些生物过程的特性。实验组提供第一手数据来改善我们用来构建模型的参数，建模进一步得到的模型为下一阶段实验提供指导，并为实验组提供灵感，或是给出对实验原理更清晰的解释，做到实验与模型紧密结合来呈现出完整的项目。
e.g. 取材于2023 UCAS-China Team（最佳建模奖提名）建模内容
Wiki直通车：
https://2023.igem.wiki/ucas-china/model
简介（正经版）：以基因表达生物原理为背景，建立时域微分方程，计算每一部分传递函数，依据自动控制理论，利用Simulink建立单输入输出控制系统，静态反应输出量GFP蛋白质浓度与诱导物质浓度的变化关系，并动态呈现了发生不同程度诱导后LuxR物质输出量的变化。计算模拟过程中，我们使用wetlab提供的参数值与部分测量值，得到了与实验组结果匹配度较高的数据曲线，利用数学系统模型精确地呈现了输入与输出的关系，最终验证了实验设计的可行性。
省流（不专业版）：wetlab做实验的同时，model组同步将生物过程转化为数学模型，删除实验复杂的步骤，并充分利用已有数据来模拟，直观地呈现回路的特征，“提纲挈领”。在这个基础上，“摆图像讲道理”，为wetlab下一步操作提出建议。
【亮点 ：完美做到将实验和建模相融合，帮助队员更好地理解项目中某部分物质关系和作用原理，并验证了实验设计的合理性与可行性。】
仿真推演，预测重要信息
——火车运行速度是否均匀？行驶会产生多少磨损，有多大的影响......通过计算机仿真模拟，预测各种情形下运行相关数据，有助于设置初始条件、得到与工程师团队一致的结果或从理论角度证明火车如此运行是没问题的。
利用各种经典工具，建立完整系统或对某个部分进行计算机仿真，预测重要信息，如模拟蛋白质结构、计算反应耗时、预测目标分子结合位点、计算最佳反应浓度等，为实验项目提供重要信息，提高精度或可行性等。
e.g. 取材于2024 Heidelberg Team（最佳建模奖）建模内容
Wiki直通车：
https://2024.igem.wiki/heidelberg/model
简介（正经版）：2024年与UCAS-China Team同在基础性进展赛道的海德堡大学队伍，希望用蛋白质等物质来探索DNA之间相互作用的3D结构，故他们的PICasSO项目非常需要通过模拟来预测蛋白质和染色质DNA发生相互作用时的力学特征。与PICasSO相照应，海德堡的团队做了一个可成功运行的DaVinci模型，分为三个部分（如上图所示）。首先利用AlphaFold3工具初步预测了蛋白质静态空间结构。其次用现代分子动力学平台与GROMACS 等工具进行系统动态仿真，预测蛋白质与DNA之间相互作用。第三部分，使用粗粒化仿真工具oxDNA来模拟长程DNA作用，达到优化目标结合位点的作用。建模组从三个视角入手进行模拟预测，借助多种先进工具，建立了较为完备的DaVinci模型体系并成功运用于PICasSO项目，最终有效模拟了PICasSO诱导的DNA相互作用，与实验组结果契合很好。
省流（不专业版）：团队想要知道项目中起作用的蛋白质和染色质DNA之间相互作用的情况，于是与项目PICasSO并行，构建DaVinci工程体系——也就是建模组的核心模型，从多个角度模拟这个相互作用是怎样的。最终PICasSO和DaVinci获取的结果不谋而合，大大促进项目进展。
【亮点 ：与实验组的交互十分默契，从若干重要影响因素入手分类仿真预测，充分利用先进工具得到高精度的结果，且在部分模型中提供有效的可视化，为实验组提供强有力的佐证辅助。（插一嘴：小编私心非常喜欢DaVinci这个名字，Team booth时询问，海德堡团队成员解释名字思路是为了对标项目名称“毕加索”）】
创新建模，搭建实用平台
——协助工程师建立一个稳定的测速仪，未来队伍的工程师只需要将自己的火车放入轨道，那么使用测速仪就可以知道自己的火车通过的速度。
在辅助实验组乃至整个团队的同时，建立创新性模型，使之成为具有实用性的生物工具或平台并适用于遵循类似规律法则的各种情形，方便其他团队学习或使用，为iGEM整个社区作出重大贡献。
e.g. 取材于2024 Waseda-Tokyo Team（最佳建模奖提名）建模内容
Wiki直通车：
https://2024.igem.wiki/waseda-tokyo/model/
简介（正经版）：早稻田大学团队构建Silico Evolution Pipeline，包括三个部分：机器学习进行设计；计算机筛选；人工验证（如上图所示）。用户只需要改变其中的蛋白质便可以使用这项工具来模拟其进化过程。在验证可靠性后整体服务于项目PETase，且对整个过程有详细记录，代码公开，适用于推进蛋白质的设计的各种情形，使得未来的iGEM团队也可以复制利用。
省流（不专业版）：该团队在建模时建立了计算机模拟蛋白质进化的平台，并且任何人都可以使用，输入量为蛋白质，输出量是该蛋白质的进化过程，为其他团队设计蛋白质提供了帮助。
【亮点 ：具有创新性，不仅针对性地辅助了团队项目实验，还搭建了具有实用性的平台，为iGEM社区做出贡献。】
亲爱的同学，如果你坚持看到了这里（划拉到这里的不算），小编认为你做什么事都会成功的。非常感谢你愿意花时间阅读并了解小编眼里的iGEM中的生物建模。
如果这篇推送帮助你对iGEM建模有了更好的理解，my honor（鞠躬）。如果你看完还是感到迷茫而无所适从或是对以上model存疑，欢迎加入招新群联系小编（2023 UCAS-China Team 建模组组员，2024 UCAS-China Team 建模组组长丁心悦），期待我们的讨论与共同学习！
最最最重要的，如果这篇推送让你对生物建模兴趣值提高，或是看完后发现自己颇适合建模，欢迎你加入我们！（扫描下方二维码加入招新群）
在这里，我们可以为你提供的：一些建模技能，一段竞赛经历，一群志同道合的伙伴，一次难忘的团队合作回忆……而我们唯二需要你拥有的，就是对生物的兴趣与对建模的热情。尽管你可能遇到一些小困难，譬如写wiki网页时的小编没有画出满意的图时常常发出感叹：
但是！办法总比困难多！有昔日前辈上阵助力and队友速变乙方牛马（小编开玩笑的，队友之间要团结友爱互帮互助哟）。积极交流，上进学习，你一定会在这里有所收获的！
什么？还有人担心自己做不出好项目？胆怯犹豫不自信？别急：（图内为2024 UCAS-China Team 队长陈卓发言，用图已征得本人同意）
iGEM UCAS 团队是一个big group。九年里，许多优秀的前辈在UCAS-China 的iGEM旅途中留下了许多精彩的项目作品、美好的团队回忆......每一年的项目不仅代表的是这一年队伍成员的心血，还凝聚了学长学姐们的支持与帮助。所以，请不要犹豫与畏惧，自带技能上阵也好，零基础上手也罢，这里有许多前辈和队友指导协助，共同学习新技能，与你携手打造“精品”项目，交流学习，成长进步。
欢迎与我们共同拿起画笔，续写UCAS的iGEM画卷......
综上所述，欢迎加入iGEM UCAS-China Team 的大家庭！（小编尤其欢迎加入建模组嘻嘻）也祝大家未来在这里玩得开心~
Reference:
https://2018.igem.org/Team:Vilnius-Lithuania/Model
https://2023.igem.wiki/ucas-china/model
https://2024.igem.wiki/heidelberg/model
https://2024.igem.wiki/waseda-tokyo/model/
https://2024.igem.wiki/ucas-china/model
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UCAS-China iGEM
iGEM (International Genetically Engineered Machine Competition, 国际遗传工程机器设计大赛)竞赛由MIT创办，一年一届，结合数学、计算机、统计学等多学科，是合成生物学领域的顶级世界比赛。比赛过程中，数十人将组成一个团队，在硬件软件的辅助下，完成设计基因回路、建造遗传机器等科研活动，最终应用于解决实际问题。
中国科学院大学从2016年起，每年组成一支竞赛队伍参与iGEM竞赛。队伍队伍依靠中国科学院生物物理研究所、中国科学院大学生命科学学院的支持，以生物物理所王江云研究员为首要指导老师，成员涵盖生物、化学、计算机、人工智能等专业。自参赛以来,已多次获得金奖。
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文字 | 丁心悦
图片 | 丁心悦 部分来源于网络
编辑 | 丁心悦
封面丨iGEM UCAS-China Team 海报
