介绍
合成生物学(synthetic biology)是一门新兴的生物领域交叉学科,其以各种基因及遗传元件为基础,结合生物化学、分子生物学、生物工程、信息科学等技术,对自然生物的功能元件、代谢途径进行改造,最终生产出对人类有益的生物工程产物。简而言之,合成生物学就是将自然界生物遗传物质中有用的部分拆出来作为“积木”,进行恰当的构建,最终建造出一台精密的机器。
iGEM全称国际基因工程机器人大赛,是由麻省理工主办的一年一度的全球合成生物学竞赛。作为上海科技大学IGEM团队,我们致力于以更加生动形象、有互动性的形式向公众科普合成生物学领域的内容,而游戏,正是一个合适的载体,能够使更多人能体验、接触到合成生物学。
因此,我们设计了一款基于合成生物学基本框架的我的世界模组,玩家能够在构建工程生物的过程中逐渐了解合成生物学的基本操作流程,以寓教于乐的形式在普通人尤其是青少年中推广合成生物学。
本模组适用版本为1.20.1Fabric。
游戏内容
生物
模式生物——M.coli

现实世界中,在进行合成生物学操作时,我们经常用到被称之为模式生物的一类生物,比如大肠杆菌、酵母等,在本模组中,我们也构建了一种模式生物——M.coli。和大肠杆菌(E.coli)一样,我们可以对其进行质粒的导入,使其获得相关性状,进行诸如铁、金等物质的生产。
M.coli可以在各大群系的树林中找到,通过喂食马铃薯或牛肉能够使其繁殖,这也是我们从现实中得到的启发——现实中的大肠杆菌培养基常含有马铃薯淀粉或牛肉蛋白胨成分。此外,M.coli也可自身进行增殖,游戏中每半天便分裂一次,生成更多的M.coli。
现实中大肠杆菌是使用最广泛的模式生物之一,生物实验常常需要大量的大肠杆菌菌株。在本模组中,M.coli同样是核心生物,在游玩时,请注意寻找、收集M.coli,并使其繁殖或增殖至数量充足。
鳞角腹足蜗牛

在现实中,鳞角腹足蜗牛可以富集环境中的硫铁矿来给自己制造铠甲,从而保护自身。在本模组中,鳞角腹足蜗牛可在丛林等树林群系中找到,通过对其进行基因提取,我们能够获得生产铁矿的基因。
质粒与质粒片段
质粒(plasmid)广泛存在于生物界,其常以环状DNA的形式存在。质粒有各种含遗传信息的片段,称之为基因(gene),而基因又可以细化为很多结构,比如结构基因(编码多肽链)、启动子(启动基因的表达)。在本模组中,质粒上有三个可供编辑的区域,分别是启动子、“基因”与标记基因,分别位于质粒的左侧、上侧以及右下角。三个区域可以是空白的,也可以进行编辑,插入功能片段。不同位置的片段可从形状上进行区分,同一位置不同功能的片段以颜色加以区分。

空白质粒,可见三个可编辑区域
“基因”区域是整个质粒的核心,可供插入的片段有:
空白片段——没有功能的片段
产铁基因——驱动铁的生产
产金基因——驱动金的生产
自愈基因——生物获得自愈能力,其提取物可酿造恢复药水
Taq酶基因——生产Taq酶,用于PCR(质粒的复制)

从左至右:空白片段,产铁基因,产金基因,自愈基因,Taq酶基因
启动子区域控制着“基因”区域的表达,只有当启动子区域含有启动子时,“基因”区域的片段才能发挥作用,当启动子区域为空白片段时,“基因”区域即使有功能片段,也无法生效。

左:不含启动子的质粒 右:含有启动子的质粒
标记基因区域赋予M.coli独特的性状,可用来筛选出成功导入质粒的M.coli,可供插入的片段有:
空白片段——没有功能,但不影响“基因”区域的表达
抗毒片段——使M.coli能够耐受中毒效果,可用剧毒药水进行筛选
GFP片段——使M.coli具有发光效果,清晰地显示出成功导入质粒的M.coli

从左至右:空白片段,抗毒片段,GFP片段
手持质粒对着M.coli右键,该质粒便开始导入M.coli,可观察到M.coli发出粒子效果。当粒子效果消失时,说明导入过程结束。请注意,将质粒导入M.coli时仅有较小的概率成功,有较大概率失败。若成功,则M.coli含有这一质粒,可发挥功能;若失败,则该质粒损失。因此,可以合理地构建质粒,加入标记基因,以筛选出成功导入质粒的M.coli。一个M.coli仅能同时含有一个质粒。
在测序分析仪中,可以从提取物中提取质粒。在生物工作台中,可以将质粒拆分为片段或将片段组装为质粒。
在PCR仪中,可以对质粒或质粒片段进行复制。这些操作将在下方教程中详细描述。
工具与物品
提取器与提取物
提取器的设计借鉴了现实中实验室常用的移液枪。在本模组中,提取器通过铁、玻璃和活塞合成,可用于进行M.coli或其他生物中质粒的提取。手持提取器对含有质粒的M.coli或洞穴蜘蛛、鳞角腹足蜗牛等生物右键,即可获得对应质粒的提取物,可进行后续操作。


提取物的设计借鉴了生物实验常用的离心管的外形,由提取器提取后,可在测序分析仪中进一步加工为对应质粒。请注意,如果M.coli被提取器所提取,该M.coli将会失去其含有的质粒。

Taq酶
在现实中,Taq酶是一种耐高温的DNA聚合酶,可用于在PCR过程中对DNA进行复制。在本模组中,可以将带有启动子+Taq酶基因的质粒导入M.coli中,然后用提取器提取,获得提取物。将该提取物放进酿造台中,下方放入水瓶,即可通过酿造获得Taq酶。

GFP蛋白
GFP,全称为绿色荧光蛋白,在现实中,GFP基因从海洋中的一种水母里提取,表达GFP的细菌能够发出绿色荧光,可用于对细菌的标记与筛选。在本模组中,GFP标记基因片段使M.coli具有发光效果,清晰地显示出成功导入质粒的M.coli,同时,含有该基因的M.coli也有几率掉落GFP蛋白。在本模组中,GFP蛋白被设计成可食用的状态,食用GFP蛋白可获得饱食度,并获得一定时间的发光效果。

功能方块
测序分析仪
测序分析仪可用于从提取物(通过提取器获得)或部分原版物品中获得质粒,可由铁、红石和酿造台合成。
将提取物或部分原版物品放入左侧,点击“Analyze”按钮,即可在右侧获得对应质粒。



除了由提取物获得质粒,还可以分别从荧光墨囊、滨菊、岩浆膏中获得GFP、自愈、Taq酶基因。
生物工作台
生物工作台的设计借鉴了实验室中的生物安全柜,由玻璃,工作台,玻璃瓶和铁块合成,玩家在生物工作台中可以将质粒分解为片段,或将片段合成为质粒。


分解质粒时,请将质粒放在左侧中心的格子里,并按下“break”键(上图);合成质粒时,请分别将启动子、“基因”、标记基因三个区域所用的片段放在实线框上对应的格子里,并按下“synthesize”键(下图)。空白片段可在三个区域通用。


PCR仪
PCR仪的设计借鉴了现实中的PCR仪,其可对质粒或片段进行扩增。PCR仪由铁、红石和箱子合成。


使用时,将质粒或片段放在最左侧的“Plasmid”格子里,将Taq酶放在“Taq”格子里,点击“PCR”按键,等待十几秒即可完成,消耗一个Taq酶,获得双倍数量的质粒或片段。

基本操作
质粒的获取
质粒可通过多种途径获取。
自然生成或人工繁育的M.coli有一定几率携带含有启动子或自愈基因的质粒。
产铁质粒可通过用提取器提取铁傀儡或鳞角腹足蜗牛来获取。
产金质粒可通过用提取器提取炽足兽(Strider)来获取
自愈基因片段可通过在测序分析仪中分析滨菊来获取
Taq酶基因片段可通过在测序分析仪中分析岩浆膏来获取
GFP标记基因可通过在测序分析仪中分析荧光墨囊来获取
抗毒标记基因可通过用提取器提取洞穴蜘蛛来获取
质粒的导入
手持质粒对着M.coli右键,该质粒便开始导入M.coli,可观察到M.coli发出粒子效果。当粒子效果消失时,说明导入过程结束。请注意,将质粒导入M.coli时仅有较小的概率成功,有较大概率失败。若成功,则M.coli含有这一质粒,可发挥功能;若失败,则该质粒损失。因此,可以合理地构建质粒,加入标记基因,以筛选出成功导入质粒的M.coli。一个M.coli仅能同时含有一个质粒。
质粒的提取
手持提取器对含有质粒的M.coli或洞穴蜘蛛、鳞角腹足蜗牛等生物右键,即可获得对应质粒的提取物
提取物的分析
右键打开测序分析仪,将提取物或部分原版物品放入左侧,点击“Analyze”按钮,即可在右侧获得对应质粒。
质粒的大量复制
使用PCR仪,将质粒或片段放在最左侧的“Plasmid”格子里,将Taq酶放在“Taq”格子里,点击“PCR”按键,等待十几秒即可完成,消耗一个Taq酶,获得双倍数量的质粒或片段。
质粒的构建
质粒的构建可在生物工作台中进行。分解质粒时,请将质粒放在左侧中心的格子里,并按下“break”键;合成质粒时,请分别将启动子、“基因”、标记基因三个区域所用的片段放在实线框上对应的格子里,并按下“synthesize”键。空白片段可在三个区域通用。
M.coli的筛选
由于从外观上无法轻易地将成功导入质粒的M.coli区分出来,我们建议您在设计质粒时在,标记基因区域加上抗毒基因或GFP基因。具有抗毒基因的M.coli能够免疫剧毒药水,而不具有抗毒基因的M.coli将会死亡,将M.coli聚集起来,喷上剧毒药水,就能轻松地筛选出成功导入质粒的M.coli。具有GFP基因的M.coli具有发光效果,可以轻易地从M.coli群体中筛选出来。
产物的获取
含有启动子+产金/产铁质粒的M.coli能够生成金粒或铁粒掉落物,含有GFP标记基因的M.coli能够生成GFP掉落物,可以建造水流收集器等收集装置进行收集。
模组反馈与BUG收集
我们将在bilibili上开设模组教程专栏,您可以进行评论,反馈您的游戏体验、所遇到的bug或问题等,我们将在第一时间对模组进行改进。
此外,我们在Mcreator官方网站论坛也设有交流帖子,Mcreator为MC玩家提供了一个简单、快速设计模组的编辑器,欢迎广大玩家体验Mcreator,设计属于自己的我的世界模组!
模组还将在各大我的世界模组平台发布。