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    《新聞周刊》|轉基因新技術CRISPR養活全世界

    2015-05-30 09:20 | 作者: 檸楠 | 標簽: 基因組編輯



    導讀:
    《新聞周刊》最新一期封面文章稱,轉基因技術出現名為CRISPR-Cas9的新突破。CRISPR-Cas9 本是細菌和古細菌在長期演化過程中形成的一種適應性免疫防御,如今科學家可用以精確分析和操控作物基因,在不改變物種本質的情況下提高其產量、營養價值和適應能力。

    內布拉斯加一位玉米種植者望著田間因干旱而發育不良的玉米桿一籌莫展、一位尼日利亞農民從地里挖出干癟的紅薯、一位哥斯達黎加咖啡大戶因咖啡病蟲害讓幾百名工人回家待業。去年春天筆者在紐約種了幾顆櫻桃樹,今年夏天的一個早晨,筆者發現樹上爬滿了日本甲蟲。

    在這個遭受氣候變化和經濟全球化的星球上,這類災害正變得日益普遍:農作物受旱、土地因過度耕種和旱災而退化、漂洋過海的害蟲對毫無防備的莊稼大吃特吃。雖然多年來農學家一直在尋求解決之道,但人口迅速增長使得這些挑戰極為迫切。如果我們不能養活全世界,最終我們將自食其果。

    聯合國及多位專家預計,到2050年全球糧食產量將翻倍,屆時全球人口數量將從目前的70億增至90多億。到2015年還只有35年的時間,而且不會增加新的可耕地。事實上可耕地也許還會減少。比如,美國農業部數據顯示,2002年到2012年的10年間,美國可耕地減少了7300萬英畝(約合4.4億畝)。由于最近幾年來的嚴重旱災,一定有更多耕地拋荒,今后的形勢只會越來越嚴峻。

    不過,解決辦法似乎初露端倪。 2012年,科學家發明了革命性地改變植物基因序列分析、操控方式的新工具。與以往基因修改工具不同的是,這種名為CRISPR-Cas9的新工具十分有針對性,科學家可利用它精準定位單個基因,將其打開或關閉,移除基因或用不同基因替換。初步跡象顯示,該工具與培育新雜交品種的傳統辛苦方式相比就像F-16戰斗機之于石器時代的長矛。生物學家和基因科學家深信它能幫助他們實現第二次綠色革命——如果我們愿意的話。

    “現在我們改寫基因有了極其簡便,迅速和高效的技術,” CRISPR-Cas9發明者之一、加州大學伯克利分校的杜德拉(Jennifer Doudna)在2014年“基因組學創新計劃”(Innovative Genomics Initiative)成立之日如是說。“它能使我們完成以前無法做到的實驗。CRISPR-Cas9工具的速度與簡便對農業具有重大意義:我們能借此培育出更加耐旱的作物,或者增加農作物的收成。研究人員已經興奮不已,相關專業論文已經發表了150多篇,而且發表速度日益加快。

    CRISPR是“規律成簇的間隔短回文重復”英文首字母簡寫,是細菌用以保護自身免受致命病毒和噬菌體傷害的手段?;匚闹貜妥鳛槊庖邞鹪厥羌毦鷱娜肭植《緩椭?、混合的基因代碼,這樣入侵病毒再現時就能夠輕易被認出——與FBI張貼通緝令、往敵人身上噴灑熒光粉如出一轍。

    這種技術還得依賴“向導RNA”的分子與Cas類別的蛋白質支持。目前發現的最有效的Cas蛋白質是Cas9。人們早就知道RNA是DNA傳達信息的載體。在細胞中,Cas9為DNA分子準備好化學交互環境,然后促使RNA找到選中的DNA片段。RNA找到相應片段后引導Cas9進入DNA解開其雙螺旋鏈,根據科學家的化學指令使這部分失去/加強工作能力或者切除所選基因。然后細胞的修復功能又使DNA的雙螺旋結構恢復。

    這一過程可輕易修改植物DNA而不改變其本質——除了變得更為可口、更有營養、更耐旱、上市更快、運輸和機器收割更方便。無論公司大小,整個世界還是與外界隔絕的地區,都可利用CRISPR-Cas9技術。

    在過去,靠碰運氣的作物自然培育過程很費時間。第一次綠色革命之父伯勞格(Norman Borlaug)改良一種小麥品種用了幾乎20年。利用CRISPR-Cas9技術我們可以把培育周期縮短至幾天或幾周。

    個中原因部分在于如今我們能夠以較低成本迅速處理、存儲、比較巨量基因數據,于是科學家對細胞化學和基因的知識迅速增長,更重要的是許多作物的基因組數據庫迅速膨脹。

    理論上我們將對我們所喜愛的作物基因組了解得一清二楚,以至于能夠替換每一個基因?;蚪M分類工作日新月異??八_斯州立大學研究人員已經對小麥21對染色體中的第一個也是最難的染色體進行了排序——一對染色體的復雜程度就遠遠超過整個水稻基因。他們說剩下20對染色體排序可在3年內完成,屆時我們將完全掌握小麥基因組的知識。小麥是全球種植面積第三、蛋白質最豐富的農作物,是最多樣化的食品和烹調原料。

    然后,CRISPR-Cas9技術驚人的靈活性就可派上用場。想法是利用CRISPR過程像換掉一塊樂高積木那樣完全替換作物基因序列一個片段,以改善特定的作物習性。想象一下赤道地帶厄瓜多爾的生長在鹽堿地邊的小麥,與愛荷華州的小麥相比所結麥粒又小又苦。不過把厄瓜多爾小麥部分基因組加入美國小麥,科學家們培育出了既耐鹽堿地,同時又能保證豐富產量的小麥品種。這樣土地干旱、鹽堿的厄瓜多爾和美國都能得到改良品種。

    須知這一過程并不創造新物種。通過利用作物自然雜交的基因微調作物自身基因特性,CRISPR-Cas9幫我們使作物適應新的環境。由于該工具只針對作物DNA的一小段,嚴格說來該作物的品種不變,甚至仍同屬一個基因類型。正如科學家們所見,該技術尊重作物品種在億萬年間的進化能力,同時幫助它加快進化速度以適應今日之環境。

    謹慎和有的放矢是必要的。試驗的早期結果還不能完全預料。 一個公布的數據是成功率80%,對于實驗人員來說,這個數據已經夠了,但還不足以進行商用??赡軙l生“脫靶DNA交互,這種情況下你偶然修改了基因組其他地方一個極其相似的序列,”康奈爾大學Boyce Thompson Institute基因作物培育實驗室主任范艾克(Joyce Van Eck)說道。這在之前的基因工程技術中也是一個大問題。CRISPR-Cas9相對來說很精確,但一些科學家仍心存疑慮。該技術可以得到提高,可研發不同版本的CRISPR-Cas9,或者科學家可發現一種發揮CRISPR-Cas9作用的更加精確的新型酶。

    另一方面,范艾克及其同事證明他們的工作對西紅柿很有用—像動物研究中的小白鼠那樣,西紅柿已成為植物研究中的典型物種。很快他和該領域的專家將努力提高西紅柿的耐寒和抗病蟲害能力。業內取得的其他初步進步還包括一種適應性更強、光合作用更迅速有效的水稻新品種。這意味著只要消費者認可,科學家便可利用CRISPR-Cas9隨意操控水稻,針對水、土壤肥力、溫度等環境因素做出調整,提高水稻的產量、營養價值和適應性。

    生物技術農作物已在全世界普遍種植。美國批準了大約100種農用轉基因作物。作為印度至關重要的經濟作物,棉花已幾乎全部是轉基因,中國則達到90%。全世界80%的大豆為轉基因,玉米為35%。孟加拉正在考慮種植產量翻倍、更耐病蟲害的轉基因茄子。

    不過也有國家猶豫不決。作為玉米發祥地的墨西哥如今必須進口玉米才能滿足本國需求,因為本國活動分子拒不接受轉基因農作物。墨西哥玉米產量低于世界平均水平38%,與90%為耐病蟲害轉基因玉米的美國低三倍。棉鈴蟲、地老虎、貪夜蛾等害蟲在墨西哥農田肆虐,吃掉多達一半的莊稼,農民被迫噴灑成千上萬噸殺蟲劑。

    由于政治原因和民間強烈反對轉基因,歐盟只批準了一種用于動物飼料的轉基因玉米。

    轉基因工作不僅不受一些人欣賞,還引起強烈的對立情緒。拿黃金大米來說吧。它本是一種基本的水稻,只不過修改了基因以自產維生素A,有能力拯救280萬兒童免于失明及挽救其中100萬兒童的生命。然而它卻呆在實驗室束之高閣。綠色和平等環保組織對轉基因聞之色變,他們強烈反對轉基因,去年在菲律賓搗毀了黃金大米試驗田。

    轉基因的安全性得到絕大部分科學家認可。皮尤研究中心最近一次調查顯示,88%的美國科學家認為轉基因技術無害,相比之下普通公眾只有33%這樣認為。美國最高法院近期一項判決認定轉基因苜蓿是安全的。美國農業部反復審查后允許種植轉基因甜菜。迄今為止,若干獨立研究已證明許多轉基因作物作為飼料的效果。2012年,《食品化學毒理》雜志發表了一篇12項長期研究和多代研究分析綜述,得出轉基因作物與非轉基因作物營養成分相當,可以安全用于食品和飼料的結論。獨立組織Biofortified表示,已進行100多項這類研究,尚無一例發現有害結果。

    反轉基因者往往愛提與小白鼠、轉基因玉米和殺蟲劑“農達”(Roundup)有關的兩項科學研究。這兩項研究都是法國科學家Gilles-éric Séralini所做,他發現食用轉基因玉米的小白鼠比控制組的小白鼠更容易夭折。不過最初接受Séralini研究的《食品化學毒理》雜志后來收回了他的論文,Séralini還受到歐洲各大科學與食品安全組織的譴責。Séralini的研究存在諸多問題,其中之一是試驗小白鼠類型更容易患癌——常規條件下80%會長出腫瘤。澳大利亞阿德萊德大學教授馬斯格雷夫(Ian Musgrave)在Séralini的研究被撤銷時向《福布斯》表示,他的研究結果來自疏于控制的實驗中的隨機變量。

    很可能讀者聽說過有效成分為草甘膦的農達。 它是孟山都公司開發多年、在全世界種植者中實現財務獨立循環的第二季組合拳。孟山都生產農達,1996年以后又生產了包括大豆、玉米、苜蓿在內的抗農達種子——這些農作物都是能抵御除草劑的轉基因作物,意味著消除侵害農作物空間的雜草時農作物本身不受損害。這對農戶來說是好事。但孟山都的抗農達種子有陰暗的一面:購買種子的農戶須簽訂協議保證不用種子的收獲物作種子,換句話說,他們必須每年從孟山都購買新種子。這為孟山都帶來了滾滾財源:全球400億美元種子業務三居其一。孟山都農達事件繼續發酵,其中一項擔憂是抗農達農作物的轉基因DNA可能已經污染了非轉基因食品。而且草甘磷可能是健康一大威脅,世界衛生組織將其認定為可能致癌物。

    與此同時,非轉基因受到消費產品品牌的追捧。當然,如果2/3的美國人都認為轉基因有害,那么宣傳自己為非轉基因就有利可圖。地方政府也加以干涉。佛蒙特州如今要求在本州銷售的所有轉基因食品做出轉基因標識。俄勒岡州兩個重要的農業縣禁止本區域內種植轉基因作物。

    不過盡管存在世俗的爭議,美國和其它國家的轉基因開發仍然源源不斷地獲得啟動資金,從風投家到葛蘭素史克、諾華之類的傳統制藥公司均投入巨資研究轉基因的生物醫學應用。

    來源:新浪財經

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