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基改生物何以成为人类文明的救星(而且可能已经是)

加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授迈克尔·艾森(Michael Eisen)博士的特约文章

2018年3月16日,星期五

基因改造的悠久历史 

数千年前,人类便开始采集和种植可食用的谷物、水果和根类,并圈养野生动物以获取肉、奶和各种物资。从那时起,人类便一直在根据自身需求和愿望来培育这些动植物。如果将已驯化的作物和畜禽与它们的祖先进行比较——玉米和大刍草、牛和原牛——你就会发现农业是怎样的一场奇迹、人工选择对于物种的改变能力是何等强大。

物种新性状从何而来,如何得以代代相传?我们的祖先对此几乎一无所知;因此,他们能够成功驯化出种类如此丰富的作物和畜禽,实在是了不起。他们当时并不知道,他们青睐的每一种性状都是物种遗传密码发生随机改变——也就是基因变异——的结果,然后再以DNA的形式传给后代。

在农民、牧民、面包师和酿酒师们的干预下,作物和畜禽的外观、口感、生长方式和行为习惯都发生了巨大的变化;但他们看不到的是,数千年的人工选择对这些物种的基因造成的巨大改变,这才是更令人惊叹的。我们如今赖以食用的作物和畜禽,相较它们的祖先,已经经历了数以百万计的单碱基突变,以及基因的增加、缺失、重复和重组,有时甚至整个染色体结构都会发生重大变化。生物学家们认为,由于人工干预极其显著地影响了生物的进化方向,因此,许多被驯化的生物实际上可视为人类自己创造出来的新物种。

由此可见,人类的历史既是农业的历史,也是对植物、动物和微生物进行基因改造的历史;也正因如此,人类才得以战胜数千年来的无数挑战。可以毫不夸张地说,如果我们没有对作物和畜禽进行系统性的基因改造,人类文明便不会存在。

如今,人类正面临着新一轮的艰巨挑战,农业则又一次成为了焦点。我们必须养活不断增长的人口,但如今气候变暖、天气异常,导致农业生产和作物生长难以适应。畜牧业是我们千百年来的重要食物来源,但也很大程度上导致了气候变化、水资源短缺、生物多样性丧失以及森林等生态系统的大规模退化和破坏。因此,人类将不得不迅速转向以植物源为主的饮食模式。

要应对这些挑战,我们必须使用人类所掌握的一切技术工具,包括我们对遗传机制和对有利性状的分子学基础的深入了解,也包括我们如今已拥有的强大的基因编辑工具,可以借此直接修改DNA来生成特定的有利性状,而不用再走漫长的基因随机变异之路。

然而,基因改造虽然一直是农业进步的核心力量,如今却成为了人们争论的话题。作为一名遗传学家,我在日常研究工作中都会使用现代工具修改DNA;我还会向学生传授这类方法,也会探讨与之相关的各种议题。我较为担忧的是,目前对于该技术在农业中的应用充斥着不必要的恐惧,这对于解决气候、粮食安全和环境问题都非常不利。

基因改造——从随机变异到科学把控

人类在远古时期就开始通过有意识的选择性育种来创造新型的基因组,但随着现代分子生物学的发展,如今的育种工艺已变得更加科学,并具备了更高的精准性、针对性、有效性、可预测性和安全性。

首先,我们不再需要依赖随机突变(即代际之间复制和传输遗传物质时出错)来获取有利的新性状,而是可以像用电脑软件处理文档一样编辑基因组,譬如逐个调整DNA的碱基字母,或是在物种内部或物种之间进行基因的剪切、复制和粘贴。

其次,由于我们对动植物重要性状的基因基础愈加了解,而且可以依靠强大的科学工具来认识基因改变在分子和生理层面的后果,因此,基改其实可以做到更加保守和精确。

反对者们认为,当代的农业科学家在扮演造物主,肆意干预自然,后果不堪设想。但事实上,正是因为有了基因工程的诸多工具,人类对于基改的控制水平才有了质的飞跃;相比之下,人类祖先的物种干预才真的是不可预测的基因轮盘赌。古代农牧民们每次用已驯化的动植物繁衍新品种,或是将驯化品种与野生品种杂交,都会给世界带来一个又一个前所未见的全新基因组。要说对物种基因的改变程度和其后果的不可预见性,当年这些随机创造的基改生物都远远大于现代基因工程所进行的针对性改良。而历史上不受控制的基改试验的产物,都会直接进入人类的食品供应体系,过程没有监管,后果不可预知。

当然,这并不意味着如今的改良工艺就是完美的。

我们对生物学的认识依然不完整,即便是经过深思熟虑的精准改良也未必能达到预期的效果,有时甚至会导致意想不到的后果。但我们如今要准备养活100亿人口,迫切需要继续改良人类赖以食用的物种,同时还要将农业对气候的影响降到最低。充分利用现代遗传技术是我们的必然选择。其实,如何创造出带有新型基因组的生物已经不是问题了,问题是我们要创造什么,以及创造出的产品如何造福人类。

医药和食品中的微生物改良

虽然现代基因改造技术在应用(而非科研)层面上以农作物改良最为人熟知,但其历史起点却是微生物改造,而且带来的医学进步可谓立竿见影,一大批患者的生命因此得以挽回。

目前美国有三百万人患有1型糖尿病,患者的身体停止分泌一种必要激素——胰岛素。这曾是一种致命疾病。直到20世纪初,加拿大研究人员发现,每天注射从猪体内分离提纯的胰岛素,可以有效控制病情。(opens in a new tab)虽然这种方法能让患者活下来,但猪源胰岛素并不能完美替代人体胰岛素,而且经常导致免疫反应。

20世纪70年代末,卡利佛尼亚 (加州)一家生物技术初创公司的研究人员合成了一种携带人类胰岛素基因的大肠杆菌,从而成功生产出人类胰岛素,供患者注射(opens in a new tab)。这种重组人胰岛素比猪胰岛素更加安全、可靠和有效,为美国每年新增确诊的逾10万名1型糖尿病儿童和青少年患者(opens in a new tab)带来了极大的福音。如今,已有数十种能够救命的药物和疫苗都用转基因细菌和酵母菌生产,用于预防或治疗心脏病、癌症、关节炎和重度感染。

这种工艺现在也越来越多地用于生产食品中的蛋白质。最显著的一个例子是可以通过凝结鲜奶来生产奶酪的凝乳酶(chymosin)。这种酶常见于哺乳动物幼崽的胃中,由于具有凝乳能力,有助于从母乳中提取营养素。以往,奶酪制造使用的凝乳酶取自皱胃酶,从小牛犊胃内抽取物提炼而成。但随着奶酪需求的增长,生产商需要一种更为安全、标准、经济的皱胃酶替代品。

约25年前,欧洲科学家受到重组胰岛素成功的启发,在酵母细胞中引入了含牛凝乳酶编码的基因,这使得酵母能够制出凝乳酶,提取纯化后可用于奶酪制作。这种通过发酵生产的凝乳酶(fermentation-produced chymosin, FPC)是美国食品药品监督管理局批准用于食品的首个重组蛋白;如今,全世界约一半的奶酪都使用FPC生产(opens in a new tab),而不必从小牛胃中提取凝乳酶,世界也因此更美好了一点。 

从奶酪到肉类

Impossible Foods几年前成立时的初衷也是为了战胜类似的挑战。我这些年来一直担任该公司的顾问。Impossible Foods的愿景是通过消除对动物养殖业的依赖来应对气候变化,因为畜牧业是最具环境破坏力的人类活动,也是温室气体的主要来源之一。他们的使命是通过食品技术从植物中发掘有效成分,用于再现肉、鱼、乳、蛋等动物源食品的复杂口感、味道和外观,从而取代动物源食品。

他们推出的首款产品 The Impossible Burger 的原料几乎都是常见的作物,包括小麦、玉米、大豆、椰子和马铃薯。但是,生肉的血腥味和熟肉浓郁的鲜味和香气都来自于血红素,而获取血红素并不容易。肉类中血红素主要来自一种蛋白质——肌红蛋白(myoglobin),而经研究发现大豆其实也会产生一种功能相同的蛋白质——豆血红蛋白(leghemoglobin),但它只存在于大豆根部;如果要挖根制取,不但难度大、成本高,而且对土壤也有害。

因此,Impossible Foods 的科学家们改造了一种酵母来制造豆血红蛋白。像凝乳酶一样,他们在类似于啤酒厂用的发酵罐中培育这种酵母,但目的不是酿酒,而是以较低成本制出大量的豆血红蛋白,生产性价比高的植物源汉堡肉饼。

要是你不喜欢基因工程,你可能会说我们不需要植物肉。人们可以依靠其他植物源食品过上完全健康幸福的生活,许多人也的确是这样做的。然而,各种肉食仍是全球饮食结构中的重要元素,即便人们已经意识到食肉会影响环境,全球肉类消费量却依然只增不减。

若能提供由植物制成、又对消费者具有同样吸引力的产品来替代动物肉,将极大缓解全球变暖,并降低动物养殖业给环境带来的其他负面影响。但要造出这样的产品,就需要大量的血红素;而要获得血红素,就需要基因工程。

相比传统牛肉汉堡,用豆血红蛋白制成的 Impossible Burgers可以减少87%的温室气体排放、95%的土地使用和75%的水资源消耗;因此,对地球和人类而言,放弃这一技术将是极度不负责任的做法。

基因工程打造健康地球

虽然我认为人们大可不必大可不必恐惧基改生物,但我也明白他们对基改生物有疑问和关切。新的工具让工艺更为高效和精确,也令其更加强大。即便是像我这样每天都在操控DNA的科学家,也时时惊叹于我们改变生命内在结构的能力。

长期以来,人类都在利用强大的新技术来提升生活品质,但滥用技术者也并不鲜见;有太多唯利是图的人利用技术让自己赚得盆满钵满,却让人类和地球付出了健康与安全的代价。因此,科学家们不能靠轻飘飘一句“别担心,相信我们”来息事宁人。

确实,任何技术的使用或滥用都会带来风险,基因工程也不例外。但当气候变化、环境破坏以及粮食和营养不安全已经威胁人类生存时,若无端地摈弃现代生物技术的进步成果,只会将人类置于更危险的境地。

要想让基因工程造福人类,我们必须先赢得公众的信任。首先要保证公开透明,即如实阐明我们正在做什么,以及为什么要这样做。这就要求所有生物科技从业人员和机构扪心自问:我们的方向是否正确?同时,我们还需要普及相关的教育,也需要积极聆听批评者的意见,并与之真诚交流。

六年前我接受 Impossible Foods 的邀请,成为该公司的科学顾问,因为我认同他们的使命。在食品生产领域进行创新,是科学家帮助解决当今全球问题的最佳方式之一。以负责任的方式使用生物技术造福地球和全人类, Impossible Foods堪称行业典范。

迈克尔·艾森博士是加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授、霍华德休斯医学研究所研究员,以及公共科学图书馆(Public Library of Science)学术平台的联合创始人。他也是Impossible Foods公司的顾问兼股东。他本科毕业于哈佛大学数学专业,博士毕业于哈佛大学生物物理学专业,1996至2000年在斯坦福大学帕特里克·O·卜朗教授(Impossible Foods 的首席执行官和创始人)的实验室从事博士后研究工作。自2000年以来,Eisen博士一直在加州大学伯克利分校教授遗传学,并主管实验室,研究动物基因组在发展过程中的空间模式编码。

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