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基因改造生物如何拯救文明(而且很可能已經做到)

Michael Eisen 博士的嘉賓貼文;作者為柏克萊加州大學的分子與細胞生物學教授

Blue hand grabbing green plant with roots out of the ground in a light blue background.

基因改造的悠長歷史

數千年前,人類便開始收集及栽種可食用的穀物、水果和根莖類蔬菜,並開始將野生動物關進畜欄,以提供肉類、奶和各類物資。從那時起,我們便一直改造這些動植物,以滿足我們的需要和渴求。要是比較一下玉米和它的祖先大芻草、家牛及其遠古近親原牛,或者將任何其他農作物和家畜,跟其野生近親進行比較,您將發現人類農業的輝煌故事,並了解到人工選擇蘊含的強大轉化力量。

人類祖先成功培育出現代的馴化動物和人工培養植物,帶來如此豐饒的物產,實在是一項更偉大的成就——尤其是考慮到他們對新基因特徵的起源或其代代相傳的方式認知近乎為零。他們並不知道自己所偏好的每項基因特徵,都經歷了一次或多次物種遺傳密碼的隨機改造——亦即基因突變——而悄悄崛起,並以 DNA 形式傳給後代。

在農夫、牧人、烘焙師傅和釀酒師毫不知情的情況下,他們的行動大幅改變了人工培養植物和馴化動物的外觀、味道、生長情況與行為,而數千年來的人工選擇,更促使這些物種的基因組成產生了翻天覆地的變化。遺傳密碼的密碼子出現了多達數百萬項單一變化,加上個別基因的增長、損失、複製和重組,有時更可能出現整個染色體結構的重大變化,導致我們賴以提供糧食的人工培養植物和馴化動物,與它們的祖先區分開來。人類干預對進化影響極深,以至生物學家更將許多人工培養生物,視為純由我們創造的全新物種。

因此,人類歷史既等同農業歷史,也等同動植物和微生物的基因改造歷史——這讓人類克服了上千年來的種種障礙。可以肯定的說,沒有了對農作物與家畜的系統化基因改造,人類文明將不復存在。

如今人類正面臨一系列全新挑戰,農業再次置身於風口浪尖。我們必須滿足隨著人口增長而來的糧食需求,然而農夫和農作物卻苦於適應氣候變暖和天氣異常帶來的變化。家畜是人類上千年來其中一種最重要的糧食來源,卻也是氣候變化、水資源短缺、生態多樣性下降,以及森林和其他生態系統大面積衰退和受破壞的罪魁禍首——這迫使我們迅速行動,採用以植物為主的飲食方式。

為解決這些難題,我們必須用盡手頭上的科技工具。當中包括我們對畜牧業機制和有利於人類之基因特徵分子基礎的深厚認知,以及讓我們修改 DNA 以產生個別具價值之基因特徵的強效新工具,而非靜待基因突變隨機促成這些變化。

不過,在歷史中促進農業發展佔主導地位的基因改造程序,卻引起了極大爭議。身為一名遺傳學家,我每天都利用修改 DNA 的現代工具來進行研究,也會教導學生相關方法及圍繞它們產生的問題,我很擔心對於基因改造在農業中應用的錯誤恐懼,會窒礙我們解決氣候變化、糧食供應不足和自然環境衰壞所作出的努力。

從隨機到受控制的基因改造

透過緩慢的選拔育種來創造新基因組,是遠古人類的做法,隨著現代分子生物學在近年來取得的進步,這個過程變得更加準確集中和可預測,也更有效和更安全。

首先,我們不再須依賴隨機基因突變(跨代複製及傳輸遺傳物質時出錯的產物),作為有利新基因特徵的源頭。取而代之的是,我們可以編輯基因組,方法類同文書處理器,可每次調整一個 DNA 密碼子,或根據所需在一個物種中或不同物種之間裁剪、複製及貼上基因編碼。

其次,隨著我們對動植物重要基因特徵的遺傳基礎認識日深,加上協助了解在分子與生理層面之改變後果的先進工具,我們對所引入的基因改造,其實可以拿捏得更保守和精準。

對基因工程的質疑意見認為,當代農業科學家正試圖扮演上帝的角色——以危險方式搞亂大自然,並可能帶來未知後果。但事實上,這些新工具賦予我們的控制能力反映,我們的祖先才是玩基因輪盤這個不可預測遊戲的始作俑者。每當古時候的農夫和牧人繁殖人工培養或馴化的動植物時,或者使其與野生物種雜交時,他們都為地球創造了一種全新的基因組。這些隨機產生的基因改造生物與其先祖有所不同,這些物種更為優秀,而後果則較現代的緩慢的基因工程產物更難預測。這些不受控制的基因試驗產物,隨即被引進至糧食供應中,而不論後果為何,也沒有任何監管。

相反,現今的基因改造生物可謂成功而不張揚。當中涉及的 DNA 變化,較人類歷史上的做法更為細微保守,同時也經過嚴格控制與審慎考慮。

這不代表過程是完美無瑕的。

我們對生物學的認知並不全面,即使是緩慢而準確的變化,也可能造成意料之外的後果,或更甚者,無法實現心目中的正面效果。但鑒於持續改善食物物種,以餵飽百億人口的需要迫在眉睫——同時還要將農業對氣候的影響減至最少——充分運用現代的基因技術優勢乃理所當然之舉。重點不在於我們如何創造有新基因組的生物,而是我們的創造成果,以及它為人類帶來的裨益。

醫藥與糧食上的基因工程改造微生物

雖然現代工業用基因改造(相對於研究而言)一般使用於農作物,但是最初卻是應用於微生物上,並幾乎立即為醫藥帶來可挽救生命的重大變革。

有三百萬名美國人患有第 1 型糖尿病,患者的身體會停止製造必要的荷爾蒙:胰島素。第 1 型糖尿病直至 1900 年代早期本可致命,但加拿大研究者證實,可透過每日注射自豬隻身上淨化而來的胰島素,從而做到管理病情(opens in a new tab)。儘管能讓人保住性命,但是豬胰島素始終不是人類胰島素的完美替代品,還經常會引起免疫反應。

及至上世紀 70 年代末,某間加州小型生物科技初創企業的研究人員,成功以基因工程技術產生出一個大腸桿菌菌株,這種細菌攜有人類胰島素的基因,使該細菌能產生供糖尿病患者注射的胰島素(opens in a new tab)。這種基因重組的人類胰島素比豬胰島素更安全可靠和有效,並取得了改變生命的重大積極影響,每年挽救了超過 10 萬名患有第 1 型糖尿病的兒童和青少年的性命(opens in a new tab)。如今,憑藉基因改造細菌和酵母,有數十種可挽救生命的藥物與疫苗得以面世——用於預防或治療心臟病、癌症、關節炎和嚴重感染症狀。

相同程序的使用日漸頻繁,用於生產食物中的蛋白質。最著名的例子是凝乳酶,即用於將奶凝固以製造芝士的酶。凝乳酶可於哺乳類動物幼體的胃部中找到,其凝乳作用可促進從母乳攝取營養。傳統上,芝士製造商會透過牛犢胃內膜來提取凝乳酶,即從屠宰幼牛的胃部提取凝固乳。但隨著芝士需求日增,他們需要更安全、更持續和更高成本效益的替代品,來取代牛犢胃內膜。

超過 25 年前,受基因重組胰島素的成功案例啟發,歐洲科學家將牛凝乳酶的遺傳密碼引進至酵母細胞中,讓酵母產生凝乳酶,以便提取及淨化作生產芝士之用。發酵產凝乳酶 (FPC) 是首種獲美國食品及藥物管理局批准用於食物中的基因重組蛋白質。時至今日,全球約 50% 的芝士均以 FPC(opens in a new tab),而非取自幼牛胃部的蛋白質,世界因而受惠其中。

從芝士到肉類

幾年前,Impossible Foods(我從該公司創辦起便為其提供顧問諮詢)面臨了類似的挑戰。Impossible Foods 的創立原因是希望透過消除畜牧業的需要,從而解決氣候變化的問題;畜牧業正是對環境破壞最大的人類活動,也是溫室氣體的主要來源,是全球變暖的主因之一。該公司的使命是藉植物取代動物來製作食物的科技,找出植物中的成分,用來重現動物肉、魚、奶製品、蛋和其他取自動物身上之傳統食物的複雜質感、味道和外觀。

他們的第一款產品:Impossible 植物牛肉,幾乎全以常見農作物製成,包括小麥、玉米、大豆、椰子和馬鈴薯。但其中一種關鍵成分:血紅素,即賦予生肉其血腥味道,以及在烹調時賦予肉類其肉味與肉香的分子,卻不容易取得。肉類中血紅素的主要來源是名為肌紅蛋白的蛋白質。後來發現,大豆中有一種名為大豆血紅蛋白的蛋白質,其功能完全相同。不幸的是,該蛋白質產自根莖,而挖出大豆根莖卻非易事,成本高昂之餘,還會對土壤造成損害。

因此 Impossible Foods 的科學家利用基因工程技術,生產出一種能製造大豆血紅蛋白的酵母。如同凝乳酶那樣,他們在釀酒廠中的那種發酵罐內培育這種酵母,但目的卻不是釀造啤酒,而是取得大量大豆血紅蛋白,成本足以讓他們以具競爭力的價錢售賣漢堡扒。

如果您不喜歡基因工程的話,您大概會爭辯指,我們並不需要植物肉。人類可以進食其他植物類食品,過上健康快樂的生活(許多人確實如此)。然而肉類(以不同形態)佔據了全球飲食的重要席位,哪怕人們意識到肉食對環境帶來的影響,全球消耗量依然不跌反

以植物製作動物肉替代品,對消費者來說吸引力相同,此舉將大幅減慢全球暖化,並抵銷動物農業所帶來的其他負面環境影響。但要做到這一點,就需要許多血紅素;而要取得血紅素,則需要基因工程。

由於以大豆血紅蛋白製成的 Impossible 植物牛肉,相比起傳統牛肉所產生的溫室氣體少 87%、佔用的土地少 95% 和用水量少 75%,要是不大力支持這條道路,將會是對地球及人類極不負責任之舉。

基因工程帶來更健康的地球

雖然我深信對現有基因改造生物的恐懼大部分是錯誤的,但是我亦明白人們對基因改造生物確實存有疑問和憂慮。隨著新工具的發明,這個過程變得更有效、更精準,同時也產生了更大影響力。即使對於像我這樣每日操縱 DNA 的科學家來說,人類以基因工程改變生命的能力,仍令我震驚不已。

人類在善用強大新科技來改善生活質素方面由來已久,但也有些人以不負責任的方式來利用這些技術。在凡事追求盈利的世界中,實在有太多例子可以看到人們濫用科技來滿足私慾,同時犧牲了人類和地球的健康與安全。科學家決不能了無掛慮地說:「不用擔心。相信我們吧。」

使用或錯誤使用任何科技,都會產生風險,而基因工程技術亦不例外。但是面對氣候變化、自然生態破壞,以及糧食與營養不足日趨嚴重的現存威脅,平白將現代生物科技之進步拒諸門外的風險,來得更深更遠。

我們必須贏得公眾的信任,方能達成這個目標。一切就從公開透明開始——解釋我們的作為與背後原因。這需要每一位科學家、每一間使用生物科技的機構作出承諾,撫心自問是否採取了正確的方針。這也需要教育、聆聽和與質疑者進行交流。

六年前,我同意擔任 Impossible Foods 的科學顧問,皆因我相信他們的使命。對我們栽種培育及生產食物的方式加以創新,是科學家協助解決現今問題的最佳方式之一。Impossible Foods 正是負責任地善用生物科技、為地球與人類帶來裨益的最佳典範。

敬請查看供應 Impossible 植物牛肉的地方(opens in a new tab)以及我們的常見問答(opens in a new tab)以了解更多資訊。有更多疑問?歡迎聯絡我們:[email protected](opens in a new tab)

Michael Eisen 博士是柏克萊加州大學的分子與細胞生物學教授、霍華德·休斯醫學研究所的調查員,以及公共科學圖書館的共同創辦人。他也是 Impossible Foods 的顧問兼公司股東。他持有哈佛大學數學學士和生物物理學博士學位。他曾於 1996 至 2000 年期間擔任史丹福大學 Patrick O. Brown 實驗室的博士後研究員;Patrick O. Brown 乃 Impossible Foods 的行政總裁兼創辦人。從 2000 年開始,Eisen 博士便投身伯克萊加州大學的教職,負責教授遺傳學並統籌研究實驗室的工作,專責研究動物基因組在發育期間如何加密基因表現的空間格局。