伊麗莎白·科爾伯特 邢瑋
北歐神話中,奧丁是眾神之王。他以一只眼睛為代價(jià),換取了無上的智慧。他神通廣大,從喚醒死者到平息風(fēng)暴,從治療疾病到奪走敵人的光明,無所不能。他時(shí)常會(huì)幻化成動(dòng)物。有一次,他變成了蛇,獲得了寫詩的靈感。后來,他在不經(jīng)意間,又將這一靈感傳給了人類。
加州奧克蘭市的奧丁公司專門銷售基因編輯工具。創(chuàng)始人喬賽亞·贊內(nèi)爾在基因編輯界頗有名氣,主要是因?yàn)樗矚g做一些博眼球的事情,比如以自己的皮膚為原材料,制造熒光蛋白質(zhì)。還有一次,他為了變強(qiáng)壯,不惜抑制自己身上的一種基因,但并未成功。贊內(nèi)爾自稱是基因設(shè)計(jì)師。他的目標(biāo)是為大眾提供改變生命的工具。
奧丁公司推出了許多產(chǎn)品,從4美元的酒杯到近2000美元的工具包,應(yīng)有盡有。最貴的工具包里有離心機(jī)、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)和凝膠電泳儀。我挑選了一款名為“細(xì)菌CRISPR和熒光酵母組合工具包”的中等價(jià)位產(chǎn)品。付款后,我收到了一個(gè)大紙箱,上面印有公司的標(biāo)志:一個(gè)由雙螺旋組成的圓圈,圓圈中間是一棵盤根錯(cuò)節(jié)的樹。這棵樹八成是北歐神話中支撐宇宙的世界樹。紙箱里的微量吸管、皮氏培養(yǎng)皿、一次性手套、大腸桿菌試劑瓶等工具,足以讓我改變大腸桿菌的基因組。
基因工程早已不是什么新鮮事物了。1973年,首個(gè)轉(zhuǎn)基因細(xì)菌問世。隔年出現(xiàn)了首只轉(zhuǎn)基因老鼠。1983年則有了轉(zhuǎn)基因煙草。1994年,一款名為“莎弗番茄”的轉(zhuǎn)基因番茄開始在市場(chǎng)銷售,但卻遭遇滑鐵盧,幾年后就停產(chǎn)了。轉(zhuǎn)基因玉米和大豆也差不多在同一時(shí)間問世,如今已經(jīng)變得相當(dāng)普遍。
近十年,基因工程有了不小的發(fā)展,這都得益于CRISPR(成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列)技術(shù)。從細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)這一寶藏后,科研人員調(diào)整基因的難度一下子降低了許多。他們可以借助CRISPR,剪切一段基因,讓原先的基因序列失效,或用一段新的基因替換原先的基因。
CRISPR為研究提供了無限可能。生物學(xué)家借此技術(shù),創(chuàng)造了沒有嗅覺的老鼠、超級(jí)強(qiáng)壯的比格獵犬、對(duì)豬瘟免疫的豬、有睡眠障礙的獼猴、不含咖啡因的咖啡豆、無法產(chǎn)卵的鮭魚和不會(huì)長(zhǎng)胖的豬。兩年前,中國科學(xué)家賀建奎基因編輯了一對(duì)孿生女嬰,這是全世界首例對(duì)人類進(jìn)行的基因編輯實(shí)驗(yàn)。他稱自己調(diào)整了這兩名女嬰的基因,二人因此對(duì)艾滋病免疫。不過,她們是否真的對(duì)艾滋病免疫,還是未知數(shù)。賀建奎因基因編輯嬰兒,被開除教職,獲有期徒刑三年。
根據(jù)奧丁公司的實(shí)驗(yàn)指南,我用一周的時(shí)間創(chuàng)造了新的微生物。在培育了一培養(yǎng)皿的大腸桿菌后,我將試劑瓶里的各種蛋白質(zhì)和DNA倒入培養(yǎng)皿,成功地將大腸桿菌基因組中的腺嘌呤置換為了胞嘧啶。此番調(diào)整后,培養(yǎng)皿里的大腸桿菌就不會(huì)再怕鏈霉素這種抗生素了。這聽上去有些瘆人,但我還是獲得了不小的成就感。下一步,我該做工具包的第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)了:將水母的基因插入酵母的基因組,讓酵母發(fā)光。
CRISPR技術(shù)可以幫助我們剪切一段基因,讓原先的基因序列失效,或用一段新的基因替換原先的基因。
體型增大、無法產(chǎn)卵的鮭魚(上)
不長(zhǎng)角的牛(右)
對(duì)豬瘟免疫的豬
超級(jí)強(qiáng)壯的比格獵犬(左)
開花更快、果實(shí)更大的地櫻桃(右)
位于吉朗市的澳大利亞疾病預(yù)防中心是世界頂尖的生物安全實(shí)驗(yàn)室。防控中心有兩層大門,第二層門異常堅(jiān)固,足以預(yù)防卡車炸彈襲擊。此外,防控中心內(nèi)部有520扇氣閘門。根據(jù)實(shí)驗(yàn)功能,實(shí)驗(yàn)室被分為四個(gè)安全等級(jí),數(shù)字越高,安全等級(jí)越高。工作人員開玩笑說:“要是世界被僵尸占領(lǐng)了,躲到這里最安全。”
防控中心的四級(jí)實(shí)驗(yàn)室有一些試劑瓶,里面裝著世界上最難纏的動(dòng)物源病原體,其中包括埃博拉病毒。工作人員進(jìn)入四級(jí)實(shí)驗(yàn)室,不得穿自己的衣物,并且出來后,至少要沖三分鐘的澡,才能回家。至于防控中心的動(dòng)物,這輩子也無法走出大門。工作人員說:“它們走出這里的唯一方式,就是被焚化爐燒成灰以后運(yùn)出去?!?/p>
防控中心正在開展一項(xiàng)甘蔗蟾蜍——地球上體型最大的蟾蜍——的基因編輯實(shí)驗(yàn)。人們當(dāng)初將它引入澳大利亞,主要是為了對(duì)付害蟲,但沒過多久,甘蔗蟾蜍就泛濫成災(zāi),引發(fā)了生態(tài)災(zāi)難。防控中心的研究員希望借助CRISPR技術(shù),解決這一難題。
分子生物學(xué)家馬克·蒂澤德是甘蔗蟾蜍基因編輯項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人,在研究?jī)蓷珓?dòng)物以前主研家禽。幾年前,他和中心的幾位同事將水母的基因植入母雞。在紫外線燈的照射下,獲此基因的母雞會(huì)發(fā)出詭異的光芒。接著,蒂澤德調(diào)整操作方法,確保這一熒光基因只能傳給雄性后代。如此一來,母雞下的蛋還未孵化,就可以借紫外線燈判斷小雞的性別。蒂澤德知道很多人對(duì)這樣的實(shí)驗(yàn)犯怵,更別說吃基因改造過的動(dòng)物了。小朋友看到發(fā)光的母雞,倒是覺得非常有趣。有的還說:“太酷了吧!我要是吃了這只雞,是不是也可以發(fā)光?”蒂澤德回答:“你肯定沒少吃雞肉吧?但你也沒長(zhǎng)雞毛啊!”
蒂澤德說:“在澳大利亞,桉樹、考拉、笑翠鳥等動(dòng)植物的基因組一直在相互影響。突然,甘蔗蟾蜍來了。這一全新的基因組一聲招呼也不打,就摻和到了原先的這些基因組中間,給不少基因組帶來了滅頂之災(zāi)。大眾并未意識(shí)到,我們的環(huán)境在基因?qū)用嬉呀?jīng)發(fā)生了巨變?!蓖鈦砦锓N會(huì)帶來全新的基因組,而基因工程師調(diào)整的只是小段的基因。
甘蔗蟾蜍的個(gè)頭很大,美國地質(zhì)勘探局稱,“行人常將路邊的甘蔗蟾蜍錯(cuò)認(rèn)為大石頭。”大的甘蔗蟾蜍,長(zhǎng)度可達(dá)38厘米,重量可達(dá)5.5斤,和胖乎乎的奇瓦瓦犬不相上下。這種蟾蜍基本上什么都吃,老鼠、狗糧甚至同類,它們都會(huì)毫不猶豫地塞進(jìn)口中,只要嘴巴裝得下。
澳大利亞昆士蘭北部種植的重要外來經(jīng)濟(jì)作物甘蔗深受甲蟲之苦,當(dāng)?shù)厝讼虢梵蛤艹艏紫x。于是,102只甘蔗蟾蜍——這一源自南美洲、中美洲,以及得克薩斯州最南端的物種——幾經(jīng)輾轉(zhuǎn),終于在1935年登上了一艘駛往澳大利亞的汽輪。其中,101只活了下來,被送到了當(dāng)?shù)氐囊患覍?shí)驗(yàn)基地。不到一年的時(shí)間,它們的產(chǎn)卵數(shù)量就超過了1500萬。之后,基地將孵化出的小蟾蜍送往當(dāng)?shù)氐某靥梁秃恿鳌?/p>
甘蔗蟾蜍并沒有幫助當(dāng)?shù)厝私鉀Q甲蟲。它們的身子跟石塊一樣笨重,要想蹦起來抓甘蔗上面的甲蟲太難了,但它們并沒有餓肚子。這片土地根本不缺吃的。甘蔗蟾蜍一邊吃,一邊大量繁衍后代,以昆士蘭海岸為根據(jù)地,同時(shí)向北部的約克角半島和南部的新南威爾士州進(jìn)發(fā)。上世紀(jì)80年代,甘蔗蟾蜍侵入了澳大利亞的北部地區(qū)。2005年,達(dá)爾文市附近的米德爾波特也出現(xiàn)了它們的身影。
甘蔗蟾蜍擴(kuò)張版圖的過程中,有一件耐人尋味的事情。初期,甘蔗蟾蜍擴(kuò)張的速度為每年9.6公里,但后來提升到了每年19.3公里,在到達(dá)米德爾波特以后,更是提升至每年48.2公里??蒲腥藛T最終在“前線”找到了答案,那里的甘蔗蟾蜍,腿比昆士蘭的長(zhǎng)許多,并且這一特性是可以遺傳的。
人們厭惡這種蟾蜍,與它們又大又丑脫不了干系,但它們還有一個(gè)更令人討厭的特點(diǎn):有毒。甘蔗蟾蜍受到威脅后,會(huì)釋放有毒的乳白色液體。狗常常會(huì)中這種毒,癥狀從口吐白沫到心臟停搏,都有可能。有人甚至糊涂到拿甘蔗蟾蜍當(dāng)食物。
澳大利亞本身沒有蟾蜍,更別提有毒的蟾蜍了。因此,當(dāng)?shù)氐奈锓N根本沒有對(duì)付這一外來物種的本領(lǐng)。甘蔗蟾蜍的故事與亞洲鯉魚的故事如出一轍,又或者說,恰好相反。亞洲鯉魚嚴(yán)重危害了美國的生態(tài)環(huán)境,主要是因?yàn)闆]有動(dòng)物吃它們;甘蔗蟾蜍把澳大利亞弄得天翻地覆,則主要是因?yàn)樵S多動(dòng)物會(huì)無所顧忌地吃它們。澳大利亞的不少物種數(shù)量銳減,就是因?yàn)樗鼈兂愿收狍蛤?,其中就包括淡水鱷、黃斑巨蜥、藍(lán)舌蜥蜴、澳洲水蜥蜴、南部棘蛇、棕伊澳蛇和北部袋鼬。
澳大利亞人為了控制甘蔗蟾蜍的數(shù)量,高明的、不高明的辦法都用上了?!绑蛤芙K結(jié)者”是一種專門針對(duì)甘蔗蟾蜍研發(fā)的陷阱,上面裝有便攜式揚(yáng)聲器,會(huì)播放蟾蜍的叫聲。昆士蘭大學(xué)研發(fā)了一種誘餌,甘蔗蟾蜍的蝌蚪一旦上鉤,就會(huì)丟掉小命。民眾則會(huì)用氣槍射擊甘蔗蟾蜍,或者專門開車從它們身上碾過去。
有一次蒂澤德參加會(huì)議,旁邊剛好坐了一位兩棲動(dòng)物專家。這位專家提到了可恨的甘蔗蟾蜍。蒂澤德回憶道:“打那時(shí)起,我就開始思考了。蟾蜍毒素是由代謝途徑產(chǎn)生的,也就是酶,而酶的特性是由基因編碼決定的。這樣一想,問題就簡(jiǎn)單多了。我們要是能破壞毒素對(duì)應(yīng)的基因,或許就能解決這一難題。”
此前,沒有人基因編輯過甘蔗蟾蜍。防控中心的博士后凱特琳·庫珀是“第一個(gè)吃螃蟹的人”。她把甘蔗蟾蜍的卵子清洗干凈,隨后將極細(xì)的吸量管刺入卵子,速度要快,否則細(xì)胞一旦分裂,就前功盡棄。接下來,庫珀試圖破壞蟾蜍的毒素基因。她利用CRISPR技術(shù),剪去了卵子中對(duì)應(yīng)蟾蜍毒素的水解酶基因。蟾蜍孵化出來以后,毒性確實(shí)有所降低。庫珀還跟我提到,甘蔗蟾蜍的卵子外有一層凝膠外衣,她要是能對(duì)凝膠外衣的基因動(dòng)一些手腳,或許能讓卵子無法受精。
我們?cè)趯W(xué)校里學(xué)到的基因遺傳知識(shí),有點(diǎn)像擲骰子。一個(gè)人從媽媽那里繼承了A,從爸爸那里繼承了A的等位基因A1。他的后代擁有A還是A1,概率均等。但實(shí)際上,概率在很多情況下都不均等,有的基因就是比別的基因強(qiáng)勢(shì)。生物學(xué)家稱這種現(xiàn)象為“基因驅(qū)動(dòng)”。許多物種都擁有強(qiáng)勢(shì)基因,蚊子、旅鼠和面粉甲蟲就屬此類。最霸道的基因往往很難察覺,因?yàn)樘娲芬呀?jīng)被它們淘汰了。
上世紀(jì)60年代,生物學(xué)家開始研究基因驅(qū)動(dòng)。多虧了起源于細(xì)菌研究的CRISPR技術(shù),他們可以人為地制造基因驅(qū)動(dòng)。CRISPR相當(dāng)于細(xì)菌的免疫系統(tǒng),細(xì)菌被病毒入侵后,會(huì)存儲(chǔ)小段的病毒基因。如此一來,病毒就上了細(xì)菌的黑名單。同一病毒再次入侵時(shí),細(xì)菌會(huì)釋放Cas(CRISPR關(guān)聯(lián)基因)酶。面對(duì)病毒基因,Cas酶會(huì)像微小的匕首一般,精準(zhǔn)地刺入基因的關(guān)鍵部位,讓病毒失效。
基因工程師借助CRISPR/Cas技術(shù),可隨心所欲地剪切基因序列。此外,他們還可以插入新的基因。我能將大腸桿菌基因組中的腺嘌呤置換為胞嘧啶,用的就是這一技術(shù)。
2015年,哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)宣稱,他們利用該技術(shù)合成了一種酵母的強(qiáng)勢(shì)基因。一開始,酵母有奶油色和紅色兩種。在基因驅(qū)動(dòng)的推動(dòng)下,幾代以后,酵母都變成了紅色。數(shù)月后,加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團(tuán)隊(duì)人工合成了一種強(qiáng)勢(shì)基因。在這種基因的驅(qū)動(dòng)下,果蠅會(huì)患上白化病。棕色果蠅被他們基因編輯后會(huì)變成黃色。七個(gè)月后,該研究團(tuán)隊(duì)與其他團(tuán)隊(duì)合作,創(chuàng)造了消滅瘧蚊的基因驅(qū)動(dòng),而瘧蚊正是瘧疾的傳播者。
人類不僅在改變物種進(jìn)化的外部環(huán)境,同時(shí)也在改變基因本身。
如果說CRISPR賦予了人類“重寫生命分子的能力”,那么人工合成的強(qiáng)勢(shì)基因?qū)?huì)呈指數(shù)地增強(qiáng)這一能力。假設(shè)一下,研究團(tuán)隊(duì)將實(shí)驗(yàn)室的果蠅放出去,會(huì)發(fā)生什么事?這些果蠅出去后和垃圾堆的果蠅交配,會(huì)繁殖出黃色的果蠅后代。這些后代如果能順利活下去,并和其它果蠅交配,黃色的強(qiáng)勢(shì)基因就會(huì)勢(shì)不可擋地傳播出去。從加州到墨西哥灣,最終都會(huì)變成黃色果蠅的天下。
這一假設(shè)的重點(diǎn)并不在于顏色,而在于人類可以借助基因驅(qū)動(dòng),讓遺傳的天平偏向任意一種基因。由此推斷,科研人員既然可以破壞甘蔗蟾蜍的毒素基因,也能將毒素基因轉(zhuǎn)化為強(qiáng)勢(shì)基因,從而讓這種基因在甘蔗蟾蜍中傳播。全球變暖背景下,他們也可以為珊瑚合成一種耐熱的強(qiáng)勢(shì)基因,而后通過基因驅(qū)動(dòng),擴(kuò)散到世界各個(gè)角落。如此一來,珊瑚就可以繼續(xù)生存下去了。
如今,人類與自然界的界限本身就非常模糊。在人造基因驅(qū)動(dòng)的推動(dòng)下,這一界限將徹底消失。人類不僅在改變物種進(jìn)化的外部環(huán)境,同時(shí)也在改變基因本身。
支持基因編輯的人,理由很簡(jiǎn)單:人類要對(duì)付甘蔗蟾蜍、家鼠等物種,除了基因編輯外,沒有更好的方法。人類如果不使用基因編輯的手段,以坎島鴨為代表的上千個(gè)物種將走向滅亡。反對(duì)者則表示,基因編輯是反自然的,但拒絕基因編輯并不能拯救自然。蒂澤德指出,我們一直都在搬運(yùn)基因,并且經(jīng)常是在搬運(yùn)完整的基因組,甘蔗蟾蜍和亞洲鯉魚就是明證。如果我們能夠調(diào)整一小段基因,更正先前的謬誤,為何不做呢?
1969年,《全球概覽》的編輯斯圖爾德·布蘭特寫道:“我們?cè)絹碓较裆衩髁耍覀円泊_實(shí)有可能用我們的神力做一些善事。”支持者認(rèn)為,人類可以借助基因編輯,扮演好神明的角色,拯救瀕危物種。
然而,反對(duì)者的理由也非常具有說服力。他們稱生物干預(yù)常常幫倒忙,甘蔗蟾蜍就是好心辦壞事的典型代表。基因編輯本質(zhì)上也是生物干預(yù)。上世紀(jì)30年代,夏威夷人為了裝飾花園,引入了非洲大蝸牛。50年代,夏威夷農(nóng)業(yè)部為了對(duì)付泛濫成災(zāi)的非洲大蝸牛,又引入了會(huì)吞食其他種類蝸牛的狼蝸。但狼蝸到了以后,不但沒有吃非洲大蝸牛,還把十幾種當(dāng)?shù)靥赜械男∥伵3怨饬?。用生物學(xué)家E.O.威爾遜的話講,這引發(fā)了一場(chǎng)“雪崩”。
有了基因編輯和人工合成基因驅(qū)動(dòng),遺傳規(guī)律還重要嗎?
談起布蘭特的名言,威爾遜說:“我們并非神明,我們的感知力和智慧都非常有限?!庇骷冶A_·金斯諾思則是這樣講的:“我們是神明不假,但我們是糟糕的神明……我們是‘惡作劇之神洛基,以破壞美好的事物為樂;我們是克洛諾斯,吃掉了自己的孩子?!?/p>
[編譯自美國《紐約客》]
編輯:要媛