CRISPR與氣候變化：如何利用基因編輯保護(hù)地球

基因編輯工具CRISPR的發(fā)明者之一珍妮弗·道德納表示，這項(xiàng)技術(shù)將通過提供更適應(yīng)炎熱、干旱、潮濕或其他極端氣候條件的作物和動(dòng)物，幫助世界應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的氣候變化風(fēng)險(xiǎn)。

“這項(xiàng)技術(shù)潛力巨大?！鲍@得2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的道德納說道，“CRISPR技術(shù)正帶來一場(chǎng)即將到來的革命?！?/p>

最近，由道德納創(chuàng)立的創(chuàng)新基因組研究所（IGI）在加州大學(xué)伯克利分校舉辦了“氣候與農(nóng)業(yè)峰會(huì)”，會(huì)上，發(fā)言者們強(qiáng)調(diào)了基因編輯在應(yīng)對(duì)氣候變化帶來的威脅中可以發(fā)揮的作用。在這個(gè)閉門活動(dòng)的間隙，道德納接受了麻省理工學(xué)院科技評(píng)論的簡(jiǎn)短采訪。

12年前，她和共同作者在《科學(xué)》期刊上發(fā)表了他們的開創(chuàng)性論文，展示了一種可編程的細(xì)菌免疫系統(tǒng)能夠定位并剪切特定DNA片段。首批患者已經(jīng)開始接受用這一基因剪刀開發(fā)的治療鐮狀細(xì)胞貧血癥的基因療法，而CRISPR改良的食品也正逐漸出現(xiàn)在超市貨架上。

更多通過CRISPR編輯的植物和動(dòng)物正在陸續(xù)問世，其中一些已被改良，以便在氣候變化引發(fā)的環(huán)境中生存或茁壯成長(zhǎng)，開始實(shí)現(xiàn)基因工程的長(zhǎng)期承諾。比如，明尼蘇達(dá)州的精確育種公司Acceligen利用CRISPR編輯了兩頭牛的基因，使其后代擁有更適應(yīng)高溫的短毛皮。在2022年，美國(guó)食品和藥物管理局認(rèn)定這些牛的肉類和其他產(chǎn)品“對(duì)人類、動(dòng)物、食品供應(yīng)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低”，可在美國(guó)市場(chǎng)上銷售。

其他公司也在利用CRISPR開發(fā)矮小且更結(jié)實(shí)的玉米，以減少因越來越強(qiáng)的風(fēng)暴造成的作物損失；開發(fā)可以幫助固碳并生產(chǎn)生物燃料的創(chuàng)新型覆蓋作物；以及能夠抵抗氣候變化可能加劇的傳染?。ㄈ缜萘鞲校┑膭?dòng)物。

IGI也在致力于開發(fā)耐旱的水稻及能吸收更多二氧化碳的作物，以減少溫室氣體的排放。

過去的基因改造技術(shù)通過將基因從一個(gè)生物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)生物體上，已經(jīng)帶來了重要的農(nóng)業(yè)突破，如抗除草劑作物以及具有抗蟲性的玉米、土豆和大豆。然而，這種基因改造引發(fā)了一些所謂“轉(zhuǎn)基因食品”會(huì)加劇過敏或?qū)е录膊〉膿?dān)憂，盡管這些健康問題普遍被夸大了。

如今，CRISPR能在植物和動(dòng)物的基因組內(nèi)精確地去除特定DNA片段，使得培育出適應(yīng)氣候的作物和牲畜更加迅速、容易，避免了早期育種和編輯技術(shù)的許多缺陷。更重要的是，由于很多產(chǎn)品沒有攜帶其他生物的DNA，也不會(huì)被標(biāo)記為“生物工程產(chǎn)品”，可能會(huì)更受公眾接受。（不過，CRISPR也可以用來創(chuàng)建轉(zhuǎn)基因植物和動(dòng)物。）

“看到這些產(chǎn)品即將問世令人興奮，因?yàn)樗鼈儗?duì)現(xiàn)實(shí)生活產(chǎn)生了極為重要的影響，尤其是在我們面臨氣候變化和人口增長(zhǎng)的情況下?！钡赖录{說。

然而，開發(fā)和商業(yè)化這些革命性的新作物和動(dòng)物仍面臨諸多障礙，CRISPR的幫助在未來過于炎熱、干旱或潮濕的地區(qū)的農(nóng)民和社區(qū)中也存在一定局限。

近年來，美國(guó)農(nóng)業(yè)部放寬了對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的管理和標(biāo)識(shí)規(guī)定，為許多CRISPR改造開辟了道路。農(nóng)業(yè)部仍對(duì)轉(zhuǎn)基因植物和動(dòng)物進(jìn)行監(jiān)管并要求披露，但對(duì)于那些僅通過CRISPR實(shí)現(xiàn)“可通過常規(guī)育種方式產(chǎn)生的單一改造”的食品，則不會(huì)進(jìn)行監(jiān)管。

道德納解釋這一監(jiān)管差異時(shí)說：“我們只是加速了這個(gè)過程?！?/p>

麻省理工學(xué)院科技評(píng)論查閱的公共文件顯示，農(nóng)業(yè)部已確認(rèn)數(shù)十種通過CRISPR開發(fā)的作物將免于監(jiān)管。美國(guó)農(nóng)業(yè)部首席科學(xué)家查萬達(dá)·雅各布-楊指出，使用CRISPR等高科技工具，對(duì)于在不大幅增加土地、化肥等資源的情況下養(yǎng)活不斷增長(zhǎng)的全球人口至關(guān)重要。

她在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校會(huì)議上表示：“我們需要高科技工具，這對(duì)確保安全、充足、美味和實(shí)惠的食物供應(yīng)是一個(gè)重要的關(guān)鍵?！?/p>

傳統(tǒng)育種方法包括通過植物和動(dòng)物品種的雜交，或使用輻射和化學(xué)品引發(fā)突變。這一過程非常復(fù)雜，常會(huì)產(chǎn)生對(duì)基因組沒有益處的多處變異，需要大量的反復(fù)實(shí)驗(yàn)來篩選出改良的特征。

突破研究所的高級(jí)食品和農(nóng)業(yè)分析師艾瑪·柯瓦克說：“CRISPR的編輯帶來了一種巨大的革新，因?yàn)樗軌蛟诖_切的目標(biāo)位置做出改變，這在節(jié)省時(shí)間和成本方面是非常顯著的。”

盡管CRISPR強(qiáng)大且精確，要找到基因組中的合適部位、評(píng)估修改效果，并確保不對(duì)植物健康和食品安全產(chǎn)生不良影響仍需大量工作。

不過，改良后的基因編輯工具也幫助科學(xué)家加速研究復(fù)雜的植物基因組。許多植物基因組的長(zhǎng)度比人類基因組長(zhǎng)得多。這項(xiàng)工作幫助科學(xué)家識(shí)別出相關(guān)特征的基因，并找到可以改良的變化。

道德納表示，隨著這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展，將會(huì)出現(xiàn)更多增強(qiáng)氣候適應(yīng)性的作物?！拔磥?，我們將越來越多地揭開特定特征的基礎(chǔ)基因?qū)W知識(shí)，CRISPR可以作為一種非常實(shí)用的應(yīng)用手段來創(chuàng)造能夠應(yīng)對(duì)這些即將到來的挑戰(zhàn)的植物?！彼f。

IGI開發(fā)更耐旱水稻的努力既展示了前景，也凸顯了未來的挑戰(zhàn)。

多個(gè)研究小組利用CRISPR禁用影響葉片上小孔數(shù)量的基因。水稻的這些小孔，稱為氣孔，能夠吸收二氧化碳、釋放氧氣并通過釋放水分來調(diào)節(jié)溫度。減少氣孔數(shù)量希望能夠使水稻在干旱條件下更節(jié)省水分以生存和生長(zhǎng)。

然而，這種平衡極為微妙。早期的研究曾嘗試敲除“STOMAGEN基因”，這減少了約80%的氣孔，的確減少了水分流失，但也削弱了水稻吸收二氧化碳和釋放氧氣的能力，妨礙了光合作用。

IGI的研究人員找到了另一個(gè)影響較小的基因——EPFL10，減少氣孔數(shù)量約20%。根據(jù)他們發(fā)表的研究，這種調(diào)整幫助植物保持水分，但未影響溫度調(diào)節(jié)或氣體交換功能。

“CRISPR將植物育種提升到了新高度。”道德納說，“我們可以通過調(diào)節(jié)某些基因來調(diào)整氣孔的數(shù)量，使水稻在產(chǎn)量和質(zhì)量上達(dá)到農(nóng)民的需求，同時(shí)減少水的損耗。”

該組織還在探索CRISPR在更直接應(yīng)對(duì)氣候變化方面的應(yīng)用，包括一個(gè)減少牛排放甲烷的研究項(xiàng)目。甲烷是牲畜相關(guān)溫室氣體的主要來源。

IGI正與加州大學(xué)戴維斯分校及其他機(jī)構(gòu)的研究人員合作，研究是否可以利用CRISPR和其他新興工具改變牛胃中的微生物，從而減少這種強(qiáng)效溫室氣體的產(chǎn)生。

一些研究團(tuán)隊(duì)和創(chuàng)業(yè)公司正在通過添加飼料添加劑來減少這種排放，常用海藻類成分。然而，希望通過改變牛的微生物群達(dá)到永久性、可遺傳的效果。IGI執(zhí)行董事布拉德·林格森表示：“如果成功的話，這種方法幾乎可以應(yīng)用于世界上所有的牛?！?/p>

在標(biāo)簽和安全方面，柯瓦克指出，CRISPR編輯的植物和動(dòng)物的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括對(duì)于引入外源DNA或更復(fù)雜編輯的產(chǎn)品所面臨的持續(xù)監(jiān)管障礙，知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛及公司承擔(dān)的成本或負(fù)擔(dān)也可能成為障礙。

道德納曾與博德研究所就CRISPR關(guān)鍵專利的歸屬問題產(chǎn)生了復(fù)雜且爭(zhēng)議不斷的糾紛。雙方在不同國(guó)家申請(qǐng)了許多專利，涉及該工具的特定方面和變種。

這種持續(xù)的法律爭(zhēng)端為希望利用CRISPR開發(fā)商業(yè)產(chǎn)品的公司帶來了復(fù)雜性和不確定性。

道德納創(chuàng)辦或聯(lián)合創(chuàng)辦了包括CaribouBiosciences在內(nèi)的幾家初創(chuàng)公司，該公司獲得了某些CRISPR專利的分許可，用于包括農(nóng)業(yè)在內(nèi)的應(yīng)用。

IGI的林格森在一封電子郵件中表示：“盡管我們?cè)谙鄬?duì)較短的時(shí)間內(nèi)取得了巨大進(jìn)展，部分CRISPR專利被少數(shù)機(jī)構(gòu)控制有時(shí)確實(shí)阻礙了某些農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的上市?！?/p>

但他補(bǔ)充道，基因編輯領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)展也在探索新的、未被專利限制的相關(guān)工具。

同時(shí)，自然食品零售商、反轉(zhuǎn)基因組織等一直對(duì)美國(guó)農(nóng)業(yè)部在轉(zhuǎn)基因食品管理和標(biāo)識(shí)方面的立場(chǎng)提出嚴(yán)厲批評(píng)。他們認(rèn)為轉(zhuǎn)基因作物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了有害影響，規(guī)則未能為消費(fèi)者提供購(gòu)買和消費(fèi)食品時(shí)所需的透明度。

道德納強(qiáng)調(diào)，謹(jǐn)慎使用CRISPR和類似工具非常重要。她認(rèn)為美國(guó)在監(jiān)管和標(biāo)識(shí)方面的平衡是合理的。“這非常具有科學(xué)依據(jù)?！彼f，“我們關(guān)注的是最終的產(chǎn)品，而不是植物或作物是如何創(chuàng)造的。”

道德納表示，IGI始終努力在這些問題上成為“理性之聲”，通過提供科學(xué)信息幫助消除對(duì)CRISPR的恐懼和誤解，并解釋它如何用于治療人類疾病、幫助農(nóng)民適應(yīng)氣候變化或應(yīng)對(duì)人們生活中的其他威脅。

“從一開始，我們就意識(shí)到這將是一種強(qiáng)大的工具，可能被誤解甚至濫用，”道德納說，“但它也有巨大的潛力，幫助我們應(yīng)對(duì)諸多挑戰(zhàn)?！?/p>