CRISPR與氣候變化：如何利用基因編輯保護地球

基因編輯工具CRISPR的發明者之一珍妮弗·道德納表示，這項技術將通過提供更適應炎熱、干旱、潮濕或其他極端氣候條件的作物和動物，幫助世界應對日益增長的氣候變化風險。

“這項技術潛力巨大。”獲得2020年諾貝爾化學獎的道德納說道，“CRISPR技術正帶來一場即將到來的革命。”

最近，由道德納創立的創新基因組研究所（IGI）在加州大學伯克利分校舉辦了“氣候與農業峰會”，會上，發言者們強調了基因編輯在應對氣候變化帶來的威脅中可以發揮的作用。在這個閉門活動的間隙，道德納接受了麻省理工學院科技評論的簡短采訪。

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

更多通過CRISPR編輯的植物和動物正在陸續問世，其中一些已被改良，以便在氣候變化引發的環境中生存或茁壯成長，開始實現基因工程的長期承諾。比如，明尼蘇達州的精確育種公司Acceligen利用CRISPR編輯了兩頭牛的基因，使其后代擁有更適應高溫的短毛皮。在2022年，美國食品和藥物管理局認定這些牛的肉類和其他產品“對人類、動物、食品供應和環境風險較低”，可在美國市場上銷售。

其他公司也在利用CRISPR開發矮小且更結實的玉米，以減少因越來越強的風暴造成的作物損失；開發可以幫助固碳并生產生物燃料的創新型覆蓋作物；以及能夠抵抗氣候變化可能加劇的傳染病（如禽流感）的動物。

IGI也在致力于開發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通過將基因從一個生物體轉移到另一個生物體上，已經帶來了重要的農業突破，如抗除草劑作物以及具有抗蟲性的玉米、土豆和大豆。然而，這種基因改造引發了一些所謂“轉基因食品”會加劇過敏或導致疾病的擔憂，盡管這些健康問題普遍被夸大了。

如今，CRISPR能在植物和動物的基因組內精確地去除特定DNA片段，使得培育出適應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的許多缺陷。更重要的是，由于很多產品沒有攜帶其他生物的DNA，也不會被標記為“生物工程產品”，可能會更受公眾接受。（不過，CRISPR也可以用來創建轉基因植物和動物。）

“看到這些產品即將問世令人興奮，因為它們對現實生活產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的情況下。”道德納說。

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

近年來，美國農業部放寬了對轉基因食品的管理和標識規定，為許多CRISPR改造開辟了道路。農業部仍對轉基因植物和動物進行監管并要求披露，但對于那些僅通過CRISPR實現“可通過常規育種方式產生的單一改造”的食品，則不會進行監管。

道德納解釋這一監管差異時說：“我們只是加速了這個過程。”

麻省理工學院科技評論查閱的公共文件顯示，農業部已確認數十種通過CRISPR開發的作物將免于監管。美國農業部首席科學家查萬達·雅各布-楊指出，使用CRISPR等高科技工具，對于在不大幅增加土地、化肥等資源的情況下養活不斷增長的全球人口至關重要。

她在美國加州大學伯克利分校會議上表示：“我們需要高科技工具，這對確保安全、充足、美味和實惠的食物供應是一個重要的關鍵。”

傳統育種方法包括通過植物和動物品種的雜交，或使用輻射和化學品引發突變。這一過程非常復雜，常會產生對基因組沒有益處的多處變異，需要大量的反復實驗來篩選出改良的特征。

突破研究所的高級食品和農業分析師艾瑪·柯瓦克說：“CRISPR的編輯帶來了一種巨大的革新，因為它能夠在確切的目標位置做出改變，這在節省時間和成本方面是非常顯著的。”

盡管CRISPR強大且精確，要找到基因組中的合適部位、評估修改效果，并確保不對植物健康和食品安全產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家加速研究復雜的植物基因組。許多植物基因組的長度比人類基因組長得多。這項工作幫助科學家識別出相關特征的基因，并找到可以改良的變化。

道德納表示，隨著這一領域的研究進展，將會出現更多增強氣候適應性的作物。“未來，我們將越來越多地揭開特定特征的基礎基因學知識，CRISPR可以作為一種非常實用的應用手段來創造能夠應對這些即將到來的挑戰的植物。”她說。

IGI開發更耐旱水稻的努力既展示了前景，也凸顯了未來的挑戰。

多個研究小組利用CRISPR禁用影響葉片上小孔數量的基因。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節溫度。減少氣孔數量希望能夠使水稻在干旱條件下更節省水分以生存和生長。

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影響較小的基因——EPFL10，減少氣孔數量約20%。根據他們發表的研究，這種調整幫助植物保持水分，但未影響溫度調節或氣體交換功能。

“CRISPR將植物育種提升到了新高度。”道德納說，“我們可以通過調節某些基因來調整氣孔的數量，使水稻在產量和質量上達到農民的需求，同時減少水的損耗。”

該組織還在探索CRISPR在更直接應對氣候變化方面的應用，包括一個減少牛排放甲烷的研究項目。甲烷是牲畜相關溫室氣體的主要來源。

IGI正與加州大學戴維斯分校及其他機構的研究人員合作，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，從而減少這種強效溫室氣體的產生。

一些研究團隊和創業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到永久性、可遺傳的效果。IGI執行董事布拉德·林格森表示：“如果成功的話，這種方法幾乎可以應用于世界上所有的牛。”

在標簽和安全方面，柯瓦克指出，CRISPR編輯的植物和動物的發展仍面臨諸多挑戰，包括對于引入外源DNA或更復雜編輯的產品所面臨的持續監管障礙，知識產權糾紛及公司承擔的成本或負擔也可能成為障礙。

道德納曾與博德研究所就CRISPR關鍵專利的歸屬問題產生了復雜且爭議不斷的糾紛。雙方在不同國家申請了許多專利，涉及該工具的特定方面和變種。

這種持續的法律爭端為希望利用CRISPR開發商業產品的公司帶來了復雜性和不確定性。

道德納創辦或聯合創辦了包括CaribouBiosciences在內的幾家初創公司，該公司獲得了某些CRISPR專利的分許可，用于包括農業在內的應用。

IGI的林格森在一封電子郵件中表示：“盡管我們在相對較短的時間內取得了巨大進展，部分CRISPR專利被少數機構控制有時確實阻礙了某些農業產品的上市。”

但他補充道，基因編輯領域的持續進展也在探索新的、未被專利限制的相關工具。

同時，自然食品零售商、反轉基因組織等一直對美國農業部在轉基因食品管理和標識方面的立場提出嚴厲批評。他們認為轉基因作物對環境產生了有害影響，規則未能為消費者提供購買和消費食品時所需的透明度。

道德納強調，謹慎使用CRISPR和類似工具非常重要。她認為美國在監管和標識方面的平衡是合理的。“這非常具有科學依據。”她說，“我們關注的是最終的產品，而不是植物或作物是如何創造的。”

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

“從一開始，我們就意識到這將是一種強大的工具，可能被誤解甚至濫用，”道德納說，“但它也有巨大的潛力，幫助我們應對諸多挑戰。”