2014年4月30日

從分子生物技術來談基因改造物種

作者/林翰佐(任教銘傳大學生物科技學系)

基因改造物種( gene modified organism, GMO)是最近幾十年來生物科技界的最大爭端。即便是生物技術上的專家,對於這個問題的觀點也呈現兩極化的發展。

支持者認為,GMO可能是人類歷史上另一次劃時代的科學革命,能夠解決地球上糧食不足,乃至於成為替代性能源的新契機,反對者則認為,GMO有可能經基因的水平轉移(horizontal gene transfer, HGT)造成生態上的浩劫,同時在食用的過程當中,GMO的外來基因也有可能侵入人類的基因體當中,誘發癌症等疾病。孰是孰非至今仍無明確的定論。由於雙方在論證上均引用許多專業的研究結果,這對於關心GMO的非生物科技專業人士來說,往往霧裡看花,對於雙方爭議的焦點未能有深刻的了解。筆者是一位分子生物技術專長,在大學任職,有多年教授分子生物學(molecular biology)經驗的教育工作者。藉由野人獻曝,希望能以輕鬆的方式,淺談與GMO相關的分子生物學理論與技術的基礎,引領讀者瞭解GMO的某些議題。最終願以此拋磚引玉,吸引社會各界賢達對GMO議題的關注,共同為人類福址審慎把關。

分子生物學與GMO
分子生物學(molecular biology)是一門以分子的觀點,闡述生命現象的一門學科。當從分子的角度上來看待生命現象的運作原理時,簡單的說,不外乎「來自外界的刺激– 製造出適合的工具– 因應外界的刺激」的整個過程,其中,這個「工具」,便是蛋白質(protein)。所以人們常說,蛋白質是生命運作上最基本的功能單位。身體內具有功能性的蛋白質往往都需要自行的製造,在億萬年的生命演化過程,現今地球上的生命體多半以DNA(去氧核醣核酸)的序列編排來記錄每個蛋白質的胺基酸序列(sequence)組成(蛋白質是由胺基酸分子所串起來的)。當我們需要製造特定的蛋白質時,細胞內便會啟動機轉,依照DNA所記載的序列,將蛋白質給製造出來。這些記錄著每一個蛋白質中胺基酸序列的DNA片段我們稱之為基因(gene),而這些基因的集合體,稱為基因體(genome)。我們基因中以含有腺嘌呤(adenine, A)、鳥糞嘌呤(guanine, G)、胞嘧啶(cytosine, C) 以及胸腺嘧啶(tymidine, T) 的四種組成DNA之核苷酸分子,以3個為一組,組成一個字元(我們稱為密碼子,codon)的方式,記錄蛋白質的胺基酸組成,這跟遠古時期人類所使用的結繩記事的方法,其實並沒有甚麼兩樣。身為萬物之靈的我們,整個基因體(或稱為生命的藍圖)到底有多大呢?在人類基因體計劃(human genome project)經過1990~2001年長達11年的基因定序以及繁複的電腦比對研究工作之後,我們目前已經知道,人類每一顆細胞都擁有2份完整的藍圖集(一份來自爸爸,一份來自媽媽),每份約有30億個鹼基所組成(可以想像成一份有30億字的「巨作」,大約等當於3000 本聖經),記錄著2萬多種蛋白質的胺基酸序列。

基因改造物種是指將外來的基因嵌入宿主動物的基因體當中的一種分子生物技術。你可以想像,我們只是用點小技巧,把一段原本不屬於這個生物的基因,夾到這生物基因體百科全書中的其中一頁上去而已。像是之前常在水族館中見到的螢光斑馬魚(圖二),便是將一段源自維多利亞多管發光水母的螢光蛋白基因,插入斑馬魚基因體當中所造成的結果〔註〕。這種我們稱為基因轉型(transformation)或基因轉染(transfection)的技術在現今的分子生物學實驗室中使用的非常頻繁;我們經常在研究用的大腸桿菌身上,插入了人類或其他物種的基因,然後運用發酵技術大量的培養大腸桿菌,將這種蛋白質廉價的製造出來。事實上,目前在治療上所使用的人類胰島素,普遍以這樣的方式進行製造,大大的降低生產的成本,造就無數糖尿病患者的福祉。所以,在生物科技界的實驗室當中,GMO算是個行之有年,在應用上十分成熟的技術。

註:基於漁業法六十九條「水產動植物涉及基因轉殖者,應完成田間試驗及生物安全評估,始得推廣利用」的規定,未經過安全評估的螢光魚,目前無法販售。
圖二:螢光斑馬魚。

由於外插一段基因能使宿主生物增加某些「特殊」的功能,所以就有業者想要借重這項技術,改變現有的經濟物種,增加這些物種在培養上的優勢。例如:美國著名的孟山都公司(Monsanto)發展的GMO黃豆(roundup ready soybean), 即藉由基因改造,植入一段抗除草劑基因,使這些黃豆能對抗除草劑「年年春」(Roundup,也是Monsanto 公司出品)的施用,簡化黃豆栽種時的農務管理。又例如在BtGMO植物;科學家們在植物基因體當中插入來自蘇力菌(Bt;Bacillus thuringiensis)的毒素基因,來抑制植物害蟲的侵害。又例如美國最新核准的GMO鮭魚,由於這些鮭魚的基因體當中另外遷入了胰島素成長因子(insulin growth factor, IGF),所以可以更快速的成長,並體型可達到原本野生鮭魚的1.5倍等。

理論上,人類使用生物技術製造GMO並不是新聞,而且也的確在某些領域上已經證實對人類有難以計數的貢獻,那為什麼在細菌上行之有年的技術,在向上應用於高等植物以及動物身上時,會有這麼大的阻力呢?

GMO 能解決人類面臨的難題?
在進一步探討GMO的技術細節之前,我們先來審視一個重要的問題。那就是,GMO產品的出現,並放置於田野中飼養或栽種,是否能妥適的解決人類所面臨的問題?還是正在捅下另一個更大的簍子?

的確,GMO在量產或在生產管理上,提供了許多在管理上的便利性,不過在實務上,科學家們也發現了許多問題正在浮現。例如過度的使用除草劑的結果,我們發現一些具有除草劑抗性的新品系雜草正在美國各洲的曠野中發現,並有逐漸成為優勢的可能。這些「超級野草」如何發展成為具有除草劑抗性的能力目前仍不清楚,並沒有明確證據可以證明這些能力導源於GMO作物基因的水平轉移,不過可以確定的是,過度的使用單一除草劑的確會提供一種驅動力趨使具有抗性的物種取得環境上的優勢地位,破壞原有生態上的平衡。另外,在田野中GMO物種,是否會按照科學家的構想,將轉殖基因的影響控制在原本規劃的範圍之內?在美國2006年所發生的「蜂群消失」事件,就有科學家懷疑可能與BtGMO植物的栽種有關。雖然在原本的設計上,來自蘇力菌的Bt蛋白並不會進入到植物的花粉中,且不會對蜜蜂成體造成危害,不過在自然的狀況下是否會發生人類「閉門造車」後意料之外的發展,沒有任何人可以提供明確的保證。

真正的問題點在於,比起實驗室的環境,生物在自然環境下與其他生物之間的互動,關係可能遠比目前人類的所知來得複雜,利用現有的知識所設計出來的防範機制,是否真能通過環境上的考驗? 這其實是一個值得思考的問題。......【更詳細的內容,請參閱第533期科學月刊】

延伸閱讀
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1. 科學人雜誌:http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=5
2. 科學人雜誌:http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=1377
3. EFSA GMO Panel Working Group on Animal Feeding Trials, Safety and nutritional assessment of GM plants and derived food and feed: the role of animal feeding trials, Food Chem Toxicol, Vol. 46: S2-70, 2008.
4. Heritage, J. and Heritage, J., Degradation of transgenic DNA from genetically modified soyabean and maize in human intestinal simulations, Br J Nutr, Vol. 87(6): 529-31, 2002.
5. Deaville, E. R. and Maddison, B. C., Detection of transgenic and endogenous plant DNA fragments in the blood, tissues, and digesta of broilers, J Agric Food Chem, Vol. 53(26): 10268-75, 2005.
6. Netherwood, T. et al., Assessing the survival of transgenic plant DNA in the human gastrointestinal tract, Nat Biotechnol, Vol. 22(2): 204-9, 2004.

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