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從「敵情資料庫」到「基因編輯大師」

2018/09/25閱讀時間約 6 分鐘
我們在電視影片裡都看過,被攻擊的生物會拼命逃走甚至奮力一戰;同樣的,當我們被病菌、病毒攻擊時,我們體內也有看不見的戰爭在進行:我們的「免疫系統」會幫助我們抵抗入侵的病菌。
病菌會入侵我們,有沒有會入侵病菌的東西呢?有的。就像那句描述食物鏈的俗話:「大魚吃小魚、小魚吃蝦、蝦吃泥。」,病菌會攻擊我們,當然也有會攻擊病菌的東西,它們是一群叫做「噬菌體」的病毒們。但是細菌也不是省油的燈,當然不會乖乖地被吃(「泥」也要求生存),為了不要讓自己任噬菌體宰割,細菌早就發展出了兩套自己的免疫系統。
第一套免疫系統我們稱為「限制-修飾」系統。這套系統出現在75%的細菌中,它的作用方式是:細菌先在自己基因體(成分是去氧核糖核酸)的特定位置上加標籤,以後任何出現在細菌體內的去氧核糖核酸,細菌便會派個酵素去檢查看看有沒有標籤;只要沒有標籤的基因體,就全部「碎屍萬段」!這套系統就像在學校規定大家都要穿制服上學一樣,因為只要是這個學校的學生,都會穿上本校的制服;所以只要有人沒穿本校制服,馬上就會被老師認出來。簡單、方便,但是並不是萬無一失的喔!
怎麼說呢?科學家們發現,因為只有特定的位置會被加標籤、也只有這些位置會被辨認,所以若是噬菌體上根本就沒有這些位置,那麼這個噬菌體就像穿了「隱形斗蓬」一樣,可以在學校裡面到處亂晃搞破壞,都不會被認出來喔!另外一種狀況是,當噬菌體已經先感染過類似的細菌,這時候它已經先得到標籤,這就像壞人已經先借了一套制服來穿一樣,因為老師們都會以為他是本校學生,於是它就可以大搖大擺的進來學校囉!
顯然只靠著辨認有沒有穿制服是不夠的,最好是能夠從其它的特徵來辨認是不是壞人!這就要靠著第二套系統:「CRISPR」系統。
CRISPR。圖片來源:Wikipedia
「CRISPR」有個很長很長的英文名字,縮寫以後就成了「CRISPR」。大約90%的古菌與一半的細菌都有這套系統。它怎麼作用呢?簡單來說,這套系統由一個酵素(稱為Cas9)與一個「敵情資料庫」構成:在細菌被噬菌體感染後,只要能夠大難不死,它就會留下一段那個噬菌體的基因體資料,保存在「敵情資料庫」中;接著這個酵素就會帶著這份「敵情資料」在細菌裡面巡邏,把特徵吻合「敵情資料」的東西通通消滅。這就像學校的老師們已經事先得到了一本有許多壞人長相的小手冊一樣,接下來每個老師只需要負責記得其中一張照片,這麼一來不管壞人穿不穿制服,都會被認出來的!
一開始研究「CRISPR」系統的科學家,其實只是想了解那個「敵情資料庫」究竟是怎麼回事。當時他們本來在研究其它的基因,卻發現它旁邊還有一些奇怪的東西。怎樣奇怪呢?這些奇怪的東西是由許多的「迴文序列」(「迴文」就是從前面後面讀過來都一樣的文字,如「馬歇爾歇馬」就是迴文)中間插著一些短短的片段組成。後來發現這些奇怪的東西旁邊總是還會有一個酵素跟著,於是他們就決定繼續查下去,看看這些奇怪的東西跟這個酵素到底在細菌裡面是作什麼用的?
等到發現原來這套系統原來就是細菌的免疫系統,而且這個酵素根本不在乎提供給它的「敵情資料」的內容是什麼,這就給了科學家們一個想法:如果能夠把「敵情資料」改成科學家們想修改的基因的資料,那麼是不是就可以修改基因了?
於是「基因編輯」技術就誕生了。科學家們只要把想修改的基因做成「敵情資料」的格式後提供給酵素,接著只要把帶著「敵情資料」(現在應該要改稱為「基因資料」了)的酵素送到細胞裡面以後,剩下的就交給酵素去努力了!
要怎麼把帶著「基因資料」的酵素送進細胞裡去呢?過去科學家們會利用病毒把它們送進細胞裡,但是利用病毒感染細胞不一定會成功;最近美國麻省理工學院的科學家們開發了奈米顆粒技術,把帶著「基因資料」的酵素做成奈米顆粒後直接送進細胞裡。這麼一來,成功率就大大地提高囉!
從「基因編輯」技術在2013年正式上線以後,許許多多的科學家迫不及待地將它用在不同的生物裡,不只是動物、還有植物,甚至開始試著用來修正人類的基因缺陷;有些科學家甚至認為,「基因編輯」技術將會使人類不再有遺傳疾病,甚至可以讓人類越變越健康呢!
聽起來「基因編輯」技術似乎一片大好,不過…現在還不能真的用在人身上喔!為什麼呢?原來科學家們發現,「基因編輯」並不是百分之一百準確的;除了預定要修正的位置以外,其它的位置也會發生改變。這麼一來,就不能用在人身上囉!為什麼會這樣呢?科學家們發現,「基因編輯」的準確度與提供的「基因資料」的品質有很大的關係;如果提供的基因資料品質不夠高,酵素就會找錯人,造成其它位置也發生改變。這被稱為「脫靶效應」,就像提供給老師們的敵人照片不夠清楚,造成老師雖然打到了壞人,但同時長得有點像壞人的路人也一起被打了。要怎麼樣避免「打錯人」呢?有些科學家們目前正在開發電腦軟體來改善這個問題,另外也有其它的科學家們想要試試看細菌與古菌的其它免疫系統,看看是否能找到更好的來運用。
「基因編輯」在植物生物科技
最早科學家們改良植物品種的方法是「育種」:挑選有想要的特徵的兩種不同品系的植物,將其中一個的花粉放在另一個雌蕊的柱頭上,等種子(第一代)成熟了再播種、再取種子(第二代),由第二代種子長出來的植物中挑選具備有想要的特徵的植物,再進一步的種植、選擇等等,一般來說從「育種」得到新品系大約需要八到十年左右。因此,當科學家們發現可以用農桿菌來直接改變植物的性質(專業的說法是「性狀」)、產生我們想要的品系時,他們立刻就將這個技術應用在植物上!從1994年的「佳味番茄」開始,有好多新品系的農作物都是以農桿菌產生的。
但是以農桿菌製作新品系的農作物有個問題:農桿菌不能只改變目標基因。事實上,農桿菌是靠著再放進去另一個基因來改變植物的性狀。除此之外,它還會把好幾個其它的基因也一起放進去!因此,許多民眾就不喜歡以農桿菌製作出來的新品系的植物(稱為「基改作物」)、不願意吃它所製造出來的產品。
在「基因編輯」系統出現後,因為它可以直接改變目標基因、完全不需要放進任何額外的基因資訊,於是科學家們便開始將它應用在新品系植物的開發上。目前已經有應用這個技術製作的不會碰撞變黑的洋菇在2016年上市,預期未來還會有更多不同品系的「基因編輯」植物出現在市場上喔!
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    葉綠舒
    葉綠舒
    大學教師。 由寫科普開始,近年來轉到動物與植物的科學史。 專欄: 國語日報「原來作物有故事」(https://susan-plant-kingdom.blogspot.tw/) 幼獅少年「動物書房」(https://misc999.blogspot.tw/) CASE報科學「老葉的植物園」
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