对话基因编辑前沿科技:为生命科学敲代码引其向善
2023-12-24 107

  ◎搜索、定位、剪切、敲除、复制、写入、覆盖……听起来像是操作电脑时使用的工具,在基因编辑中同样存在。

  为农业增收、给蚊子绝育、猪心脏这些看似毫不相干的场景共同指向一项极具颠覆性、同时又备受争议的技术:基因编辑。

  北京大学基因组编辑研究中心主任魏文胜将基因编辑技术比作生命科学的代码,“其实我们所有的生命细胞都是被编码的,它最底层的遗传信息其实由四个字母组成,就是ATCG。我们编的是什么?是它的排列组合。”

  ATCG腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G),地球上所有生命的遗传信息都储存在四种关键的化学物质中。

  搜索、定位、剪切、敲除、复制、写入、覆盖听起来像是操作电脑时使用的工具,在基因编辑中同样存在。中国科学院遗传与发育生物学研究所基因组编辑中心主任高彩霞解释道,基因编辑涉及两个主要模块:第一个模块如同我们的GPS或搜索功能,能够在一段较长的基因序列中迅速定位到特定的基因位点。一旦定位准确,便会启动第二个模块,即编辑模块,进行精确的修改。这个过程类似于使用橡皮擦进行修改,然后使用铅笔进行书写。

  基因编辑如何颠覆农业,又如何拯救生命?如何引导其向善?在央视财经频道《对话》栏目的节目录制现场,《每日经济新闻》记者注意到,中国科学院遗传与发育生物学研究所基因组编辑中心主任高彩霞,北京大学基因组编辑研究中心主任、昌平实验室领衔科学家魏文胜,夏尔巴投资创始管理合伙人蔡大庆,山东舜丰生物科学技术有限公司总经理张辉,上海邦耀生物科技有限公司首席执行官郑彪,中国作物学会副理事长、翔天科技股份有限公司总裁毛长青,齐聚一堂,从餐桌到生命健康,共同寻路基因编辑未来发展的共识。

  4月28日,农业农村部发布《2023年农业用基因编辑生物安全证书(生产应用)批准清单》。这是全国首个植物基因编辑安全证书,其中包含许多常常出现在餐桌上的农作物。这是我国基因编辑在农业领域的标志性事件。

  在节目现场,张辉展示了一款“高油酸大豆”,这是今年4月份拿到基因编辑生物安全证书的产品之一。从外观上看,这款大豆和普通大豆没有区别,但其油酸含量明显高于普通大豆。通过基因编辑技术,这款大豆的油酸含量从普通大豆的20%提升至80%。他展示的另一个番茄品种为“高GABA番茄”。GABA,全称为-氨基丁酸,是一种具有降血压和缓解焦虑作用的营养成分。

  运用基因编辑技术,可以让一些食物中的营养物质含量明显提升,但这是否意味着这类物质能够获得消费者欢迎?

  此前,加拿大的科学家们通过基因编辑技术成功创造了一种名为“环保猪”的新物种,其粪便中的含磷量降低了75%,在保护环境方面起到了巨大作用。然而,消费者却不愿意让这样的猪肉上餐桌,最终,全球最后一头环保猪被安乐死。

  面对新技术的产物,人们的担忧和疑虑往往多于支持和认可。国内的消费者又会否愿意接受此类基因编辑技术的产物?

  对于这个问题,高彩霞并不担心,她用一些常见的食物举例:“油菜有一种天然的突变体,它就是高油酸的油菜,其实道理和这(基因编辑技术)是一样的,是同一个基因被敲除了,(但油菜)是天然获得的突变体;这个(基因编辑)是我们人工获得的。动作是完全一样的,品质上(是)不会有改变的。”

  基因编辑未来将会颠覆,或者说正在颠覆人类传统的农业生产逻辑。这种颠覆性的前景引发了一种可能的想象力,即未来人类可能会拓展更多的可食用物种。

  羽扇豆,即平时所说的鲁冰花,高彩霞用它举例。羽扇豆的蛋白质和膳食纤维含量极高,但其本身含有有害的生物碱。通过基因编辑技术,对生物碱合成途径的相关基因进行改造,可以去除有害生物碱成分。这样,羽扇豆便能变废为宝,成为一种优质蛋白质的补充来源。鉴于我国对蛋白质的需求较大,羽扇豆的应用也能成为蛋白质的一种补充。

  魏文胜认为,公众对任何一个新产品产生安全方面的担忧或疑虑,都非常正常。但是他想强调的是,现下大家更多的担心是对概念和名词的担心。“打个比方,大家认为只要是天然的就是好的。蛇毒是天然的,但是它可以毒死人对不对?我们其实还是要回归到事情本身。比如说我们新的产品、新的作物出来以后,它依然需要经过安全的评估。”

  高彩霞指出,农业农村部对基因编辑产品的监管制度十分规范,生长条件、田间释放、营养成分等各个环节都经过了严格的监控。只有经过国家或农业农村部确认无问题后,才会颁发安全证书。

  “我们经常说的未被解决的医学难题,(有一些是)底层密码出的问题,如果不从密码这个层面来修改,是解决不了问题的。”魏文胜在节目中提到。

  在基因编辑技术的广泛应用场景中,除了植物领域,另一个备受关注的毫无疑问就是医疗。

  郑彪介绍,基因编辑作为一种新兴的生物医疗手段,有非常突出的革命性突破。这种技术的出现,使得原本医生都束手无策的疾病得以治愈。

  郑彪透露,过去,对于地中海贫血病的传统治疗方法是输血。一般来说,有输血依赖的重度地中海贫血病人,大约每4周需要输一次血。一个体重40公斤的病人,一年需要8000毫升的血,但是即使病人接受规范的输血,也只有一半的病人能够活过35岁。

  如何治好这种病?“直接用基因编辑把这个疾病基因给它改过来。”郑彪介绍,地中海贫血病是因为基因发生了突变,使得病人产生正常的血红蛋白出现问题,因此产生的红细胞非常少,修改之后就回归正常了。

  就像粗心的程序员有可能敲错代码导致宕机一样,如同编写生命代码的基因编辑技术是否有可能出现差错,一不小心敲错基因代码?

  高彩霞谈到:“(有人会问)做基因编辑,工具箱里那么多工具都有了,不就够了吗?那为啥(研究人员)还努力地干着呢?其实是在追求极致、完美和精准。”

  郑彪提到,基因编辑很大的问题就是脱靶。“任何事情都不可能完美。我们现在要穷尽我们所有的手段,不能让完美来扼杀(技术的)优越。”

  魏文胜的观点则是,任何一个技术都有风险,基因编辑也会面临各种各样的风险。而研究者的上限其实是基础研究,“它(基础研究)是我们(的)天花板,(决定了)我们对疾病机理的了解有多深入、有多到位”。

  而伴随着一些新技术的出现与迭代,科学家们对于基因编辑技术的“极致追求”,也会获得更多辅助。

  高彩霞以早衰病举例,只需将基因中的T字母变为C字母,便能成功治疗该病。自2016年该技术研发问世以来,全球科学家所使用的脱氨酶不超过10种。然而,借助人工智能和AlphaFold(注:基于人工智能预测蛋白质结构的技术)对蛋白进行精准预测后,科学家们迅速发现了5个全新的家族、共计58个新的有功能的脱氨酶。

  随着基因编辑技术的不断进步和日臻完善,它又能否为攻克癌症等棘手的疾病带来曙光?

  魏文胜认为,在治疗癌症层面,基因编辑有非常广阔的应用前景,但是他同时强调,不应该认为或者指望基因编辑包打天下。

  魏文胜进一步表示,将肿瘤或癌症的治疗作为典型案例,其发病机制呈现高度的复杂性,各种癌症和肿瘤之间存在显著差异,治疗方式不尽相同。就目前而言,基因编辑技术更多是起到辅助和加快现有治疗方式的创新作用。例如,促进新药靶点的发现。基于CRISPR技术,开展高通量功能基因组学研究,通过对基因进行突变,建立因果关系,进而迅速明确病因所在。“当知道毛病(在哪里)以后,解决问题的时候,基因编辑可能会是你的选择。但也可能不是你的选择小分子化合物或者这个大分子抗体的药物,甚至细胞的疗法都可以(作为选择)。”

  在农业领域,毛长青坦言,从商业的角度来讲,目前,有很多技术的商业模式可能未必成熟,特别像面对基因编辑的新产品时,社会的认知变化也需要一个过程,所以这个市场未必完全成熟。

  高彩霞补充道,在真正实现对农业领域的颠覆之前,基础研究其实是更难的一部分。基因编辑可能是一种颠覆性的技术,但到底能颠覆到什么程度取决于基础科研的突破。“因为首先得知道要改哪个基因,如果科学家们或者做基础研究的科学家们没有把这块研究好,我觉得也颠覆不起来。”

  早在上个世纪末,通过修改患者基因治疗遗传病的基因疗法就曾成为“风口”。1990年,世界首例基因疗法获得成功,一个患有免疫缺陷疾病的4岁女孩在治疗后病情显著好转,开启了人们对基因疗法长达十年的追捧。而在1999年,一名患者在治疗中出现不良反应,最终死于肝功能衰竭,让对基因疗法的研究陷入低谷。人们开始重新审视、反思基因疗法的安全性和有效性。

  2023年11月,全球首款CRISPR基因编辑疗法在英国获批上市,成为基因编辑产业应用的一项里程碑。如今,基因编辑疗法又开始进入人们的视野。

  魏文胜觉得,风口都会过去,但是风基本上不会停。人们更早期掌握的技术,特别是生物技术领域,如重组DNA等各项技术,至今仍被越来越广泛地应用。

  蔡大庆则表示,任何一项生物技术初现时,都会展现出强大的生命力,正如CRISPR基因编辑技术所引发的广泛关注。随后,大量人才和资本的涌入会导致该领域出现一定的泡沫,类似于互联网行业的发展历程。但人们回头看,互联网所推动的社会进步仍然令人欣喜。

  在生物制药技术领域,蔡大庆认为,单克隆技术在1984年获得诺贝尔奖,其后发展成一个规模超过万亿元的庞大产业,这个行业也经历了起起伏伏的发展历程。而基因编辑技术经过了读、改、写三个阶段:读,指基因测序,已经催生了一个巨大的产业;改,则是基因编辑和基因治疗,正方兴未艾;而合成生物学等基因合成技术,则是“写”这一阶段的代表,同样具有巨大的产业发展前景。以CRISPR技术为例,它正处于崛起的初期,预示着未来充满生机与活力。

  “现在我看像CRISPR的这样一个技术,它只是风起于青萍之末,往前走是非常具有生命力的。”蔡大庆最后表示。

  科幻作家往往具有更丰富的想象力。基因可以编辑,也可以创造,在某个科幻故事中,曾基于此设定有人就针对特定的基因族群开发了一个足以使其团灭的精准武器,这是否是潜在的隐患?

  魏文胜表示,这在实验方面,其实已经被实现。基因驱动技术能够在短时间内改变小的群体。例如,改变蚊虫群体的性别构成。他认为,不能简单地将这种技术或工具污名化,所有的恶行,实际上都是出自使用它的人。因此,人们不能仅仅在技术范畴内进行讨论,更需要从社会、法律和政府监管的角度出发,对人的行为进行监管和规范。

  随着基因编辑技术的发展,人们也开始担心,未来基因编辑技术是否会导致“优生论”重现?

  对于技术上的可行性,高彩霞并不否认。“不是不可行的,也可以做得到的。但是现在能不能这么做,我觉得这个确实(需要)有一个规范。”

  魏文胜强调,对于任何一个基因或性状,人们的认知都存在局限性。人体内30亿对的碱基对中,大量序列的功能仍在不断被研究和发掘中。这种认知的局限性决定了使用技术进行相关操作必然会引发争议。

  仍以地中海贫血症为例,该病症的主要病因是由于珠蛋白基因发生突变,导致血氧能力下降。在长期的演化过程中,为何仍有大量人群携带这种有缺陷的基因呢?

  魏文胜介绍,地中海地区是疟疾高发区,疟原虫通过血红蛋白传播。血红蛋白基因突变后,虽然血氧能力下降,但也降低了携带疟原虫的能力,对人反而有利。这表明好与坏在某些情况下是可以转化的。“这也是为什么我们需要谨慎地对待这个非常严肃的问题。”

  “基因编辑本身没有善与恶。但是从医药行业来讲,如果是用于治病,那就是善。但是你如果用在编辑生殖细胞,制造超人类,那可能就要打一个大大的问号。”郑彪认为。

  高彩霞则表示,更为重要的是,在伦理规范方面,国家应如何进行规范。她认为,当前这样的技术应该受到严格规范。基因编辑技术实际上就是对基因组的直接书写和改造。

  高彩霞认为,基因编辑技术是一项充满魅力的技术。她再度以农业举例,在农业科学领域,白粉病是农作物的一种常见病害,受害物种包括小麦、大麦、西红柿、草莓、黄瓜等。60年前,大麦育种家通过传统育种方法,成功培育出抗白粉病的品种。经过分析,抗白粉病的大麦原因是该突变体中有一个基因被剔除,基于这一发现,可以通过基因编辑技术来敲除小麦的同一个基因,且这个工作只能通过基因编辑技术。

  “为什么说这个工作只有基因编辑能做,老天做不了呢?因为小麦它是个6倍体,它有三套基因组,这一个基因是三个拷贝。你想靠老天精准地把三个拷贝同时敲除,这是什么样的概率?这概率几乎是0。”但通过基因编辑技术,能够精准地定位和修改基因,同时敲除三个基因,快速培育出抗白粉病的小麦品种。

  “白粉病是小麦三大病害之一,通过基因编辑就可以(把抗性)做出来,这就是基因编辑的魅力所在。”高彩霞最后说。

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