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当进化与生物技术相碰撞时,我们该何去何从?

导读: -自从2012年以来,CRISPR-Cas9基因编辑技术便已引发基因工程变革。这种技术依赖于一种来自细菌细胞的酶,即Cas9。

自从2012年以来,CRISPR-Cas9基因编辑技术便已引发基因工程变革。这种技术依赖于一种来自细菌细胞的酶,即Cas9。它的作用机制是在一个事先确定的位点切割生物的遗传储存系统(即DNA)。它在DNA上产生一个缺口。随后,人们就能够在那里插入一段新的序列,比如来自另一个生物的基因。

如此一种简单而又廉价的技术使得创造转基因生物(genetically modified organisms, GMO)更加容易。更令人关注的是,将编码酶Cas9的基因插入到细胞基因组中使得它能够自己执行这种切割-插入过程。这种被称作“基因驱动(gene drive)”的技术能够在几代内在整个群体中扩散新的基因。一旦这些被引入的基因在这个群体中站稳脚跟,人们就可能称呼它们为GMO。最有前景的应用之一将是通过扩散导致不孕的突变来根除蚊子,但是正如2017年发表在Nature期刊上的一篇论文[1]中解释的那样,这种应用能够被进化本身挫败。

当进化与生物技术相碰撞时,我们该何去何从?

当进化与生物技术相碰撞时,我们该何去何从?

利用CRISPR-Cas9对埃及伊蚊进行基因组编辑,图片来自cell.com

与细菌之间的军备竞赛

这不是首次表明进化本身让生命很难接受基因工程和生物技术。人类健康的最为重要的革命之一是抗生素的工业化生产。在第二次世界大战之后,西方国家不仅利用它们抵抗人类疾病,而且也利用它们促进农业生产和育种工业化。生物发展的一个基本规则是物种能够仅摄入有限数量的食物,而且必须面临着三种主要的生物学功能---生长、繁殖和存活---之间的平衡。这种情形也适合于栽培物种,但是这种现存的平衡可能并不适合于工业化生产。分配更多的资源给一种功能不可避免地导致其他两种功能的性能下降。

农民很早之前就注意到阉割出生牛犊会让它们变成更快地生长和变胖的阉牛。同样地,抗生素的使用会降低免疫系统刺激,并且能够让育种者选择快速生长[2]的但抵抗力较差[3]的动物。通过与依赖于高密度的基因相似个体的工业化育种相结合,抗生素的大规模使用确保保护它们免受疾病。在法国,生产的40%的抗生素被动物消费[4]。通过与人类消费相结合,细菌遭受着巨大的在抗生素下存活下来的选择性压力。因此,很多菌株产生抗生素耐药性。因此,多药耐药的传染性细菌菌株的出现是公共卫生政策面临的一个重大问题[4]。

同质的脆弱性

一种类似的情形在农业上观察到。增加机械化和专业化可将混种栽培的防风林地形转化为一望无际的单种裁培的田野。一些遗传多样性较差的植物品种的生物量对病原体和害虫而言是好事:如果一株植物被感染,那么下一株植物可能也是虚弱的。此外,在大量使用肥料和杀虫剂的帮助下,筛选出来的农作物具有较高的产量。因此,这些新的植物品种是敏感的植物,相比于杂草,具有较差的竞争力。工业化农业生产得到转基因生物的支持,特别在北美洲和南美洲。产生杀死毛毛虫的毒素或对草甘膦等杀虫剂产生抵抗力的农作物仅在几年内发挥效果。像细菌那样,目标害虫和杂草在一二十年之内就会进化出抵抗力[5]。

自然的适应性

同样地,利用这种新的CRISPR-Cas9基因编辑技术来修饰或清除野生种群不会持久地有效果,而且这也能够扰乱生态系统。较大的目标种群、它们具有较短的生命周期和较重的选择性压力导致在这种种群中快速扩散的抗性突变体具有巨大的适应性优势。生态系统是复杂的相互作用物种网络几十亿年来进化的结果,因此在不考虑进化的情形下开发疾病或害虫管理技术在长期而言一定会失败。

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