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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

316期2018年2/3月號

出版日期:2018/02/15

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這不是傳統的基改作物!

撰文/羅格拉多(Antonio Regalado) 攝影/馬修欣茲(Matthew Hintz) 翻譯/連育德

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權

我這趟來到南達科他州一家農場,農場主人麥亨利(Jason McHenry)很年輕,穿著破舊的牛仔褲,戴著太陽眼鏡,帶我走到穀倉旁邊的鋼梯,爬了上去。我們從人孔蓋穿進去,只見穀倉內堆著有如高山的黃豆,走到哪裡,「山勢」也跟著變動。握起一把,黃豆從指尖流洩,濃濁的香甜味滿溢。

美國的黃豆產量每年高達40億蒲式耳(bushel,容量單位),相當於2,400億磅,名列美國獲利第三大的農產品,僅次於牛與玉米。其中9成的黃豆為基因改造生物(genetically modified organism, GMO),基改過程通常是轉殖一株土壤細菌,增強黃豆的特性,足以抵抗除草劑「嘉磷塞」(glyphosate),亦即一般熟知的「農達」(Roundup)。

但我和麥亨利坐著的這4,000蒲式耳黃豆不一樣,這些是基因編輯(下稱「基編」)過的新品種。有家新創企業採用基編技術,修正兩個與脂肪酸合成有關的基因,讓大豆油的品質更像橄欖油。

去年12月,麥亨利來到南達科他黃豆加工業合作社旁的飯店,那是他第一次被推銷基編黃豆。「我們有一個很棒的新技術。」業務對著現場的農民說:「各位聽說反式脂肪的禁令了嗎?」黃豆油經過部分氫化後會變成固態(如美國超市常看到的酥油Crisco),形成有害健康的脂肪,但自從美國政府禁止反式脂肪後,黃豆油的市占率便節節下滑,因為民眾擔心反式脂肪會造成致命的健康問題,是不好的食物。

但基編大豆油的處理方式不同,有機會消除這層顧慮。麥亨利聽說,農家如果同意種植基編黃豆,也能走在創新種植技術的浪頭上,未來技術普及後,可望提高希臘優格、環保包裝、健康食材等等產品的需求,每蒲式耳也能多賺一點錢。「獲利好一點、栽種過程更好、又能推動農業革命。」這次跟我一起造訪農場的史托達(Thomas Stoddard)說。瘦高的他,原本是生物學家,如今改行銷售作物種子。

麥亨利是位才剛起步的農夫,他有自己的農地、有債務要還、有自己的未來要決定,相當能夠認同業務的說法。他爸爸種的黃豆還是抗農達的品種,成本很高。風滾草現在也已經不怕除草劑,最高能長到腰間。「從整個市場來看,歐洲和中國對基改作物還有疑慮。」麥亨利說:「我們身為農夫,要懂得消費者的需求,做出差異化。既然基改市場有可能消失,我們就要想出另一條路。」

新種黃豆的幕後推手是一家名為可利斯(Calyxt)的新創企業,地點位於300哩外,靠近隔壁州的明尼亞波利斯市(Minneapolis ),從麥亨利的農場開上90號公路,往東直開就能到達。在可利斯的溫室裡,每個星期都有好幾千株作物進行基因編輯。基編技術的好處在於,科學人員不必轉殖外源DNA,便能改造作物。這項技術能夠增加或刪減片段的基因資訊,原理類似傳統的作物育種,只是過程加快很多。簡單來說,如果某顆黃豆有個表徵是你喜歡的,你又知道歸屬於哪些基因指令,這時便能借重基因編輯技術,只要一個分子步驟,就能移到另一顆黃豆。

看在許多科學家眼裡,基因編輯的潛力在於發展空間無限,可以用全新方式快速改良作物,或是抗旱、對抗疾病,增添風味。沒錯,從超市買的番茄也能有好味道,就看科學家能不能復原祖傳番茄(heirloom)的香氣基因。那玉米能不能增加一倍的玉米粒呢?如果大自然允許的話,科學家相信透過基因編輯也能做到。

基因編輯為什麼讓產業如此振奮,原因還有一個。美國農業部指出,基編作物不屬於「受規管物品」,這是因為目前法規只適用於轉殖植物病原(如細菌)或病原DNA的基改作物,形成法律漏洞。也就是說,可利斯能夠快速將黃豆上市,不必像傳統基改作物一樣,還需要經過申請、檢驗與安全測試等關卡。基改業者平均要投入13年時間、1億3,000萬美元資金,才能培育出新的基改作物,供應給農家,利用這個漏洞,可利斯可望省下一半的投資時間與金錢。

對反對基改作物的人來說,這種未經規範的新作物值得擔心。他們多年來不斷主張禁止基改作物,認為基改作物可能不安全,有引發過敏或導致蝴蝶中毒的顧慮。如今戰線變了,像可利斯這樣的企業不必轉殖外源DNA,也能研發作物品種,還可以說基因編輯不過是「加速的育種技術」罷了。

批評人士認為,如果想把改造過的作物重新歸類為自然作物,不但是無稽之談,而且危險。ETC Group是一家負責遊說環境議題的非營利組織,會長湯瑪斯(Jim Thomas)說:「如果這些作物不受法規限制,農業就會再度掀起基改潮流。他們圖的就是如此,要把基因編輯排除在基改的定義之外。」

放眼全球各地,反基改人士已經在積極說服政府與食品團體。紐西蘭認定基編作物屬於基改;美國農業部的有機產品理事會也做出同樣的結論;荷蘭與瑞典認為不是;中國尚未表態;歐盟亦有待決議。影響所及,幾十億美元的全球作物出口有可能存在變數。

反對者指出,他們會力爭基編作物要符合法規與加註標籤。出版《消費者報告》(Consumer Reports)雜誌的消費者聯盟(Consumer Union)為一家遊說團體,旗下科學家漢森(Michael Hansen)說:「我們的立場始終不變。基因編輯也是一種基因工程,所以原則一樣,也應該接受安全評估。我覺得這個問題短時間沒有解方。」

但麥亨利心中已經有答案。他指著眼前一排又一排的穀倉,點到裝滿可利斯黃豆的那個,他說,那是「非基改作物」。「對我來說,基改是把外來生物加進植物裡頭。我的理解是,這種種子裡頭沒有放外源DNA。」麥亨利說:「基因編輯就好像找到了開關,開了,大家的生活更好過。就這麼簡單,我覺得很有道理。」

在藥廠眼中,基編技術有如多用途的「分子剪刀」,能夠以創新的方式治療肌肉萎縮症等疾病。但大家卻還不知道,基編技術用於農業與食品,已經接近大規模商用化的階段。可利斯表示在2018年底前就能開始壓榨黃豆,銷售大豆油,有機會成為第一家以基編作物打進市場的公司。此外,杜邦(DuPont)也以基編技術研發出高澱粉含量的玉米,接近商用化的階段。

當然,這兩種產品初來乍到,預計不會像當初抗除草劑的基改作物橫掃農地,而是定位成利基產品,設定的目標不會太大。杜邦的「蠟質」玉米將用於口紅膠和沙拉醬乳化劑,可利斯的大豆油要用來炸甜甜圈和洋芋片。儘管如此,光看麥亨利這座黃豆山,就可以預見這批基編黃豆很快就會出現在市面。他很快算了一下,估計我們腳下有6億顆黃豆。業務史托達這時也爬進一層樓高的穀倉。「基因編輯是未來,最快大規模的生產地就在南達科他州。」他語帶恭敬,黃豆在他手中流洩。

打開基因編輯的開關

麥亨利的這批黃豆,全部可追溯到2012年一個改良過的黃豆細胞,研發的人正是可利斯創辦人,亦是明尼蘇達大學基因學教授的沃塔斯(Dan Voytas)。沃塔斯說,他對研究植物會有興趣,要歸功於之前在公家單位擔任森林管理員的父親。「他會考我樹的名字,而且還要講出拉丁文學名。」他回憶道。

我來到可利斯位於明尼亞波利斯市郊的溫室,沃塔斯帶我參觀,裡頭有機器人在混合液體,還有一個高大的基因槍,把DNA打進植物細胞。培養皿的透明膠狀物長了綠色斑點,是單個芥花籽細胞接受新的基因指令後,再生出來的結果。可利斯有35名員工,其中有三分之二是科學家。「我們有很多構想。」沃塔斯說:「有可能取得很好的油,植物卻不健康。很多想法都還在進行實驗。」

這家新創企業採用的基編技術稱為「TALEN」,由沃塔斯協助研發而成,而且已經取得專利。90年代末期,他與其他幾個生物學家企圖跳過基改作物的階段,不採直接轉殖整個基因,而是透過剪斷酵素(稱為「核酸酶」)的方式,精準剪掉DNA鏈,也就是每個活細胞裡的生命指令。沃塔斯用這個技術讓兩個基因停止作用,培育出可利斯的黃豆。

如今,占據新聞版面的是另一種基編技術稱為CRISPR,因為它操作起來更簡單、成本更低。但TALEN技術的研發時間早了兩年,所以離推出商用化基編作物的時間更近。此外,其他植物生技公司目前陷入CRISPR技術的專利戰,最後何者有權使用仍是未知數,進而延誤了商用化腳步。

可利斯表示,目前已經用TALEN技術研發出19種植物,成為率先推出基編作物的小型企業,據說已獲得農業部證實,其中6種植物不必接受控管,包括一個9月份通過的新種苜蓿,木質素更少,所以乳牛和馬更容易消化。可利斯於7月掛牌上市,目前已投入4,700萬美元。

目前成功攻占市場的基改作物,都是以增加農地單位產量為目標,比較不容易走「健康」訴求。但如果基編作物可以擺脫基改作物的污名,情況就不同了,可利斯認為這樣能開拓基因工程的新商機。除了大豆油之外,可利斯亦聲稱改良了小麥,新品種研磨成白麵粉後,纖維量是正常品種的3倍。麵包公司甚至還能說,漢堡麵包有助於抗癌。

我找了一天到沃塔斯的大學實驗室找他,見證到基編技術的潛在影響。他與學生有約,正看著學生在白板畫出計畫──現在的學生已經都採用CRISPR技術。有位衣索匹亞籍的女學生希望改良當地的畫眉草,讓它長得更挺,不會下垂而流失種子。另一位學生的研究主題是:如何在植物成長時,將DNA注入根莖裡的幹細胞?「我們已經進展到一定的階段,如果你問哪一種油料作物最好,我們就能研發出適合的基因組,培育出來。」沃塔斯說。

儘管如此,未來的發展之路不乏障礙。藥廠研發基因治療的經驗是,直接設計和製造DNA股比較容易,要在人類細胞中進行反而比較難。同樣的道理也適用於許多植物,基編原料的轉殖難度仍高。知道哪些基因應該編輯,也是一個關卡。油脂如何合成,果實為什麼會變棕黑,科學家在這方面已經累積不少知識,其他的植物表徵也蘊含商機,但獲得科學家充分了解、又能輕易改良的特性並不多。「現在可以改良的植物表徵有限。」在聖路易丹佛斯中心(Danforth Center)擔任植物科學研究員的巴特(Rebecca Bart)說:「我們還需要大力投資在研究工作,找出哪些植物表徵適合改良,再進行基因編輯,這樣才不會本末倒置。」

此外,科學界雖然對某些植物表徵已有充分了解,但要培育出新種植物,基因編輯雖然是最新的技術,但並非唯一方式。舉例來說,孟山都(Monsanto)採用傳統的基改技術,研發出名為「維茲提黃金」(Vistive Gold)的黃豆,油脂含量跟可利斯的黃豆差不多,後者未來上市後,將面臨競爭壓力。沃塔斯也知道,他的黃豆並不是全新品種,但認為可以藉此測試公司的快速上市模式,也可以向投資人證明公司有獲利實力。「可利斯是市場第一家基編植物公司,要向市場證明我們有商用化的能力。」他說:「短期就能獲得營收,是我們的優勢。」

有些創業家認為,除非基編技術能增加單位產量,否則影響力恐怕不大。「房地產常說,除了地段還是地段。換成農業,除了產量還是產量。」位於麻州劍橋的植物工程公司Yield10執行長皮波斯(Oliver Peoples)說。

有鑑於此,可利斯也研發能夠增加產量的作物,例如抗白粉病的小麥。到目前為止,市場還沒有商用化量產的基改小麥,其中一個原因在於,小麥跟許多植物一樣,基因組會不斷累積多餘的DNA,永遠清除不完。小麥是6倍體植物(相同的染色體有6個),大大加深了基因工程的複雜程度,但沃塔斯認為基編技術可能讓過程簡單化。鎖定想移除的小麥基因後,TALEN技術以單一反應步驟,就能找出並剪斷某個基因的6條染色體。

基編=基改?

曼哈頓賓州車站(Penn Station)外,掛了伏特加品牌坎特一號(Ketel One)的廣告,整整有10層樓高,上頭寫著「百分之百非基改穀物製造」。隨便走到一家超市,到處可見類似的商品標示,就連鹽巴這樣不含植物的產品,也會這麼標榜。約有4成的美國成年民眾認為,基改食品比較不健康。

會有這樣的觀念,是因為科學家、農業遊說團體,以及綠色和平(Greenpeace)等非營利組織頻頻反對,讓社會對基改食品的安全產生疑慮。全球對第一代基改作物的看法分歧,美國、巴西、阿根廷、印度等國的農田種滿基改作物,反觀多數國家則是禁止栽種,包括法國、德國、中國、俄羅斯在內。

現在的問題變成是:基編作物能否不被貼上基改標籤。大致上,相關企業認為基編作物不應該接受規範,因為傳統育種技術也能達到相同效果。證據會說話,許多基編作物跟自然作物完全分辨不出來。

反對基改產品的人擔心,如果基編作物躲過管制,未來將會出現大量的「科學怪人糧食」(frankenfood)。這樣的情況已經發生在美國,基編作物可以不受農業部的規定,因為農業部沿用已有30年歷史的基改定義,認為只有轉殖植物細菌才算,也就是早期的基改做法。農業部在2017年1月坦誠,有些植物經過更深入的基因改造,「有可能完全躲過監管」,依過程而定。今年又有4種基編作物闖關成功,其中包括農業部自行研發的抗鹽抗旱黃豆、可利斯的苜蓿、Yield10研發的亞麻薺,以及開花期延後的小米。「農業部的法規已經不合時宜,不應該拿舊法律來規範新技術。」在華府美國公共利益科學中心(Center for Science in the Public Interest)負責報導生技的賈夫(Gregory Jaffe)說。

也就是說,現在應該要做的是,由農業部加強監管,看基編作物是否會傷害昆蟲、是否會將基因增強的特性傳給野生物種,或是衍生出又能抗除草劑的超級雜草。企業通常會諮詢食品藥物管理局(Food and Drug Administration),確認自己的作物產品沒有食安疑慮,但這個過程並非義務。推廣有機農作的食品安全中心(Center for Food Safety)資深政策分析師漢森(Jaydee Hanson)認為,企業很精明,懂得先從簡單、甚至是大家不會注意的產品開始。「社會大眾還沒有機會表達疑慮。」他說:「隨著基編技術的領域愈來愈複雜,未來會有更多的質疑聲音,民眾可能會像以前一樣積極反對。」

基編等不等於基改,將是各國會提出的問題。食品主管機關未來要決定,食品如果含有基編作物,包裝是否必須標示。有些有機食品協會已經表示,基編作物本質上是基改作物,因此不能貼上有機標籤。而在歐洲,科學家認為基編只是進階的育種技術,歐洲法院(European Court of Justice)預計針對此議題審議。反對人士希望歐洲將基編作物歸類為基改作物,倘若決議如此,將會衝擊基編技術的推廣範圍。

「如果反對陣營贏了,就太可惜了。」沃塔斯跟我說。我在他的辦公室裡,學生走過他的窗外,等他抽空檢討基編計畫。他說,甚至連大學部的學生現在也有基因編輯的能力。「或許可以這麼說,神燈精靈已經被釋放出來了。」

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