CRISPR与气候变化：如何利用基因编辑保护地球

基因编辑工具CRISPR的发明者之一珍妮弗·道德纳表示，这项技术将通过提供更适应炎热、干旱、潮湿或其他极端气候条件的作物和动物，帮助世界应对日益增长的气候变化风险。

“这项技术潜力巨大。”获得2020年诺贝尔化学奖的道德纳说道，“CRISPR技术正带来一场即将到来的革命。”

最近，由道德纳创立的创新基因组研究所（IGI）在加州大学伯克利分校举办了“气候与农业峰会”，会上，发言者们强调了基因编辑在应对气候变化带来的威胁中可以发挥的作用。在这个闭门活动的间隙，道德纳接受了麻省理工学院科技评论的简短采访。

12年前，她和共同作者在《科学》期刊上发表了他们的开创性论文，展示了一种可编程的细菌免疫系统能够定位并剪切特定DNA片段。首批患者已经开始接受用这一基因剪刀开发的治疗镰状细胞贫血症的基因疗法，而CRISPR改良的食品也正逐渐出现在超市货架上。

更多通过CRISPR编辑的植物和动物正在陆续问世，其中一些已被改良，以便在气候变化引发的环境中生存或茁壮成长，开始实现基因工程的长期承诺。比如，明尼苏达州的精确育种公司Acceligen利用CRISPR编辑了两头牛的基因，使其后代拥有更适应高温的短毛皮。在2022年，美国食品和药物管理局认定这些牛的肉类和其他产品“对人类、动物、食品供应和环境风险较低”，可在美国市场上销售。

其他公司也在利用CRISPR开发矮小且更结实的玉米，以减少因越来越强的风暴造成的作物损失；开发可以帮助固碳并生产生物燃料的创新型覆盖作物；以及能够抵抗气候变化可能加剧的传染病（如禽流感）的动物。

IGI也在致力于开发耐旱的水稻及能吸收更多二氧化碳的作物，以减少温室气体的排放。

过去的基因改造技术通过将基因从一个生物体转移到另一个生物体上，已经带来了重要的农业突破，如抗除草剂作物以及具有抗虫性的玉米、土豆和大豆。然而，这种基因改造引发了一些所谓“转基因食品”会加剧过敏或导致疾病的担忧，尽管这些健康问题普遍被夸大了。

如今，CRISPR能在植物和动物的基因组内精确地去除特定DNA片段，使得培育出适应气候的作物和牲畜更加迅速、容易，避免了早期育种和编辑技术的许多缺陷。更重要的是，由于很多产品没有携带其他生物的DNA，也不会被标记为“生物工程产品”，可能会更受公众接受。（不过，CRISPR也可以用来创建转基因植物和动物。）

“看到这些产品即将问世令人兴奋，因为它们对现实生活产生了极为重要的影响，尤其是在我们面临气候变化和人口增长的情况下。”道德纳说。

然而，开发和商业化这些革命性的新作物和动物仍面临诸多障碍，CRISPR的帮助在未来过于炎热、干旱或潮湿的地区的农民和社区中也存在一定局限。

近年来，美国农业部放宽了对转基因食品的管理和标识规定，为许多CRISPR改造开辟了道路。农业部仍对转基因植物和动物进行监管并要求披露，但对于那些仅通过CRISPR实现“可通过常规育种方式产生的单一改造”的食品，则不会进行监管。

道德纳解释这一监管差异时说：“我们只是加速了这个过程。”

麻省理工学院科技评论查阅的公共文件显示，农业部已确认数十种通过CRISPR开发的作物将免于监管。美国农业部首席科学家查万达·雅各布-杨指出，使用CRISPR等高科技工具，对于在不大幅增加土地、化肥等资源的情况下养活不断增长的全球人口至关重要。

她在美国加州大学伯克利分校会议上表示：“我们需要高科技工具，这对确保安全、充足、美味和实惠的食物供应是一个重要的关键。”

传统育种方法包括通过植物和动物品种的杂交，或使用辐射和化学品引发突变。这一过程非常复杂，常会产生对基因组没有益处的多处变异，需要大量的反复实验来筛选出改良的特征。

突破研究所的高级食品和农业分析师艾玛·柯瓦克说：“CRISPR的编辑带来了一种巨大的革新，因为它能够在确切的目标位置做出改变，这在节省时间和成本方面是非常显著的。”

尽管CRISPR强大且精确，要找到基因组中的合适部位、评估修改效果，并确保不对植物健康和食品安全产生不良影响仍需大量工作。

不过，改良后的基因编辑工具也帮助科学家加速研究复杂的植物基因组。许多植物基因组的长度比人类基因组长得多。这项工作帮助科学家识别出相关特征的基因，并找到可以改良的变化。

道德纳表示，随着这一领域的研究进展，将会出现更多增强气候适应性的作物。“未来，我们将越来越多地揭开特定特征的基础基因学知识，CRISPR可以作为一种非常实用的应用手段来创造能够应对这些即将到来的挑战的植物。”她说。

IGI开发更耐旱水稻的努力既展示了前景，也凸显了未来的挑战。

多个研究小组利用CRISPR禁用影响叶片上小孔数量的基因。水稻的这些小孔，称为气孔，能够吸收二氧化碳、释放氧气并通过释放水分来调节温度。减少气孔数量希望能够使水稻在干旱条件下更节省水分以生存和生长。

然而，这种平衡极为微妙。早期的研究曾尝试敲除“STOMAGEN基因”，这减少了约80%的气孔，的确减少了水分流失，但也削弱了水稻吸收二氧化碳和释放氧气的能力，妨碍了光合作用。

IGI的研究人员找到了另一个影响较小的基因——EPFL10，减少气孔数量约20%。根据他们发表的研究，这种调整帮助植物保持水分，但未影响温度调节或气体交换功能。

“CRISPR将植物育种提升到了新高度。”道德纳说，“我们可以通过调节某些基因来调整气孔的数量，使水稻在产量和质量上达到农民的需求，同时减少水的损耗。”

该组织还在探索CRISPR在更直接应对气候变化方面的应用，包括一个减少牛排放甲烷的研究项目。甲烷是牲畜相关温室气体的主要来源。

IGI正与加州大学戴维斯分校及其他机构的研究人员合作，研究是否可以利用CRISPR和其他新兴工具改变牛胃中的微生物，从而减少这种强效温室气体的产生。

一些研究团队和创业公司正在通过添加饲料添加剂来减少这种排放，常用海藻类成分。然而，希望通过改变牛的微生物群达到永久性、可遗传的效果。IGI执行董事布拉德·林格森表示：“如果成功的话，这种方法几乎可以应用于世界上所有的牛。”

在标签和安全方面，柯瓦克指出，CRISPR编辑的植物和动物的发展仍面临诸多挑战，包括对于引入外源DNA或更复杂编辑的产品所面临的持续监管障碍，知识产权纠纷及公司承担的成本或负担也可能成为障碍。

道德纳曾与博德研究所就CRISPR关键专利的归属问题产生了复杂且争议不断的纠纷。双方在不同国家申请了许多专利，涉及该工具的特定方面和变种。

这种持续的法律争端为希望利用CRISPR开发商业产品的公司带来了复杂性和不确定性。

道德纳创办或联合创办了包括CaribouBiosciences在内的几家初创公司，该公司获得了某些CRISPR专利的分许可，用于包括农业在内的应用。

IGI的林格森在一封电子邮件中表示：“尽管我们在相对较短的时间内取得了巨大进展，部分CRISPR专利被少数机构控制有时确实阻碍了某些农业产品的上市。”

但他补充道，基因编辑领域的持续进展也在探索新的、未被专利限制的相关工具。

同时，自然食品零售商、反转基因组织等一直对美国农业部在转基因食品管理和标识方面的立场提出严厉批评。他们认为转基因作物对环境产生了有害影响，规则未能为消费者提供购买和消费食品时所需的透明度。

道德纳强调，谨慎使用CRISPR和类似工具非常重要。她认为美国在监管和标识方面的平衡是合理的。“这非常具有科学依据。”她说，“我们关注的是最终的产品，而不是植物或作物是如何创造的。”

道德纳表示，IGI始终努力在这些问题上成为“理性之声”，通过提供科学信息帮助消除对CRISPR的恐惧和误解，并解释它如何用于治疗人类疾病、帮助农民适应气候变化或应对人们生活中的其他威胁。

“从一开始，我们就意识到这将是一种强大的工具，可能被误解甚至滥用，”道德纳说，“但它也有巨大的潜力，帮助我们应对诸多挑战。”