- 科技報導
文章專區
2020-12-15盤點CRISPR技術在工業生產、環保與復育上的應用
468 期
Author 作者
陳淵銓／美國加州大學柏克萊分校生物化學博士。
2020年諾貝爾化學獎得主已揭曉，由基因編輯技術CRISPR的發明者道納（Jennifer Doudna）以及夏彭提耶（Emmanuelle Charpentier）兩位學者同獲此殊榮。這項技術有著「上帝的手術刀」之稱，使得科學家可以精準且快速的對生物體（動物、植物及微生物）的基因進行編輯。儘管過去8年CRISPR技術大多仍處於實驗室、田間或臨床試驗階段，其應用潛力仍引起各界重視。目前，CRISPR已廣泛用於基礎研究，並成功用於生產農產品及食品，而且技術已逐漸成熟到已能應用於生產醫藥品及其他產品。本文將探索CRISPR技術應用於生產工業產品及解決環境問題、復育絕種動物方面的潛力。
從化工到計算科技
無所不能
以工業發酵為例，在傳統遺傳工程技術的幫助下，科學家已經可以重新編輯大腸桿菌（Escherichia coli）和酵母菌等微生物的基因，在工廠中大量生產胰島素、啤酒和乙醇等物質。該技術迅速擴大工廠所能生產的設計化學品、分子和材料的品項和產量，包括自癒合混凝土、耐火材料、比鋁還輕的建築材料以及完全可生物降解的塑料等，也使大規模生產這些工業產品成為可能。
此外，CRISPR技術亦向建構儲存記憶體發展，如使用Cas1－Cas2整合酶，便能讓CRISPR－Cas微生物免疫系統進一步儲存入侵病毒的核苷酸含量，以賦予適應性免疫；若妥善利用這點，該系統有潛力將任意訊息寫入基因組。在2017年，美國哈佛大學的研究人員成功使用CRISPR技術，將數位電影黑白像素值圖像和一部短片編碼到活細菌的基因組中，證明此技術有將訊息或數據存入基因組內的潛力。
解決環境問題
緩和地球暖化
由於化石燃料，如石油、煤及天然氣等，並非取之不盡、用之不竭，且拓度使用化石燃料產生過強的溫室效應（green house effect），造成氣球暖化（global warming）及海平面上升，已危及人類在地球上的永續生存，因此，人類應盡快尋找可用的替代能源。
海洋中的微藻（microalgae）是負責全球40％光合作用的主要生產者，捕捉比雨林更多的二氧化碳（CO2），產生更多氧氣（O2）。其中，矽藻（diatom）是最重要的真核微藻，在維持地球環境及生態平衡上扮演極重要的角色，它是一種繁殖快速的海洋藻類，對溫度、養分等環境條件要求並不嚴格，在世界各海洋均可生存，研究人員若能研究矽藻的基因功能，利用CRISPR技術改造矽藻的基因，增強其吸收CO2及產生O2的功能，應有助於控制地球溫室效應。不僅如此，矽藻也可以作為生產生物燃料（biofuel）的脂質來源，並於生物、奈米和環境科技中應用於製造產品，如生物柴油（biodiesel）、化妝品用的胺基酸、抗體和抗增殖劑（antiproliferative agent）等。基因工程技術有助研究人員瞭解矽藻的基因和蛋白質的功能，並改造矽藻品種，而簡單又便宜的CRISPR技術正符合這個需求，可生產生物燃料取代化石燃料作為能源。
此外，科學家發現南極磷蝦（Euphausia superba）不會在海中的同一水層中停留，而是與許多浮游生物一樣，從更深層到較淺層遊動先飽餐一頓後，再返回到較深的水層中，磷蝦會一直保持這種循環（即吃飽的蝦與飢餓的蝦群體不斷替換），顯示磷蝦在深海的時候，會將細小而富含碳的糞便沉積到更深的海水中，藉此將大量的碳固定在海底，減少海中的碳含量。若能對南極磷蝦的基因進行研究，利用CRISPR技術改造磷蝦的環境適應及生長繁殖等相關基因，並增強其對環境的適應力，使牠們能在南極、溫帶、熱帶等的海洋環境存活，應有潛力幫助解決地球暖化的問題。
打造能分解塑膠的生物
塑膠汙染的威脅近來已經到了近乎永久性汙染自然環境的地步，海洋是大多數無法分解汙染物的終點，所以這種汙染在海洋環境特別嚴重。許多海洋動物因誤食塑膠垃圾而大量死亡，繁殖能力受損，不但汙染海洋環境、破壞海洋生態，還會讓塑膠微粒積存在海洋生物體內，最後經由食物鏈進入人體，危害人類身體健康。
在2018年，澳洲研究人員發現南極磷蝦可以將31.5微米的聚乙烯（polyenthylene）球分解成直徑小於1微米的碎片，將某些形式的微塑膠消化成更小的奈米塑膠（nanoplastic），平均大小比原始碎片小78％（最多可達94％）。此外，由於海洋中的微塑膠因為經過紫外線輻射降解，可能比實驗室中的更容易被磷蝦消化，在無塑膠環境下五天內，磷蝦體內不再有任何塑膠，這顯示微塑膠不至於透過磷蝦在食物鏈往上累積，傳給海洋哺乳類及鯊魚等食物鏈頂端的動物。然而，這並無助於消滅塑膠，也不能解決塑膠污染問題，只是改變塑膠的形式，使小動物更容易攝食，反而可能是深海塑膠汙染的新來源。
儘管如此，這仍是微塑膠與生態系統互動上的新發現，研究人員需更深入瞭解微塑膠如何與環境相互作用。呈上所述，CRISPR技術有助解開南極磷蝦的基因功能，並改造其品種，或者將南極磷蝦可分解塑膠的基因選殖出來，經過改造後再轉移到適當的微生物並大量表現，應可用於解決海洋塑膠垃圾汙染。
早已絕種的動物，
也能成功復育
猛獁象（Mammuthus）存活於480萬年到4000年前的上新世（pliocene epoch），曾遍布於歐、亞及北美洲的北部地區，尤其是凍原地帶，牠們的身體有一層厚脂肪可禦寒，但是由於人氣候變遷與人類濫捕，造成最後一批西伯利亞猛獁象大約於西元前2000年滅絕。
到了2015年，美國芝加哥大學（University of Chicago）生物與解剖學教授令奇（Vincent Lynch）的研究發現，將亞洲象（Elephas maximus）細胞感熱及毛髮生長的基因加以猛瑪化〔註一〕後，此細胞可以在較低溫的環境下生長，且具有此類似改良基因的老鼠，也比較喜歡待在控溫培養箱較冷的區域。另外，美國哈佛醫學院（Harvard Medical School）遺傳學教授楚爾其（George Church）試圖使用CRISPR技術來改造印度象（Elephas maximus indicus）的胚胎，並曾修改14個大象胚胎的基因，由於將基因編輯過的大象胚胎放回印度象子宮內培養，被視為違反倫理道德，所以嘗試研發人造的子宮，但尚未成功；此舉看似瘋狂，但是如果研究成功，將可提升更多動物的耐寒能力，甚至復育已經絕種的猛獁象,
美國加州大學聖塔克魯分校（University of California, Santa Cruz）的研究人員諾瓦克（Ben Novak）則嘗試復育19世紀因人類大量獵殺而絕種的北美旅行鴿（passenger pigeon），藉由比較圖書館所保存的切片樣本和現代鴿子的DNA，以CRISPR技術修改原生殖細胞，使現代鴿子的基因更接近北美旅行鴿。在沒有CRISPR技術之前，一次修改幾百個基因是根本不可能的，有了這個技術後成功的機會大增，使得未來再度看見北美旅行鴿翱翔在天空中，已經不是遙不可及的夢了。
臺灣CRISPR技術的相關應用現況
在臺灣，已有很多實驗室使用CRISPR技術於基礎研究，如基因轉殖動物（transgenic animal）、微生物基因改造及植物育種等。根據2016∼2020年科技部補助的「非醫療相關的CRISPR專題研究案」歸納結果顯示，主要是進行生物科學（農學、生物學）、自然科學（化學、永續發展研究）及工程技術（化學工程）相關的基礎研究，如產生能對抗豬生殖呼吸道綜合症候群（porcine reproductive and respiratory syndrome, PRRS）的基因編輯種豬、編輯水稻基因使之成為抗除草劑品種、開發CRISPR和CRISPRi（CRISPR interference）混成系統應用於大腸桿菌生產琥珀酸，以及利用CRISPR技術提昇微藻的固碳效能等。
上述研究有些仍在進行中，有些研究成果則已發表於國內外學術性專書、期刊或研討會論文、報告中。另外，國內CRISPR技術用於基因編輯農作物、食用動物及工業產品的開發目前雖僅於實驗室或田間試驗階段，但技術已趨成熟，亦逐漸往研發農、工產品及食品的方向邁進。
結論
CRISPR技術與日精進，相關期刊論文發表愈來愈多，實際應用範圍也越來越廣，除成功用於生產農產品及食品，並可能用於生產醫藥品及工業產品外，甚至有潛力運用於解決環境問題及復育絕種動物。最近的文獻顯示，應用範圍已擴展到資訊儲存的領域了，有可能用於生產電子、電機、機械、光電及資訊產品，甚至是人工智慧（artificial intelligence, AI）的開發，雖然這些領域的研發要能實際應用，仍須克服相當多的困難或挑戰，但以目前CRISPR技術進步的速度來看，相信未來有實現的可能。CRISPR不但會逐漸成為各種基礎科學實驗室的基本技術，應用範圍更可能擴展到各種領域，生產的產品亦可能成為日常生活中的不可或缺。
〔註一〕此處是利用基因剔除技術（knockout,KO），將控制小鼠細胞感熱及毛髮生長的TRPV3基因，改造成類似猛瑪象可以耐嚴寒及長出長毛的基因。
延伸閱讀
1. Shipman SL et al., CRISPR-Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria,Nature, Vol.547(7663),p.345-349, 2017.
2. Allorent G, Generation of mutants of nuclearencoded plastid proteins using CRISPR/Cas9 in the diatom Phaeodactylum tricornutum,Methods Mol Biol., Vol.1829, p.367-378,2018.
3. Batchu NK et al., Whole genome sequence analysis of Geitlerinema sp. FC II unveils competitive edge of the strain in marine cultivation system for biofuel production,Genomics, 2018.
4. Stukenberg D et al., Optmizing CRISPR/Cas9 for the diatom Phaeodactylum tricornutum,Front. Plant Sci., Vol.9, p.740, 2018.
5. Lynch VJ et al., Elephantid genomes reveal the molecular bases of woolly mammoth adaptations to the arctic, Cell Rep., Vol.12(2),p.217-228, 2015.