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最近，《自然·生物（Nature Biotechnology）》刊載了一篇論文。英國倫敦帝國理工大學（Imperial College London）的研究人員宣布，通過基因編輯技術，在實驗蚊子中傳播“絕育”基因，最快只用7代蚊子，就完全消滅了一個蚊子種群。 消滅蚊子就是實驗預期的目的。岡比亞按蚊傳播瘧疾，所以研究人員想發(fā)明一種快速滅蚊方法。但是，僅僅通過自發(fā)繁衍，就能讓人為編輯的特定基因迅速擴散，最終消滅整個種群，這種技術展示的技術潛力可不僅僅是防治瘧疾那么簡單。 經過郭德綱和網民的演繹，“祖?zhèn)鞑辉胁挥Y”已經成了著名的互聯(lián)網段子。這個笑話背后隱含了一個幾乎無可辯駁的進化論原理——如果某種基因會影響生殖能力，它必然會在自然界迅速滅絕。所以，在自然生物種群中插入先天不孕個體，對整個種群影響不大。 但英國科學家恰恰要把這條看似“不可能”的路走通，通過擴散一種不孕基因，讓族群中的母蚊子不能生育，達到種群滅絕的目的。 實驗用到了兩項當前最火的基因編輯技術：“基因剪切”和“基因驅動”。簡單來說，“基因剪切”可以剪掉不要的基因，還可以粘貼上需要的基因；而“基因驅動”能夠大大增加某個基因被繼承的概率，讓指定基因在有性生殖中傳給下一代的可能性遠大于1/2。 兩者結合，就能讓某個特定的基因，以最快速度擴散。 實驗分為兩部分：第一步，剪掉蚊子胚胎中的一段基因，看看胚胎長大后是否不孕。第二步，設法讓所有蚊子都帶上這種基因。 在第一步實驗中，科學家通過“基因剪切”得到了4種蚊子：半殘公蚊子、半殘母蚊子、全殘公蚊子和全殘母蚊子。 他們和正常蚊子的對比圖如下： 6種蚊子當中，只有全殘的母蚊子不能生育，所以目標是讓全殘母蚊子占據(jù)足夠高的比例。 為了實現(xiàn)這個設想，科學家設計了第二步實驗： 他們模擬自然投放環(huán)境，把1200只蚊子分成兩組，安置到兩個完全一樣的實驗箱中。每個箱子里有300只正常母蚊子、150只正常公蚊子和150只半殘公蚊子。這里的半殘公蚊子比第一步的更甚一籌?？茖W家運用“基因驅動”技術，讓他們更容易生出殘疾子女。殘疾的子女繼續(xù)生出殘疾的孫子輩、殘疾的曾孫……直到生不出來。 復習下高中生物教給我們的孟德爾原理，正常情況下基因傳遞概率是這樣的： 正常X正常 ——> 正常 半殘X正常 ——> 正常：半殘=1：1 半殘X半殘 ——> 正常：半殘：全殘=1:2:1 正常蚊子有1/4。 全殘公X正常母 ——> 半殘 任何公X全殘母 ——> 絕后 根據(jù)這個規(guī)律，用不了幾代，正常蚊子就會淘汰半殘種群 還記得被孟德爾遺傳支配的恐懼嗎 但這些半殘蚊子都經過基因驅動技術的改造，實際發(fā)生的情況是： 正常X正常 ——> 正常 半殘X正常 ——> 半殘：正常=9：1 半殘X半殘 ——> 正常：半殘：全殘（正常比例未知，但肯定不是四分之一） 全殘公X正常母 ——> 半殘 任何公X全殘母 ——> 絕后 總之，只要父母有一方是半殘蚊子，那后代有9成是半殘蚊子。尤其是半殘媽媽，幾乎肯定不會生出半殘子女。孟德爾看不懂的遺傳公式出現(xiàn)了。 “基因驅動”參與后的遺傳效果 這意味著半殘蚊子固然容易絕后，但在絕后之前，總是在下一代中傳播了更高比例的絕育基因。所以每一代蚊子都會生出更高比例的殘疾蚊子，最終...... 不難看出，致殘基因擴散速度將輕松超過半殘蚊子的死亡速度。而半殘蚊子越多，全殘母蚊子產生的概率就越大。 看下圖： 圖一是致殘基因在每一代的分布比例，圖二是每代的產卵數(shù)量。紅線和藍線分別表示兩個箱子。背景的灰色線條是在不同的偶然影響下，電腦擬合的種群曲線。 如圖所示，紅箱子里的第8代蚊子已經無法再產卵，藍箱子繁衍到第12代也不再產卵，全都在擬合的預測范圍內。人類第一套基因武器通過了測試。 不過，別急著扔掉你的蚊帳。因為這套武器還很不成熟。 “基因驅動”和“基因剪切”分別誕生于2002年和2012年。手持利器，科學家立刻就考慮如何花樣“虐”蚊。 主要思路如下： 1）給蚊子注入抗傳染病基因，讓每只蚊子都成為“衛(wèi)生”蚊子。 2）利用基因驅動，使蚊子只生某一性別的子孫，讓蚊子種群性比失衡 3）設法讓蚊子帶上不孕不育基因，斷子絕孫。 4）剪掉蚊子的其他基因，比如降低蚊子的視力和飛行能力，讓他們無力傳播疾病。
以上每一項研究，都信誓旦旦“有望滅絕蚊子”，但這個在地球上生活了1億年的昆蟲，生命力異常頑強。這些方法要么需要反復投放，太麻煩；要么目前技術難以實現(xiàn)；要么是蚊子很快產生基因突變。即便某種手段對一種蚊子有效，換一個亞種，基因編輯又失效了。 比如本文的主角，倫敦帝國理工大學，也反復意識到自己的技術局限性： “因為以字母Ｍ和Ｓ區(qū)分的岡比亞按蚊亞種在外表上幾乎一模一樣，卻存在大量深層基因差異，這些差異使它們的發(fā)育、進食和繁殖習性都不相同，對其中一種蚊子有效的防治手段，未必對另一種蚊子有效?！?/span>
以往談到基因武器的時候，人類總是想針對特定基因開發(fā)出一種病菌，感染包含指定基因的生物。至于病菌傳播，還得靠其他工具拋入目標種群，和傳統(tǒng)武器區(qū)別不大。但這次通過基因驅動技術，英國科學家成功地把生物的正常繁衍變成了傳播工具，等于在種群內部投下了一顆“遺傳炸彈”，殺傷半徑隨著蚊子的繁衍而不斷擴大，最終消滅整個種群。 夏天被蚊子咬的時候，每個人都期盼能一揮手消滅所有蚊子。但當人類真的掌握了這種能力，卻很少有人敢隨手扔出基因炸彈——因為我們不知道爆炸的后果。不說在人類種群中釋放基因炸彈會怎樣，就算我們能把殺傷范圍控制在蚊子一種生物，恐怕也不知道有多少食物鏈上的其他生物會被波及，會有多少地區(qū)的生態(tài)平衡發(fā)生不可逆的改變。所以，即便武器測試成熟，遺傳炸彈也必須在無比嚴謹?shù)目疾煜虏拍茚尫拧?/p> 但基因編輯技術的擴散，卻是不可逆的趨勢。因為人類并不是一種為現(xiàn)代生活“定做”的生物?，F(xiàn)代人希望“逆天而行”，希望活五百歲，又要生活精致，還要保持健康……這本身就不符合生老病死的自然規(guī)律，為基因編輯技術提供了強大的需求。所以，除了對付蚊子，很多國家已經在老鼠、狗、豬、羊……乃至人類身上開展試驗。 韓國基礎科學研究所基因工程中心的科學家們，剛剛使用CRISPR-Cas9對活鼠視網膜支撐組織進行了“基因手術”。2015年，中國科學家通過去肌肉生長抑制素基因基因創(chuàng)造了兩個超級肌肉小獵犬。
超級肌肉狗大力神（左）和天狗 2016 年，四川大學的醫(yī)療團隊開展了人體首例基因編輯（基于 CRISPR）的臨床試驗。
還有商人開始兜售自行注射的基因編輯器。 最近由Do-It-Yourself (DIY)生物黑客發(fā)起的眾籌活動引起了眾多關注。生物黑客初創(chuàng)公司Odin在其網站上銷售DIY Bacterial CRISPR試劑盒，零售價為159美元。2017年10月，Odin的首席執(zhí)行官Josiah Zayner在于舊金山舉行的合成生物學會議上為自己注入了CRISPR改造肌肉生長的基因。
生物編輯DIY包 2015年的前三個月里，基因剪切技術技術相關的成果如潮水一般的涌來，單從NCBI上的數(shù)據(jù)就可以看出，發(fā)表的論文已經達到了上萬個，從成果上來說，不但在衰老研究，癌癥研究方法取得了重要成果，而且技術上也突破了一個個難題。
過去幾百年，任何先進技術，都會首先應用于軍隊，基因炸彈也一樣——對基因編輯技術投資最大的國家機構，正是大名鼎鼎的美國DARPA，中文全稱“美國國防高級研究計劃局”。 2017年，DARPA宣布了總額6500萬美元的Safety Gene計劃，支持美國加州大學河濱分校、哈佛醫(yī)學院、麻省理工等在內的7家國內研究機構進行基因編輯技術研究。這還只是在美國國內，在英國帝國理工的論文末尾，同樣鳴謝了DARRA的資助。 DARPA宣稱“這筆投資中的絕大多數(shù)將會用于設計更安全的系統(tǒng)，以及可以抵抗或逆基因驅動產品的工具，防止有一天這種技術有意或無意地被釋放到野外?！?/p> 在基因編輯技術得以安全應用之前，我們還有其他防御措施嗎？ 目前看，還得靠傳統(tǒng)的門禁和保安。美國加州大學河濱分校的昆蟲學家 Omar Akbari 每天上下班都需要穿過六扇鐵門和一間隔離室。倫敦帝國理工大學的基因編輯實驗室同樣設有六道門，并需要兩級安全門禁權限才能進出。 這六道鐵門，在未來很長一段時間里，將是遺傳炸彈與自然界之間的全部隔離，也是基因武器和恐怖分子之間的全部防線。 |
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