转基因生物会如何帮助解决气候变化

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更新于: 2020年12月14日13:28:39 GMT

我们能在没有选择性繁殖的情况下改变生物体的DNA吗？

是的！

我们对DNA 理解的快速发展使科学家能够直接在不同物种之间转移基因，甚至编辑基因组本身！

以这种方式产生的生物通常被称为转基因生物，或GMOs。不过，这种称呼有点误导。正如我们在上一章中了讲到的，人类已经对农作物和牲畜进行了数千年的基因改造。因此，我们将使用一个更精确的术语来描述生物体DNA的直接修改： 基因工程 (GE) 。

基因工程生物（GEOs）受到了很多负面报道，但它们实际上非常重要，不仅对于可持续农业，而且对于生产药物和治疗遗传疾病也是如此。

在本章中，我们将了解GEOs如何在农业中发挥作用，并考虑其风险。

科学家如何制作基因工程生物？

最先的基因工程生物（GEOs）是通过将基因从一种生物体转移到另一种生物体而产生的。这是怎么做到的？

识别控制特定有机体所需特征的基因（如抗病性）
复制那个基因
将基因插入另一个生物体的基因组

通过将基因从一种植物中复制并粘贴到另一种植物上，科学家们已经创造出了比传统作物产量更高、更有营养、而且在许多情况下对环境更好的作物。

让我们来看一些例子：

对虫害以及疾病的抵抗力降低了对杀虫剂的需求
在对作物生长具有挑战性的气候条件下，增强对高温、干旱和盐渍土壤的抗逆性可以提高产量
在主食中引入生产基本营养成分的基因，可以减少营养不良，改善人体健康
延长保质期的基因可以减少食物浪费

提高产量不仅改善了粮食安全，而且提高了农民的收入。显然，基因改造有很多好处。那么为什么仍然有很多人反对呢？

基因工程有什么风险？

虽然转基因生物提供了许多环境效益，但我们也必须考虑其潜在风险。对昆虫和疾病有抵抗力的作物和牲畜可能会促进害虫围绕这些防御系统进化，使其更难控制。

如果插入的基因能使转基因生物更好地适应环境，它就可以与野生种群争夺食物和空间，从而减少生物多样性。或者，转基因生物可以与野生亲缘繁殖，将转移的基因导入野生种群。

生产不传递修改过的DNA的转基因生物有助于防止基因逃逸。然而，它也阻止了农民重新种植从它们的作物中收集的种子，以便在第二年收获。这迫使农民依赖商业种子供应商，使这些公司对农民获得基因工程技术有很大的控制权。我们将在“未解决的问题”一章中讨论为什么这是一个问题。

Image of 人们对基因工程生物体有不同的看法 — 人们对基因工程生物体有不同的看法

也许公众对基因工程生物体的最大担忧是基因工程食品对人类健康的潜在风险。这合理吗？

当基因通过传统的基因工程技术从一个有机体转移到另一个有机体时，它们可以被插入基因组的任何地方。这会产生负面的副作用，比如毒素的产生和其他基因的意外破坏。转移的基因也可能引发对复制基因的有机体过敏的人的反应。

因此，虽然科学家们基本上同意转基因食品和非转基因食品一样安全，但重要的是，转基因生物在销售前必须经过严格的测试。

其中许多关注点都与不同生物体之间的基因转移有关。如果我们可以通过直接编辑DNA来引入想要的特征呢？

什么是基因组编辑？

传统的基因工程方法需要将DNA从一个生物体转移到另一个生物体，而最近在分子生物学的发现使 直接编辑生物体的基因组 成为可能。

我们如今最有效的基因组编辑工具是CRISPR-Cas系统，通常被称为CRISPR。

CRISPR是细菌用来抵御病毒的自然系统。它是如何运作的？

CRISPR这个名字实际上是指一个很短的DNA序列。在自然界中，CRISPR序列与先前感染细胞的病毒的DNA相匹配。如果病毒试图再次入侵，这些CRISPR序列可以被CRISPR相关（Cas）蛋白利用，这些蛋白就像嗅探犬一样寻找匹配的DNA。当Cas蛋白发现病毒时，它们会切断病毒的DNA，使入侵者失去活性。

那么这是如何用于基因组编辑的呢？

利用这些原理，只要我们知道生物体的DNA序列，Cas蛋白质就可以被训练来定位和切割生物体基因组中的任何基因。在细胞自身修复系统的帮助下（修复细胞DNA中的任何错误或断裂），新的基因可以被插入到DNA切割的地方。

Image of CRISPR/Cas基因编辑 — CRISPR/Cas基因编辑

但CRISPR不仅用于将基因从一种生物体转移到另一种生物体，它也可以用来直接编辑基因组。

如果没有新的基因被引入，细胞仍将修复被剪断的DNA。然而，这些修复机制并不总是准确的，并且可以通过增加或删除部分DNA来破坏基因。这听起来可能是件坏事，但如果被破坏的基因赋予生物体一种有益的特性，比如抗病性，那就真的非常有用。

此外，通过将这些新版本的基因引入植物基因组里，CRISPR可以增加物种的遗传多样性。这反过来又为传统的选择性育种家提供了更多的基因变异。

自从CRISPR技术被发现以来，人们在研究如何开发新的CRISPR技术方面取得了巨大的进展。例如，通过修改Cas蛋白，科学家现在能够精确地编辑基因序列中的每个字母 !

CRISPR比传统的基因工程方法更精确，成本更低。事实上，CRISPR可以用来生产基因组编辑的生物体，而这些生物体根本没有“外来”的DNA。这意味着，编辑后的基因在技术上与生物体DNA随时间自然发生的随机变化所产生的基因没有区别 !

结论

农民们已经对农作物进行了数千年的基因改造：基因工程只是让这些变化更快更精确地发生。转基因作物有可能使农业更加可持续，同时提高农民的收入和食品的营养含量。

然而，许多人仍然对转基因食品的想法感到不安。这主要是由于科学家和公众之间缺乏沟通。

基因组编辑的进步使基因工程比以往任何时候都更安全、更精确，现在可以对根本没有“外来”DNA的产品进行基因工程。出于这个原因，许多人认为“食品法规”，即规定产品是否可以作为食品出售的规则，应该以食品本身的安全性为基础，而不是以生产过程为基础。事实上，美国和加拿大已经是这样了。

即便如此，对所有新产品的潜在环境和健康风险进行评估，以及确保这些工具仅用于道德目的的法规仍然至关重要。

通过教育人们了解基因工程技术的好处并清楚地解决他们的担忧，转基因食品可能会被更广泛地接受。

到目前为止，我们已经研究了作物耕作的问题，以及如何利用基因工程、农业生态学和精确农业来解决这些问题。但是养殖动物呢？我们将在下一章讨论。