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揭開帝王斑蝶遷徙的神秘面紗

cacbug
・2011/12/14 ・1439字 ・閱讀時間約 2 分鐘
Photograph by Joel Sartore, National Geographic

每年的秋天,百萬隻帝王斑蝶(Danaus plexippus)使用具有時間補償性的太陽羅盤指針 (time-compensated sun compass) 從美東地區飛往美國南部,穿越兩千英哩到達墨西哥中部的杉樹林度過寒冬。

科學家長久以來深深地著迷於究竟是怎麼樣的生物機制,能夠讓這些纖巧的小生物世世代代經歷這麼長距離的旅程,抵達一個大約300平方英哩的地區。

為了解開這趟讓人驚豔的旅程裡面扮演重要調控角色的遺傳因子,麻省醫學大學的神經生物學家們率先對帝王斑蝶的基因體進行解序。

帶領這項研究的神經生物學教授史蒂芬‧瑞伯特 (Steven M. Reppert),他提到:「遷徙的帝王斑蝶從前一年的秋天開始至少要歷經三個世代才能夠成功完成這趟遷徙之旅,前幾代的蝴蝶從來都沒有到過越冬的地區,也沒有親屬領導他們前往。這必定有一種遺傳的機制在調控這些蝴蝶的遷徙行為。我們想要知道這個機制並且瞭解它如何運作。」

了解帝王斑蝶的基因、行為與生理上適應的關聯性將能夠提供新的觀點來瞭解人類身上同樣的關聯性。例如,約日時鐘 (circadian clocks) 是具有時間補償性的太陽羅盤系統中主要的元件,用來控制帝王斑蝶能夠在長距離的旅程中找到方向;而約日時鐘現在已經知道在人類身上扮演重要的角色。從一日內賀爾蒙濃度的變化、藥物動力學、疾病發生過程–如心臟病最常發生於清晨時間,都透露著約日時鐘對於人類生理學有關鍵性的影響。了解約日時鐘的分子機制,已經證實有助於知道這些時鐘基因的突變對於造成睡眠時間混亂的機制,而且也有助於解開時鐘基因突變怎麼造成憂鬱症與季節性情緒失調。

發表在《細胞》期刊的這份研究,由瑞伯特博士與麻省醫學院的同儕詹帥博士 (Shuai Zhan) 和克麗絲汀‧梅林博士後研究員(Christine Merlin),以及基因體計畫解決方案的執行長傑弗瑞‧波爾博士 (Jeffrey L. Boore) 共同合作,提出利用次世代定序技術 (next-generation sequencing technology) 解開二億七千三百萬個鹼基 (273 Mb) 的帝王斑蝶基因體草圖。經過分析這些遺傳訊息組共找到大約 16,866個能轉譯成蛋白質的基因,其中有數個基因家族與帝王蝶季節性遷徙有主要的關聯性。瑞伯特與研究同儕從剛出爐的帝王斑蝶基因體中找到的基因群包括:

•太陽羅盤系統的視覺接收與腦內處理訊息相關的基因;
•帝王斑蝶約日時鐘的分子組成中全部的基因;
•調控青春激素(juvenile hormone)生合成途徑的基因群,青春激素對於遷徙行為扮演關鍵性的角色而且發現非預期的調控關係;
•指向性飛行行為的附加基因群;
•帝王斑蝶專一性嗅覺受器的廣泛特化,可能與長距離遷徙有重要的關係;
•以及多種鈉鉀幫浦產生重要的化學防禦機制,在遷徙時用來擊退捕食者。

勞立‧湯普金斯博士(Laurie Tompkins)負責監督國家衛生院的大眾醫學研究所在行為遺傳學上的研究經費,他提到:「為什麼要針對另一個物種進行解序呢?因為帝王蝶斑季節性遷徙超過千餘英哩的距離是非常特殊的。基因體的序列資訊能夠提供我們線索,解開這些蝴蝶是怎麼在行為與生理上適應長距離遷徙。」

瑞伯特說:「關於大腦處理訊息的基本機制中,參與長距離遷徙的定向系統的奧秘是非常難破解的,藉由剖析帝王斑蝶那長距離遷徙的遺傳基礎,將會不僅幫助我們認識帝王斑蝶本身,更能夠應用到其他遷徙動物,包括候鳥與海龜。」

這個研究計畫的經費是由國家衛生院的大眾醫學研究所贊助的美國復甦與再投資法案基金,以及希金斯家族的共同支持。

翻譯來源:  UMassMED

論文原文:Shuai Zhan, Christine Merlin, Jeffrey L. Boore, Steven M. Reppert. The Monarch Butterfly Genome Yields Insights into Long-Distance MigrationCell, 2011; 147 (5): 1171 DOI: 10.1016/j.cell.2011.09.052

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更人道及環保的肉類來源?——淺談「實驗室裡養的鮭魚片」

九姨_96
・2021/09/25 ・2832字 ・閱讀時間約 5 分鐘

那是個典型的炎熱的加州夏日,我剛剛從阿拉斯加釣鮭魚回來。這次的釣魚之行跟之前比不算成功,我的嚮導說,外海的商業漁船過度捕撈及氣候的變化,現在越來越少鮭魚回到河裡,他們擔心未來的魚只會越來越少。非常應景的,我一回來就訪談了一家在舊金山叫 Wildtype 的生物新創公司,他們成功在實驗室生產出鮭魚片。

這個公司是由心臟科醫師/細胞生物學家 Aryé Elfenbein 及耶魯商學院的 Justin Kolbeck 共同創立的。之所以成立這個公司,原因是 Aryé 在醫學領域見識到了,細胞全能性所帶來的可能,也看到了目前海洋及河川污然及過度捕撈的現況。而 Justin 則是因為在阿富汗的經歷,親身體驗過 food insecurity 這件事情有多麽嚴重,進而思考是否有辦法讓資源匱乏的地區也能夠獲得新鮮的食物。

在這樣的前提之下,讓他們重新思考,是否人類真的需要透過動物才能獲取肉?於是,他們在 2019 年一同成立了 Wildtype 這間公司,希望在這海洋、河川資源逐漸匱乏、到處都是塑膠微粒、重金屬的環境下,可以提供一個更永續、更安全、更人道的方式來獲取肉。

而當他們決定這個目標後,他們開始思考要往哪個方向去做,而最後選擇鮭魚主要有三個考量:第一,鮭魚是世界第二大的消費魚種,若能生產鮭魚,對於減少濫捕的會有顯著助益;第二,身為心臟科醫師的 Aryé 認為若要生產商品,也希望將世界帶到比較健康的方向去。富含 Omega-3 的鮭魚,將對大眾的健康更有助益;第三,鮭魚目前市場價格約在每磅 8 美元,比起每磅 1 美元的雞肉,鮭魚的市場價格能提供他們更多的研發空間。

Justin Kolbeck 與 Aryé Elfenbein。圖/作者提供

用「啤酒槽」養出鮭魚細胞?

美國人吃鮭魚,其實只有魚側面的兩塊菲力,其他的部分包括魚頭及內臟,大約有五成的魚體都會在處理後丟棄。於是 Aryé 與 Justin 思考,是否可以生產需要的部位就好?

答案是肯定的,而且其實製作起來更可行,生產魚片還是比生產魚頭來的單純很多。

實驗室鮭魚有兩個主要步驟,第一步在生物反應器(bioreactor)放大細胞數量。就像啤酒發酵槽,在生物反應器裡面放入細胞生長所需的最佳營養,並透過不間斷的打氣循環,讓細胞在裡面懸浮生長。

這個過程,細胞數量通常呈指數性的生長,短短幾週可以生長到萬倍之多。不過有一點要非常注意,整個細胞培養的過程必須是無菌狀態。如若不然,即使只是一個細菌、一顆黴菌孢子,在這麽營養的生長環境之下,也會跟著目標細胞一起被放大數萬倍。

像啤酒發酵槽的「生物反應器」。圖/Wildtype

第二步是讓細胞在支架裡生長。這裡他們利用植物纖維製作出支架,將細胞循軌跡生長,進而成為漂亮的魚片。不過我很好奇,那個鮭魚肉典型的白色紋理是怎麼做到的?Aryé 說那是脂肪細胞。

簡單來說,在生物反應器生長的這群細胞,就像是幹細胞一樣,尚未分化成不同功能的細胞[註1]。他們發現,透過改變支架的軟硬程度,及調整培養基的成分,可以誘導尚未分化的鮭魚細胞,分化成肌肉細胞或脂肪細胞,進而產生橘白相間的鮭魚肉。

培養出的魚肉品質如何?味道好嗎?

由於這個產品從收穫到包裝幾乎沒有時間差,我很好奇這個魚肉到底味道如何?一般市場買到的魚,即使處理得非常快速,還是跟現釣的相去甚遠,魚腮、黏液、內臟、血液,都會帶有腥味。Aryé 笑著說,沒錯啊就像現釣。

現在人其實非常少能接觸到極新鮮的魚,所以大家習慣的魚其實都是有點魚味的。所以他們在試吃的過程,很多人的反應都是他們的魚肉沒有味道,因此後來他們還特別去研究,增加一點空氣接觸,讓肉熟成一下,產生魚味。

關於保存期限,Aryé 表示,由於魚肉是在無菌狀態下生產的,所以非常非常耐放。他們目前還沒有做過完整的儲藏性實驗,但合作的廚師把他們的魚肉(未拆封狀態)放在冰箱一個月之後,吃起來還是超級新鮮。

甚至放置在室溫之下,目前的結果顯示幾天之內都不會腐敗。雖然仍需要更進一步的實驗,但如果結果屬實,短期運輸就能不需要冷鏈,除了降低運輸成本,也可以運送到冷鏈不發達的地區。

用鮭魚細胞培養的鮭魚片。圖/Wildtype

根據一篇 2019 年的訪問[註3],因為結構的問題,這個魚肉產品煮完會散掉,因此只能生食,在我看來這樣可能會降低消費者的購買興趣。Aryé 表示這點已經克服,只需要多培養一些時間,讓細胞間的結構比較扎實,就可以正常烹煮了。所以他們的產品現在可以做各種烹調法,不再局限於生食而已。同時,他們也正在規劃試吃間(tasting room),之後有進一步消息會再行公告。

潛在的吃素市場

我在進行這個訪問之前,先在我的個人臉書做了市調,結果反應最熱烈的是吃素的朋友。除了天生吃肉會過敏、一輩子要吃素的族群以外,很多人吃素是因為抱持著不殺生、不剝削動物、環境保護的原則。

雖然還有一些道德性的思考需要去界定到底吃鮭魚細胞算不算殺生,但普遍吃素的朋友都會願意去嘗試這樣的商品,並非常期待這樣的商品能夠趕快出現在市場上。

目前 Wildtype 的鮭魚,仍在小量生產的試驗階段,所以價格還是很高。目前做一盤六片的鮭魚握壽司,要價 50-100 美金。但他們很有信心,在持續的研發跟改良之後,他們最終希望售價可以降到一磅 10 美金左右,讓消費者可以在 Trader Joe’s(美國的平價超市)之類的商店輕鬆購買。

人造鮭魚還算是「魚」嗎?

目前 Wildtype 尚未拿到 FDA 核准上市的認證,因為這是一個非常嶄新的產品,法規和食品標準都尚未成形。但 Aryé 透露目前的溝通都算順利,他們被要求提供的資料及數據都算合情合理。

我繼續問,那這樣的商品可以被標示為鮭魚嗎?他說這個問題也在討論之中,但應該不會直接就寫鮭魚肉,畢竟和傳統捕撈的鮭魚不同,而且他們也希望告訴消費者這是鮭魚細胞製作而成,並不是源自於傳統的鮭魚。

但根據耶魯消費者中心的市調[註3],由於這個概念太新了,無論是「實驗室鮭魚」、「人造鮭魚」、「人工培養鮭魚」等等,目前並沒有一個名詞可以讓消費者馬上理解。

所以 Aryé 覺得最後可能會像 Impossible burger 那樣,在商品名稱下直接加一個描述句「使用植物製成的漢堡」。而他們公司希望可以在商品名稱 Wildtype salmon 之下,標註「本產品使用鮭魚細胞並在食物加工場域製作」。

最後,他也補充一個很有趣的點:根據他們內部的市調,成人消費者對於這個新概念很難理解,但五歲小孩們卻都能馬上領會。可見以人工培養鮭魚細胞對於下個世代而言是很自然的事。

文獻資料

  1. Wild Type’s Cell-Based Salmon Costs $200, But Not For Long
  2. Allan, S. J., De Bank, P. A., & Ellis, M. J. (2019). Bioprocess design considerations for cultured meat production with a focus on the expansion bioreactor. Frontiers in Sustainable Food Systems, 3. 44-44.
  3. Labeling the future: ______ salmon

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九姨_96
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九姨(Joy),留美園藝博士,副修食品。 現為加州最大草莓苗圃公司研究員。 閒暇時後喜歡做菜和寫文章,並刊載於個人粉專 Joy’s wild garden。
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