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複製羊桃莉誕生 │ 科學史上的今天:07/05

張瑞棋_96
・2015/07/05 ・781字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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1996 年的今天,一隻小羊在英國羅斯林研究所(The Roslin Institute)悄悄誕生。七個多月後,當這隻名叫桃莉(Dolly)的母羊公開亮相時,震驚全球,不但上了全世界媒體的頭條新聞,所挑起的各項針鋒相對的爭論更是久久不息,因為牠的誕生方式似乎預告了人類的未來。

桃莉沒有父親,卻有三個媽媽;第一個媽媽提供乳腺細胞核,第二個媽媽提供去掉細胞核的卵子,兩者結合分裂成胚胎後,再放入第三個媽媽的子宮裡。基本上桃莉的 DNA 與第一個媽媽一模一樣,也就是說牠是一隻複製羊。

雖然早在 1952 年,英國的生物學家葛登(John B. Gurdon)就用類似的方法成功複製了青蛙,但桃莉成為史上第一隻成功複製的哺乳動物,才令人不由得擔心人類是否也能如法炮製,原本只是科幻題材中的複製人,如今似乎可能在現實世界中出現?!

在各界的議論紛紛中,桃莉持續帶來驚奇。牠不但在羅斯林研究所內繼續順利成長,還與一隻公羊自然交配懷孕,自 1998 年起先後生下六名子女。然而桃莉其實並不像表面看起來那麼正常。正常羊的壽命是十二歲,但牠三歲起就出現衰老的現象,五歲半就得了老羊才有的關節炎,令人不禁懷疑牠是否一出生的生理年齡就已經六歲──提供 DNA 那個媽媽當時正是這年紀。

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2003 年 2 月 14 日,鑒於牠日趨嚴重的肺炎無法治癒,為了讓牠免於折磨,將牠帶來這世上的科學家決定予以安樂死。就這樣,以人工方式獲得生命的桃莉也以人工方式失去生命。

桃莉的誕生帶來許多意義深遠的大哉問,包括生命的本質、操控基因的界限、複製生命引發的倫理道德與法律問題……等等議題,值得我們反省與思索。而牠的一生更是在在展示了生命的神奇奧妙與複雜難測,告誡我們面對生命始終要謙卑以對。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 955 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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我們可以怎麼運用幹細胞?克隆技術可以解決同性生殖問題嗎?
賴昭正_96
・2023/12/27 ・5121字 ・閱讀時間約 10 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

因被極有彈性的膜和果凍層包圍著,非洲爪蟾的卵與其它兩棲動物的卵不同,使得微量移液器無法穿透,所以我第一次嘗試在非洲爪蟾中移植細胞核完全不成功。⋯⋯如果實驗——或其他事情——沒有立即成功,請不要放棄!

——格登(John Gurdon)2012 年諾貝爾醫學獎

在「認識病毒全攻略!病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制」一文裡,筆者提到細胞是生命的基本單位,它主要由基因組(genome)、細胞膜(cell membrane)、細胞質(cytoplasm)、和核醣體 (ribosome)組成。細胞質為執行細胞生長、代謝、和複製功能的地方,為細胞中的微觀工廠;核醣體將遺傳密碼從核酸的分子語言翻譯為氨基酸的分子。細胞本身含有代謝酶,因此有營養系統;不需宿主活細胞,即可自行繁殖。

高等動植物的細胞不像細菌,具有真正的細胞核(nucleus),故稱為真核細胞(eukaryotic cell)。它們沒有細菌的「質粒」(plasmid),但卻有像消化系統一樣的「線粒體」(mitochondria)來吸收營養,分解營養,並為細胞創造能量豐富的分子。

幹細胞

在大多數物種中,只有兩種完全不同類型稱為「配子(gamete)」的生殖細胞:卵子與精子。卵子是生物體中最大的細胞,而精子則是最小的;它們可以說是「發育不完全」的精簡細胞:卵子只具有細胞核及細胞質,精子則只具有細胞核及粒線體;它們的細胞核內均只有一半的染色體(稱為「單倍體基因組」)。儘管如此,卵子還是是最引人注目的動物細胞:因為一旦被精子活化(精子與卵子融合,稱為「受精」1),它可以在幾週內產生一個全新的個體。

圖/作者提供

人類的卵子受精後約五到六天,就會分裂形成大約一百個細胞的囊胚(blastocyst),見上圖右半。囊胚由內部細胞群(inner cell mass)及囊胚外層(trophectoderm)組成:前者將繼續分裂發展成胚胎(embryo 2),後者則將附著在子宮內膜成為胎盤 (placenta),保護和滋養發育中的胚胎。因為受精卵(zygote)可以分裂產生所有的細胞(包括胎盤),故稱為「全能幹細胞(totipotent stem cell)」。內部細胞群的細胞則因能繼續分裂發展成生殖細胞及體細胞(somatic cell)的人體各部位器官,故稱為「多能幹細胞 (pluripotent stem cell)」,又稱為「胚胎幹細胞(embryo stem cell)」,簡寫為 ES。

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生殖細胞及體細胞一旦形成後,就有其特定「專業化」的功能,不能再如幹細胞一樣轉換成其它細胞。因此自 20 世紀初以來,一直困擾細胞生物學家的問題是:體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎?一個受精卵如何會在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞呢?這些體細胞又如何記得繼續分裂成同樣的體細胞呢?

布里格斯(Robert Briggs)和金 (Thomas King)於 1952 年在活體生物體中進行了首次青蛙核移植 (nuclear transfer)實驗:將一個早期胚胎細胞核移植到去核的卵細胞中。他們發現不同發展階段的胚胎核可以造成非常不同的結果:早一天的可以繼續發展成青蛙,晚一天的則胎死腹中。此結果顯然回答了第一個問題:細胞核的遺傳物質在開始分化時會發生不可逆轉的改變,如重新排列遺傳物質使其變得更加專業化、永遠有效地關閉不使用的基因、甚或拋棄數百個不再需要的基因等等。

克隆教父——約翰.格登爵士

格登(John Gurdon)1933 年出生於英國漢普郡(Hampshire)迪彭霍爾(Dippenhall)。就讀於伊頓公學 (Eton College)寄宿學校時,成績不是特別好。在上了一學期的生物學後,老師寫了一份報告說:「我相信格登想成為科學家,但從目前的情況來看,這是相當可笑的。如果他不能學習簡單的生物學事實,他就沒有機會從事專家的工作,這對他和那些必須教他的人來說都純粹是浪費時間。」所以格登畢業後申請了牛津大學的古典學課程,但招生導師因為缺少理科生,告訴他說:「我很高興地告訴你,我們可以接受你,但有兩個條件:一是你得立即開始,第二是你不要學習你參加入學考試的科目。」就這樣,格登終於追求到他的夢想,最後在牛津大學取得發育生物學博士學位。你說人生不是一連串的巧合與意外麼?

約翰.伯特蘭.格登爵士(Sir John Bertrand Gurdon) 圖/wikimedia

1956 年格登開始了核移植的博士研究:但不是移植正在發展中的胚胎細胞核,而是移植已經發展完全的體細胞核到去核的未受精卵內——稱為「體細胞核移植 (somatic cell nuclear transfer,SCNT,見上圖左半 )」。格登早期得到的結論因與布里格斯和金的結論相左,因此受到了強烈的批評。1962 年,格登將西部矮爪蛙(學名 Hymenochirus curtipes)的腸細胞核移植到未受精、去核的非洲爪蟾卵中,竟然發現這種經過改造的卵細胞可以長成一隻新的西部矮爪蛙!這毫無疑問地證明了:(1) 成熟的細胞核仍含有形成所有類型細胞所需的遺傳訊息(即與受精卵具有同樣的基因),(2) 幹細胞在發展中專業化成體細胞是可逆的。

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克隆哺乳動物

格登成功地從體細胞核複製/克隆 (clone) 了兩棲類動物青蛙,當然立刻有科學家想到是否可以用同樣的方法來複製哺乳動物。可是為什麼要等到 30 多年才出現克隆的多莉羊 (Dolly the sheep 3 ) 呢?原來格登選青蛙是有其理由的:兩棲類動物的卵子都是透明、且非常大,一產就大量排出體外。即使這樣,他的成功率還是低的;還好正如筆者在「愛因斯坦所相信的上帝,是你以為的那位上帝嗎?」一文裡所說的「要證明上帝存在比證明祂不存在簡單多」,格登只要在幾百個實驗中不被合理質疑地克隆出一隻青蛙就夠了。

多莉的生命始於試管中的一個單細胞(取自芬蘭多塞特羊的乳腺細胞核和蘇格蘭黑臉羊的去核卵細胞),六天後在實驗室確認正常發育後,胚胎就被轉移到代孕母親體內,於 1996 年 7 月 5 日出生。但在英國羅斯林研究所 (Roslin Institute) 發表論文前,白臉多莉的出生一直被保密。1997 年 2 月 22 日宣布她的誕生後,全世界的媒體紛紛湧向羅斯林去一睹這只如今聞名的綿羊風采,也引發了媒體關於克隆倫理的爭論。

現在大部分先進國家都已經禁止克隆人的實驗,因此各地的實驗室大都只克隆人類胚胎細胞,作為研究及治療用。2018 年,中國科學院上海神經科學研究所首次利用 SCNT 成功克隆靈長類動物,誕生了兩隻名為「中中」和「華華」的食蟹雌獼猴。

誘導多能幹細胞

到了 21 世紀初,研究胚胎幹細胞的科學家已經鑑定出二十多個似乎對胚胎幹細胞至關重要的基因。這些基因的功能不一定相同:有些對於自我更新很重要(即一個 ES 細胞分裂形成兩個 ES 細胞),而另一些則用來阻止幹細胞分化。科學家也找到如何在培養皿中維持多能胚胎幹細胞的方法,及如何改變培養條件使其分化成各種細胞類型,如肝細胞、心臟細胞、和神經元等。但他們能否利用這些資訊將完全分化成熟的體細胞變成像胚胎一樣的幹細胞嗎?

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2006 年,日本京都大學的山中伸彌(Shinya Yamanaka)和博士後研究員高橋(Kazutoshi Takahashi)終於宣稱只要透過其中四個基因,即可將小鼠纖維母細胞(只能產生其它纖維母細胞)重新編程 (reprogramming),成為能產生多種不同類型細胞的多能幹細胞。他們將這樣製造出來的幹細胞稱為「誘導多能幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)」。山中伸彌與格登兩人因研究出如何將專業化的成熟細胞重新編程使其具有多能性,而一起榮獲 2012 年諾貝爾醫學獎。

重新編程

精子和卵子像體細胞一樣,也是由受精卵分化出來了,所以應該是一個高度專業化的細胞,但它們融合成受精卵後又變成全能幹細胞,因此顯然融合後的細胞核被卵子微觀工廠的細胞質重新編程,失去大部分分化時的分子記憶(尤其是精子核,變成一張幾乎完全空白的畫布)。格登與複製綿羊的維爾穆特(Ian Wilmut)和坎貝爾(Keith Campbell)就是利用了這種重新編程現象,將體細胞核插入卵細胞質中創造出了新的克隆。

卵子的細胞質顯然就像一個巨大的分子橡皮擦,它能非常迅速地在 36 小時內完成這個重新編程過程,擦掉了細胞分裂過程中專業化的修飾痕跡(imprinting)。在提高山中伸彌之體細胞重新編程為 iPSC 細胞的效率(遠低於1%)和速度(需要數週)上,分子生物學家雖然已經取得了很大進展,但與自然界一比,仍相差甚遠。

筆者寫這篇文章的動機事實上是出於想解救同性戀的傳宗接代問題。研究顯示雖然不存在單一的同性戀基因,但來自數十萬人的 DNA 也揭示了一些與同性性行為有關的基因變異。在「同性戀、熊貓、與適者生存」(科學月刊 2014 年 7 月號,見《我愛科學》)一文裡,筆者提到:傳宗接代為「種族生存」的必要條件;同性戀者不能傳宗接代,不是遲早將從地球上絕跡嗎?一個筆者想到的解救的方法是:像體細胞核移植一樣,用同性「夫妻」的配子核取代受精卵中尚未融合的雌性與雄性原核 (pronuleus),希望它們融合後能繼續發展成胚胎⋯⋯。

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筆者正在幻想如何申請專利賺大錢時,卻發早在 1980 代,肯亞裔的英國發育生物學家蘇拉尼(Azim Surani 4)就已經開始了類似的研究。他以老鼠為對象的實驗毫無疑問地證明了哺乳動物的繁殖不只是傳遞系統的問題:不僅需要兩個單倍體基因組來融合形成一個二倍體核的受精卵,事實上其中一個必須來自母親,另一個來自父親!顯然卵子之細胞質的重新編程不是 100% 地擦掉了所有分裂過程中的修飾、專業化痕跡,而是至少保留了一些必要的基因來源資訊!⋯⋯夢想破滅,只好重做馮婦執筆寫文章(保證不是人工智能代寫的),悲哉!請點個「讚」以聊慰筆者之失望吧!先謝啦!

如果能解開幹細胞之謎,或許也能解開同性繁衍的問題。 圖/envato

結論

幹細胞具有非凡的自我更新潛力:在生命早期和生長過程中可以在體內發育成許多不同的細胞類型。幹細胞可以分成多能幹細胞和「成體幹細胞(adult stem cell)」兩類。前者就是我們討論過的胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞;後者也稱為「體幹細胞(somatic stem cell)」,它們已在許多器官和組織中被發現(通常在特定的解剖位置5)。這些特定器官的體幹細胞雖然不是多能的,但在生物體的整個生命週期中,卻扮演著非常重要的內部修復工作:它們可能會長時間保持靜止(不分裂),直到需要替代因正常磨損或疾病而損失的細胞時才被活化。

即使法律上不准複製人,相信讀者早已看出幹細胞在醫療上的可能作用:如果我們能用與我們體內相同的新細胞來取代罹患第一型糖尿病時失去的胰島素分泌細胞、或阿茲海默症失去的腦細胞、或骨關節炎失去的軟骨生成細胞等,那就不必擔心器官移植所造成的免疫系統排斥問題,或缺乏可用來移植的器官的困擾。這種使用克隆幹細胞來作為醫學治療用的領域稱為「治療性克隆(therapeutic cloning)」。

本文只回答了 20 世紀初以來一直困擾細胞生物學家的第一個問題:體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎?至於如何重新編程、一個受精卵如何在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞、這些體細胞又如何在分子層面上被修飾使其只能繼續分裂成同樣的體細胞等更複雜的問題,則需等待新興的「表觀遺傳學(epigenetics)」來回答。

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註解

  1. 在某些生物體中,精子並不是嚴格必需的,它們可以透過各種非特異性化學或物理處理來人工活化卵子;例如一些脊椎動物(如一些蜥蜴)的卵子通常是在沒有精子活化的情況下繁殖的,稱為「孤雌生殖(parthenogenesis)」 。
  2. 像胎兒(fetus)的生命從什麼時候開始一樣,胚胎從什麼時候開始也沒有嚴格一致的共識。因當囊胚成功地植入子宮內膜時,母體會立即開始產生荷爾蒙來支持懷孕,筆者認為這應該是很好的胚胎起始點。到受精後大約八個禮拜,大部分人體器官和系統均已成型,也可偵測到心跳。第八週後稱為胎兒。
  3. 以美國西部鄉村歌手 Dolly Parton 的名字命名。
  4. 因試管嬰兒而獲得 2010 年諾貝爾獎之愛德華茲(Robert Edwards)的博士學生。
  5. 不是所有的器官都有這些體幹細胞,例如心臟就沒有,因此一旦數以百萬計的心肌細胞因缺氧(心肌梗塞)而死亡時,人體內就沒有自然系統可以取代它們。反之,肝臟則是具有高度再生能力的內臟器官,它可以在化學損傷或手術切除後再生。

延伸閱讀

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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人類有可能扮演上帝嗎?喬治.丘奇的基因科學之夢(下)——《未來的造物者》
臉譜出版_96
・2023/11/13 ・4303字 ・閱讀時間約 8 分鐘

人類改良

二○一三年,「去滅絕」觀念在集結分子生物學者、環保主義者與記者的 TED x 去滅絕研討會上廣受接納,與會者討論了讓長毛象、袋狼(Tasmanian tiger)等物種起死回生的可能性。布蘭特在會上發表了一場引人深思的演說,論及生物多樣性的喪失,以及利用丘奇的科技再次賦予滅絕動物生命的機會。他藉著研討會與 TED 平臺推出「基因重現及復原計畫」(Revive and Restore),旨在調查生物滅絕的原因、保存生物學與遺傳上的多樣性,並且應用生物科技修復我們的生態系統。

布蘭特的 TED 演講大受好評,同時卻也令許多人又驚又怒,一些科學家、環保主義者聽到布蘭特想讓滅絕已久的生物死而復生,不禁感到十分驚恐。這可不僅是複製現存的動物那麼簡單——也不是在複製曾經生存在地球上的動物——而是模糊了現存與滅絕動物之間原本分明的壁壘。況且,丘奇也表明自己不僅對長毛象與鴿子感興趣,還想拿尼安德塔人(Neanderthal)的 DNA 來做實驗——他不僅想復活其他動物,甚至想改良人類。

尼安德塔人。圖/wikimedia

你也許和過去的科學家一樣,認為尼安德塔人是原始的次人類物種,基本上就是粗獷、野蠻版的人類。不過從近期的研究看來,尼安德塔人其實十分聰明,他們不僅建造了有組織的文明,以物種而言也十分成功,存活了二十五萬年。(作為對比,研究者認為最古老的智人〔Homo sapiens〕生存於三十萬年前的地球。)尼安德塔人的身體能有效保溫,因此能在嚴酷的環境生存,而且他們非常強壯——這部分倒是符合人們對他們的刻板印象——卻也擁有良好的精細肌動技能(fine motor skills),能夠做到精細的動作。若製作智人與尼安德塔人(Homo neanderthalensis)的雜交種,或許就能創造較健壯的人類物種,這種新尼安德塔人可能可以面對現代的氣候變遷難題與極端天氣事件,也比較有可能在遷徙至全新環境時存活下來。

目前已經有人定序歐洲與亞洲出土的幾組尼安德塔人化石基因體,接下來科學家便能小片段分析與合成此基因體,在人類幹細胞中拼組出正確的尼安德塔人 DNA 序列,如此一來,理論上就能做出尼安德塔人複製體了。我們來聽聽丘奇的說明吧:

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你會先從成年人類的幹細胞基因體著手,逐步反向操作回推至尼安德塔人基因體,或者是合理程度上相近的基因體。這些幹細胞可以生產組織與細胞。假如未來社會接受複製動物的觀念,也重視真正的人類多樣性,那甚至能將完整的尼安德塔人複製出來。

出生於現代的尼安德塔人當然會面臨許多挑戰,舉例而言,典型的西方人飲食多為乳製品、精緻穀物製品與加工食品,即使是鐵胃的尼安德塔人可能也無法消化塔可鐘(Taco Bell)的起司玉米片多力多滋瘋狂塔可餅——你如果沒吃過,可以把它想像為多力多滋做成的塔可餅,裡頭包著調味過的廉價絞肉與抗結劑做成的切達起司混合物。尼安德塔人再怎麼健壯,兩份塔可餅下肚後,他們——還有他們的史前消化系統——想必也會舉旗投降。

塔可鐘的起司玉米片多力多滋瘋狂塔可餅。圖/Taco Bell

你或許認為復活尼安德塔人這種想法糟糕至極,那如果我們單純借用幾段尼安德塔人基因,稍微修改人類自己的身體呢?你想想看,尼安德塔人可是沒有乳糜瀉(celiac disease)這種疾病,不會像現代一些人一樣對麩質過敏而導致身體疼痛。他們的免疫反應與我們不同,研究者也許能藉助尼安德塔人免疫系統,找出根治類風溼關節炎(rheumatoid arthritis)、多發性硬化症(multiple sclerosis)與克隆氏症(Crohn’s disease)等自體免疫疾病的方法。此外,尼安德塔人的骨骼非常堅硬,我們也許能借用骨骼密度相關的基因,用以治療數億女性在逐漸老化時不得不面對的骨質疏鬆問題。

***

你也許會覺得混合尼安德塔人與智人基因並讓代理孕母生下這樣的融合生物,聽起來完全就是恐怖片或反烏托邦科幻小說的劇情——沒錯,許多虛構作品的確探討了類似的議題,而在大部分故事中,人類試圖改變上帝偉大的計畫時,往往會招致災難。這類作品包括:H.G.威爾斯(H. G. Wells)的《攔截人魔島》(The Island of Dr. Moreau,一八九六)、阿道斯.赫胥黎(Aldous Huxley)的《美麗新世界》(Brave New World,一九三一)、法蘭克.赫伯特(Frank Herbert)的《沙丘》(Dune,一九六五)、娥蘇拉.勒瑰恩(Ursula Le Guin)的《黑暗的左手》(The Left Hand of Darkness,一九六九)、南希.克雷斯(Nancy Kress)的《西班牙乞丐》(Beggars in Spain,一九九一),以及理查.摩根(Richard Morgan)的《碳變》(Altered Carbon,二○○二)。這同時也是《星艦迷航記》(Star Trek)與漫威(Marvel)X戰警(X-Men)系列頻頻討論的議題,後者的反派角色萬磁王(Magneto)甚至打算「讓智人臣服於變種人!」。

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綜觀歷史,無論是科學或社會都不樂見任何人扮演上帝,甚至是談論扮演上帝相關的議題。瑪麗.雪萊僅僅是撰寫了關於怪物的故事——並不是創造出真正的怪物——就因為故事太具顛覆性而不敢以本名出版作品,以免政府剝奪她扶養孩子的權利。

桃莉羊被複製出來時引起許多恐慌。圖/giphy

桃莉羊成功複製出來時,全球各地無數人召開了緊急會議與記者會,幾乎無人注意到桃莉羊計畫明文道出的宗旨:增進我們對生物發育過程中細胞變化的瞭解。人們迅速做出了極端負面的反應,密蘇里大學聖路易斯分校(University of Missouri in St. Louis)醫學倫理學者隆納.孟松(Ronald Munson)博士對《紐約時報》表示:「精靈已經從神燈裡放出來了。」他接著質問道:下一步會是什麼,難道要用十字架上的一滴血把耶穌基督也複製出來?波士頓大學(Boston University)公共衛生學院公衛法律系主任喬治.安納斯(George Annas)教授也對生物學與遺傳學界表示譴責。「正確的反應該是驚恐才對。」他說道,並聲稱按邏輯推演,下一步想必就是複製人類了。「父母並沒有權利收集孩子的細胞,做出那個孩子的複製品。大眾對於複製人的反對聲浪是對的。」蘇格蘭教會甚至正式頒布教令,要求聯合國通過具約束力的禁令,禁止複製生物行為。該教會引用《舊約》的《耶利米書》(Jeremiah)1:4-5,表明人類不可取代上帝:「耶和華……〔說〕:『我未將你造在腹中,我已曉得你;你未出母胎,我已分別你為聖。』」美國總統比爾.柯林頓特地舉辦一場活動並安排電視轉播,在活動上宣布禁止聯邦政府提供經費給任何複製人類相關的研究計畫。

CNN與《時代》(Time)雜誌在一九九七年三月一日發表的調查結果顯示,多數美國人突然對核轉置技術——生物複製技術之一——產生了明確的意見。現在說來你也許會覺得難以置信,不過在桃莉羊誕生前,那些人大多從未花心思想過複製生物議題,也從沒思考過核轉置技術相關的問題。那份調查中,三分之一填答者表示他們為桃莉羊的存在深感不安,甚至願意參加反對生物複製的公眾示威與抗議。在桃莉羊問世將近二十五年後的今日,我們獲得了重要的知識、新生物科技,以及對生命運作模式更廣泛的理解。地球可還沒被惡魔複製羊攻占呢。多虧了桃莉羊,科學家開始複製成人的幹細胞,進而創造出人工「誘導性多功能幹細胞」(induced pluripotent stem cell,iPSC),並將之用於醫學研究。有了 iPSC 之後,利用胚胎做研究的需求減少了,多少消弭了胚胎研究多年來引起的倫理疑慮。研究者能用 iPSC 研究老化過程——並且首次將成年細胞再程序化,表現出年輕細胞的特性。這類研究開啟了新一道大門:人類也許能使用各種幹細胞療法治療疾病,畢竟解藥若出自病人自身的遺傳密碼,那就不可能受免疫系統排斥了。今天已經有許多再生醫學療法可用以治療血液相關疾病,其中包括白血病、淋巴癌(lymphoma)與多發性骨髓瘤(multiple myeloma),以及心衰竭等其他退行性疾病。

研究者能用 iPSC 研究老化過程——並且首次將成年細胞再程序化,表現出年輕細胞的特性。圖/giphy

要改變人們的信念與觀感往往要花費大量時間,而這也無可厚非——我們畢竟受數百年的著作與根深柢固的社會價值觀影響。科學家經常在無預警的情況下發表驚天動地的新發現,當我們面對這些挑戰現存思想的新聞時,自然會感到震驚、疑惑,甚至是焦慮,而有時連科學界內部人士也會感到不安。當丘奇的生物去滅絕想法廣泛傳開後,《科學人》(Scientific American)的編審委員會在二○一三年寫了一篇帶諷刺意味的譴責文章,主要論點是丘奇花在這份實驗性技術上的金錢,應該用在傳統保育行動上才對。丘奇自己也在《科學人》發表一篇文章反駁他們,在文中鎮定地說明讓滅絕生物復活的目的,並表示自己的計畫不是為了製作「絕種生物的完美活體複製品,也不是為了成為實驗室或動物園裡一次性的展演」。他解釋道,他的研究重點是探討我們能對現存生態系統做出的調整,以確保在人為環境變遷過後,人類仍能存活下去。

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截至二○二○年十二月,丘奇與他的哈佛研究團隊已逐步逼近他們複製長毛象的「巨大」目標了。亞洲象的基因體和長毛象約有百分之九十九.九六相似,然而剩下那百分之○.○四加總起來卻等同DNA序列當中的一百四十萬處差異。這些差異大多無關緊要,不過在我們寫這本書的目前為止,丘奇團隊已辨識出一千六百四十二段重要的不相似基因,仍須持續做研究才有可能複製出長毛象。團隊還在努力逐一設計、測試與微調他們在實驗室裡培養的細胞,希望能製作出正確的基因序列,讓類似長毛象的亞洲象得以存活下來。他們希望能用長毛象與亞洲象相似的基因作為基底,只不過這頭大象會擁有長毛象濃密的毛髮、適應嚴寒氣候的血紅素、積存多層脂肪的能力,以及其他優點,例如可讓鈉離子通透的細胞膜,這對長毛象適應冬季嚴苛環境大有幫助。在調整出正確的特性組合之後,研究團隊便能將這些改良版皮膚細胞注入幹細胞,做出活生生的(有點長毛的)長毛象。丘奇與德州企業家班恩.拉姆(Ben Lamm)在二○二一年九月成立了巨大公司(Colossal),專門支援他們的長毛象研究計畫。

假使成功製造出長毛象,這些二十一世紀版的長毛象將會居住在新的家園裡——一個靈感起源於小說家麥克.克萊頓(Michael Crichton)作品的新家,只不過這地方不會取名為侏儸紀公園,而會以更新世為名。更新世公園(Pleistocene Park,沒錯,真的是這個名字)是位於西伯利亞的實驗區,許多原生物種在多年工業化衝擊過後,終於得以重返這個自然保護區,在此再野化(rewild)的物種包括雅庫特馬、加拿大馬鹿、美洲野牛、犛牛等動物。若將修改版長毛象野放於此,就能看出大動物踩踏雪地與永凍土是否能改善氣候問題了。

——本文摘自《未來的造物者》,2023 年 11 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

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人類有可能扮演上帝嗎?喬治.丘奇的基因科學之夢(中)——《未來的造物者》
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・2023/11/12 ・4139字 ・閱讀時間約 8 分鐘

猝睡症

在研究路上,丘奇認識了哈佛分子生物學者吳昭婷(Chao-ting Wu)博士。吳十分欣賞他不受拘束的工作態度與創意,也支持他瘋狂的想法,兩人墜入愛河,在一九九○年結婚。他們在數年後生了個女兒,女兒的睡眠模式和父親同樣不尋常。吳提議父女都去做檢查,結果丘奇和女兒都被診斷出猝睡症(narcolepsy)。丘奇意識到自己若接受標準治療就會失去清醒夢狀態,於是他決定接受嗜睡症狀,繼續照常生活。他不再開車,但也學了一些保持清醒的方法,例如站立或在雙腳之間轉移重心。

儘管與眾不同,丘奇仍在家人幫助下活出精采的人生,他深受家人啟發,開始大力支持其他人的想法。到了二○○○年代初期,他門下已有背景各異的學生,發表論文數也多達數百,其中許多篇奠定了現今合成生物學的基礎。二○○四年一篇論文提出平價 DNA 合成方法,並示範了將一條條 DNA 印在微型晶片上的技巧。二○○九年一篇重大的研究論文中,丘奇提出能同時分析數百萬份基因體序列的新科技。那之後,丘奇想到了加速基因建造與拼組過程的方法:他想將生物演化應用在實驗室裡。還記得先前介紹的青蒿素嗎?在研究青蒿素合成方法的過程中,研究團隊費了約二千五百萬美元與約一百五十人一年份的辛勞——而當時的任務僅是稍微調整數十段基因,和合成一整隻生物相比差得太遠了。丘奇認為不必從零編寫一份完美的 DNA 密碼,而是能讓機器從設計草圖開始自動發展出多種變化,之後再挑選出最成功的幾個版本。

合成生物學

他和實驗室一小群人還真製造出這麼一臺機器,它是機械手臂、燒瓶、管線與偵測器組成的四不像,全都由電腦操作。他們的第一場實驗是稍微改變一株大腸桿菌,讓它生產更多茄紅素(lycopene)——讓番茄呈紅色的類胡蘿蔔素。機器做出了一百五十億個新菌株,每一株的遺傳密碼都經過調整,有些菌株能生產比原菌株多達四倍的茄紅素。丘奇將這種方法稱為「多路自動化基因體工程」(multiplex automated genome engineering,MAGE),這可以算是生物演化,只不過是加強版演化。他還想到幾種實際應用方法,例如創造各不相同的人類細胞株做研究使用——有了這種方法,科學家就能瞭解突變造成疾病的機制等等,有機會大幅改變我們醫學與醫療發展。我們或許可以設計出對病毒有抗性的幹細胞,將它們用於細胞療法,或者也可以設計並培養對疾病有抗性的新器官。我們理論上還能調整基因體之後用體外受精技術讓受精卵在母體子宮著床,最後生下對病毒有抵抗力的嬰兒。

我們理論上能調整基因體之後用體外受精技術讓受精卵在母體子宮著床,最後生下對病毒有抵抗力的嬰兒。圖/giphy

但是說到底,丘奇最重大的貢獻可能是在二○一二年發現輕易改變 DNA 序列、修改基因功能的方法,進而奠定 CRISPR 技術的基礎。CRISPR 是基因編輯的科技基石,全稱為「常間回文重複序列叢集」(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR),這是基因體當中特定一種重複的 DNA 序列,序列無論是正讀或反讀都一樣。廣泛而言,這是一種有廣泛用途的技術,可用以改正基因缺陷,還可用以創造生命力較頑強的植物或消滅病原體。

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丘奇和從前的博士後學生——哈佛博德研究所(Broad Institute)的張鋒(Feng Zhang)——合力在《科學》期刊發表數篇論文,提出了用 CRISPR 技術引導細菌酶 Cas9 精準剪切人類細胞 DNA 的方法。他們以微生物學者伊紐曼.夏彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)與生物化學學者珍妮佛.道納(Jennifer Doudna)早先的發現為基礎;夏彭蒂耶、道納兩人當時分別在瑞典優密歐微生物研究中心(Umeå Centre for Microbial Research)與加州大學柏克萊分校做研究,她們發明了用 CRISPR 關聯蛋白質(CRISPR associated proteins)這種酶有效剪貼 DNA 的方法。她們的 CRISPR 系統在二○一○年代引起了一波淘金狂潮,致使兩人在二○二○年獲得諾貝爾化學獎,成為有史以來第一個贏得諾貝爾科學獎項的全女性團隊。丘奇雖也有貢獻卻未得獎,但他不以為忤,反而對記者表示「我覺得這個選擇非常棒……那是關鍵的新發現」,並接著誇讚夏彭蒂耶與道納優秀的工作成果。

過去二十年來,丘奇平均每年合作成立一家新公司,主要是為了幫助自己門下最有潛力的博士後研究員離開實驗室、正式出社會。他另外申請了六十份專利、輔導了新一代基因工程師,協助新世代研究者塑造明日世界。到了二○○○年代中期,他萌生了重新發明塑膠杯的想法,只不過這次不用石化材料。簡單而言,丘奇團隊將微生物的遺傳訊息再程序化,讓微生物吃下糖之後生產聚羥基丁酸酯(polyhydroxybutyrate),這種強韌且可生物分解的材料能用以短時間容納液體,對攤販而言再適合不過。團隊在二○○九年甘迺迪表演藝術中心(Kennedy Center)一場演出的中場休息時間首次推出新產品,杯子上貼著得意洋洋的宣言:「百分之百植物製成的塑膠。」

以植物為原料製成的可口可樂寶特瓶。圖/讀新聞學英文

丘奇另外和一小支科學家團隊提出了腦科學計畫(BRAIN Initiative),結合國家科學基金會、國防高等研究計畫署等公私部門的力量,試圖解析大腦的運作原理。他在二○○五年推出個人基因體計畫(Personal Genome Project),用以交流基因體、健康與遺傳特徵等公眾數據。為了推動計畫,丘奇與科學界許多著名人物公開了自己的基因體數據,希望能促使人們自由分享數據,以便讓科學家研究人類的基因與遺傳特徵,並且開啟關於個人遺傳密碼透明度與隱私的討論。公開自身基因體數據的人包括受過太空人訓練的投資者與慈善家艾絲特.戴森(Esther Dyson)、哈佛醫學院的科技主任約翰.哈拉姆卡(John Halamka)、客製化醫療保健公司賽歐納(Sciona)的創辦人羅莎琳.吉爾(Rosalynn Gill)、知名心理學者與作家史迪芬.平克(Steven Pinker),而丘奇本人當然也參與其中。十組基因體並不算太多,而數據本身雖然沒有署名,這十位著名人物的身分還是對大眾公開了,所以不可能完全保證他們的隱私。他們願意提供資料,完全是多虧了丘奇的請託。

復活

讀到此處,你想必看得出丘奇是聰慧且願意挑戰自己與他人的思想家、啟發人心的導師,也許還有一口氣接下太多計畫的毛病。換言之,他就是那種會去研究如何讓絕種動物復活的研究者——而他特別想復活的動物,正是四千年前在更新世(Pleistocene)絕跡的長毛象。

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四千年以前,長毛象已經在地球極北存活數千年。你可以將牠們想像為大象的近親,只不過身上長著粗糙的毛髮與多層脂肪以便抵抗冰河時期的嚴寒,還有可用以覓食的長象牙。(過了很久很久以後,創作者從牠們身上得到靈感,創造了《星際大戰》〔Star Wars〕中的虛構生物「班薩」〔bantha〕。)我們不清楚長毛象滅絕的確切原因,不過研究者認為是人類狩獵與氣溫變化減少了長毛象族群數目與食物來源。

長毛象算是「關鍵物種」(keystone species),生態系統裡其他物種在許多方面都仰賴牠們的存在,才得以穩定生存。長毛象成群行動、找尋可食用的枯草時會將樹木撞倒,也會將雪層壓實,保持永凍土層的穩定。一旦長毛象與其他大型草食動物不再吃枯草也不再將雪地壓實,生態系統就發生了變化:表面的雪層融得快了些,以致永凍土遭受陽光直射,開始以驚人的速率融化並將溫室氣體釋放到大氣中,造就了惡性循環。氣溫升高導致冰雪加速消融,釋放出更多溫室氣體,使得氣溫繼續提升,就這麼不斷循環下去。若能使長毛象起死回生,野放到加拿大與俄羅斯,那或許有機會修復失衡的生態系統,而且——老實說吧——如果能用這種方式抵抗氣候變遷造成的生存危機,那不是超級新奇、超級酷嗎?

長毛象模型。圖/wikimedia

丘奇花了不少心思考慮去滅絕(de-extinction)的執行方法,不過第一個做這種嘗試的人並不是他。全世界第一隻哺乳類複製動物——桃莉羊(Dolly the sheep)——誕生於一九九六年,牠之所以能被複製出來是多虧了一種稱為「核轉置」(nuclear transfer)的技術,而這種技術開啟了讓滅絕生物起死回生的大門。核轉置的主旨在於將一顆完整細胞的細胞核小心翼翼地抽取出來,置入同物種或近親物種的卵子,餘下步驟則近似製作試管嬰兒的方法:雜交卵子置入動物子宮後著床,若一切順利,孕母將會在孕期結束時產下健康的雜交動物。在二○○○年,世上最後一頭庇里牛斯山羊(一種野生的山羊)死了,不過人們用液態氮將那最後一頭山羊的細胞保存下來,後來到了二○○三年,研究者成功用核轉置方法複製出一頭小羊——可惜牠出生後只活了短短幾分鐘。核轉置技術雖能用以複製動物,但也有其限制,只有保有完整且具功能性之基因體的動物才有機會被複製出來——舉例而言,研究者必須要有冷凍保存得異常完好的動物屍體,而北極圈內恰巧有好幾隻保存完好的長毛象屍體。然而即使在屍體存在且保存完好的情況下,讓滅絕物種起死回生的研究也不一定能成功,複製出來的動物也許無法存活。這種動物早已在數千年前絕跡,牠的基因體想必無法適應今日的地球環境。

因此,丘奇想到了另一種解決辦法:他想反其道而行,以近親物種完整、健康的細胞為起點,再加入滅絕物種留存下來的基因片段,一步步倒推回去。我們以旅鴿(passenger pigeon)為例,這種鴿子一度遍布全美,數以百萬計的鴿群從天上飛過時,甚至能遮蔽白晝陽光,但牠們卻在一九一四年絕跡了。我們能使用目前仍存活的近親物種——野鴿(rock pigeon)——的幹細胞,讓旅鴿重回地球。我們可以將旅鴿的部分基因置入野鴿幹細胞,接著轉形(transform)到精子細胞,再注入卵子細胞後發育成受精卵,最後生出帶有旅鴿特徵的野鴿。

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這類想法深深吸引了創辦《全球概覽》(Whole Earth Catalog)期刊與尖端線上服務「The WELL」的科技界傳說級人物史都華.布蘭特(Stewart Brand),以及生技業經理(也是布蘭特之妻)萊恩.菲蘭(Ryan Phelan)。布蘭特、菲蘭與丘奇聯手推出了去滅絕關鍵物種的新計畫,其中包括旅鴿與長毛象——確切而言,是有點長毛的長毛象,畢竟他們製作出的不會是真正的長毛象,而是和長毛象現存親緣關係最近的物種——亞洲象——幹細胞基因剪接(splicing)後誕生的生物。

——本文摘自《未來的造物者》,2023 年 11 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

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臉譜出版_96
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