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CRISPR技術的專利戰!張鋒與 Jennifer Doudna 間專利的龍爭虎鬥

Research Portal(科技政策觀點)_96
・2019/03/20 ・3268字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 604 ・九年級
  • 作者/王惠瑜

基因編輯CRISPR技術的專利戰爭,開打

基因工程技術重大的發明-基因編輯技術(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats;簡稱 CRISPR),是一項如同神之手般切割基因的技術,在體外將有問題的基因進行剪斷後再補上正常的基因,讓遺傳性疾病治療成為可能,在技術應用的層面也非常廣泛,此項技術除了潛在的龐大商業利益外,更具備角逐諾貝爾獎的可能性,因此,浮上枱面的專利已開始點燃了競爭的序曲。

基因編輯技術除了潛在的龐大商業利益外,更具備角逐諾貝爾獎的可能性。圖/ pixabay

專利爭執的核心在於取得基因編輯 CRISPR 技術的時間點,加州大學珍妮佛.道娜 (Jennifer Doudna) 於 2012 年發表基因編輯技術 CRISPR 技術,並申請了相關的專利;而哈佛大學與麻省理工學院的張鋒研究團隊則申請 CRISPR/Cas9 技術應用在真核細胞專利,並採取「加速審查 (Accelerated Examination)」程序,在 12 個月內加速進行審查發明的可專利性,所以僅花 6 個月就取得了專利權。

但因兩造在專利申請時間相近、專利範圍相似,珍妮佛.道娜團隊在 2016 年向美國專利商標局申請專利衝突 (interference) 程序,要求撤回張鋒團隊的專利權利,美國專利商標局於 2017 年 2 月的判決指出,兩造申請的專利技術內容存在差異性,並且無法確認在張鋒之前有 CRISPR 技術用於真核細胞的研究,因此,雙方在 CRISPR 技術上並不重疊與衝突,所以判定張鋒團隊能保留其專利並擁有專利權。

技術競爭的原由除了來自於潛在的龐大商機利益的可能性外,還有研究學者所追求的至高榮譽諾貝爾桂冠,所以,兩造已在枱面上的專利互相競爭,本研究則以雙方的專利申請策略及專利布局來微觀枱面下的競爭態勢。

申請專利,雙方策略大不同

美國自 2013 年 3 月起實施 AIA 法案後,專利從先發明制改為先申請制,因此,專利申請日成為技術先後重要參考指標,本研究以美國專利商標局資料,檢索以張鋒及珍妮佛.道娜為發明人之專利,時間至 2017 年 8 月 30 日止。

從兩造的專利數量上比較,張鋒的 MIT 團隊(71 筆)在數量上是多於珍妮佛.道娜的 UC 團隊(42 筆),另外從競爭的起始年(2012)為基準,珍妮佛.道娜在 2012 年之前起就已開始陸續申請專利,但在之前張鋒是並没有專利申請的,在 2012 年之後才見積極申請專利,反觀珍妮佛.道娜在 2015 年張鋒獲證專利後,專利申請的數量才比較多,見(圖1)。

(圖1)專利申請比較分析。資源來源:作者研究整理及繪製。
(圖1)專利申請比較分析。資源來源:作者研究整理及繪製。

從以上的(圖1)得知,從數量上做比較,張鋒是較具有優勢的,但從專利的獲證、審查中、放棄等不同的法律狀態來分析真正有效用的專利,判斷技術受保護的真實狀態,實際上是否具有法律權利的保護。

(圖2)專利有效性分析。資源來源:作者研究整理及繪製。
(圖2)專利有效性分析。資源來源:作者研究整理及繪製。

(圖2)是兩造專利有效性分析,從獲證專利數比較,張鋒已獲證的專利數量(19 筆)多於珍妮佛.道娜(15 筆);從兩造放棄的專利數量比較,珍妮佛.道娜在放棄專利數是略多於張鋒的;最後,比較兩造目前仍在早期公開中的專利,在審查當中而未來可能獲得的專利,張鋒目前在審查中的專利數量是遠多於珍妮佛.道娜。

從專利申請的數量分析發現,以張鋒所代表的 MIT 研究團隊,是非常積極在進行技術保護的,反映在專利申請時,多數專利都會運用快速審查的機制,其中又以系爭專利 (US8697359),從申請到獲證只花了短短 6 個月時間就快速取得專利,顯而易見的張鋒團隊在專利申請策略著重在快速獲得專利;另外在研究中也發現,珍妮佛.道娜在專利申請之後再放棄的比例明顯高於張鋒。

策略解盤:數量v.s網絡連結,誰具有優勢?

專利布局在專利申請時就已形成,美國專利法 111 及 119 條及美國專利審查指南 (Manual of Patent Examining Procedure) 指出,運用臨時申請案(Provisional Application,簡稱 PA 案)與第一次提出正式申請案的專利申請,皆可享有專利優先權(簡稱母案)。

若以原發明持續研究,在法定的期限內,延續先前所提出的專利申請為延續申請案 (Continuation Application;CA)、部分延續申請案  (Continuation-in-part Application;CIP)、分割案 (Division Application;DA) 等形式的專利申請案則皆為子案;以優先權號碼,將母案與子案之間的技術串起關連性,由不同的子案申請案策略進一步將母案未涵蓋的技術特徵逐步擴張原有保護範圍,將專利布局的範圍推展至深且廣。

本研究的專利布局研究,以兩造的專利申請,從美國專利商標局 PAIR系統的資訊整理繪製專利網,研究雙方專利國內優先權中母案與子案之間的關係,分別繪出珍妮佛.道娜專利布局(圖3)和張鋒專利布局(圖4);釐清雙方專利布局的脈絡重點,並分析兩造在專利布局的廣度與深度。

從研究中發現雙方共同的申請策略,皆利用臨時申請案取得較早優先權日期後,並在一年之內提出正式的專利申請案,因此,在每一個相同母案的技術群組內的專利,都有其技術相關性及延續性。

(圖3)珍妮佛.道娜專利布局。資源來源:作者研究整理及繪製。
(圖3)珍妮佛.道娜專利布局。資源來源:作者研究整理及繪製。

(圖3)為珍妮佛.道娜的專利布局,其專利數量雖少於張鋒,以多個臨時申請案合併為一個正式專利申請案,有 11 個技術群組合,顯示其專利布局具有技術多樣性,並且在同一母案中專利有階層的接續性,布局往下展開,其技術具有延續性,顯示專利網逐漸形成,又以技術群組 4、10、11 為重點的技術群,其中又以技術群組 11 為 18 個臨時申請案所組成,且為近幾年申請的重點技術群。

(圖4)張鋒專利布局。資源來源:作者研究整理及繪製。
(圖4)張鋒專利布局。資源來源:作者研究整理及繪製。

(圖4)為張鋒的專利布局,在專利申請及有效性的分析當中,張鋒在專利的數量上都具有顯著的優勢,但在專利布局上與珍妮佛.道娜的布局有明顯的差異,在前期皆以單一母案申請不同子案的策略(技術群組 1-4),為一個母案以不同技術特徵申請後續子案專利,在申請的策略上缺少階層性的展開,技術的延續性較為不足;專利布局的重點在技術群組 5,由 14 個臨時申請案所組成,為關鍵的技術群,展開成 15 支的技術群,成為具有廣度的布局後再各自往下展開,具有技術延續性,正逐步形成專利網中,其中又以關鍵專利 US8697359 最為重點布局,在往下分成二支後,並各自向下延續申請,詳見(圖4)的紅框。

不論結果如何,道德仍為最高原則

CRISPR 技術對於未來生技產業應用的範圍甚廣,目前已進入到動物實驗階段。圖/pixabay

CRISPR 基因編輯技術所涉及的疾病診斷與治療,包含所需工具、套組、試劑、儀器以及相關藥物與處理等研究,讓 CRISPR 技術持續向前邁進,透過珍妮佛.道娜和張鋒等生醫學者的專利競爭,雙方在專利布局上步步為營,將重要的技術特徵運用臨時申請案、連續申請案、加速審查、優先權等專利申請方式,爭取及早取得專利權利及擴大保護的範圍。

因此,從雙方競爭發現,專利申請策略對專利布局的影響至為巨大,張鋒具有專利數量的優勢,但在專利的布局上以珍妮佛.道娜的專利網結構更佳,除了嫺熟專利法相關規定只是基本外,掌握申請時間及獲證時間也相對重要,並要能活用及搭配不同的策略才能達到布局中重要的防護效果。

CRISPR 技術對於未來生技產業應用的範圍甚廣,目前已進入到動物實驗階段,前景似乎看似美好,但基因訂製人所涉及的倫理與道德爭議,要如何在規範之內運作,除了技術者的能力與操守外,仍是需要社會大眾持續觀注與討論的。

參考資料

  1. 35 U.S.C. 111 Application, Manual of Patent Examining Procedure, USPTO, Retrieved September 5, 2017, from https://www.uspto.gov/web/offices/pac/mpep/s1417.html
  2. 35 U.S.C. 119 Benefit of earlier filing date; right of priority, Manual of Patent Examining Procedure, USPTO. Retrieved September 5, 2017, from https://www.uspto.gov/web/offices/pac/mpep/s601.html

 

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隱翅蟲的毒液生化武器,演化上如何組裝而成?

寒波_96
・2022/01/17 ・3910字 ・閱讀時間約 8 分鐘

隱翅蟲是一群小型甲蟲的總稱;牠們以毒聞名,卻不見得都具有毒性。有些隱翅蟲會生產毒液儲存在身體裡,需要時噴射攻擊。毒液不只是嚇唬人的工具,像是跟螞蟻搶地盤這類場合,生化武器能發揮實在的優勢。

本文沒有真實隱翅蟲的圖像,閱讀時不用擔心。

隱翅蟲毒液的用途之一:攻擊螞蟻。圖/參考資料 1

隱翅蟲的毒液包含毒素和溶劑兩部分,有意思的是,兩者是獨立生產;溶劑本身沒有毒,毒素單獨存在也沒多少毒性。兩者極為依賴彼此,生產線卻是獨立運作,此一狀況是怎麼形成的?一項新研究投入大筆資源,便探討其演化過程。

「毒」加「液」才有毒液

這項研究探討的隱翅蟲叫作 Dalotia coriaria,為求簡化,本文之後稱之為「隱翅蟲」。它的毒素並非導致隱翅蟲皮膚炎的隱翅蟲素 (pederin) ,切莫混淆。

隱翅蟲的毒液發射器位於背上,體節的 A6、A7 之間,這兒有部分表皮細胞特化成儲存囊壁,並分泌脂肪酸衍生物作為溶劑。而毒素為配備苯環的化學物質 benzoquinone(苯醌),簡稱 BQ;另有一群細胞專門生產 BQ,再運送到儲存囊,和其中的脂肪酸衍生物混合後形成毒液。

生產毒素和溶劑的細胞,是兩類完全不一樣的細胞,各有不同的演化歷史。隱翅蟲的祖先,沒有毒素也沒有溶劑,兩者都可謂演化上的創新 (novelty) 。

一類細胞製毒,另一類細胞產液,兩者合作才有毒液。圖/參考資料 1

論文將生產溶劑的細胞稱為「溶劑細胞」;分析成分得知溶劑總共有 4 種,是碳數介於 10 到 12 的脂肪酸衍生物。合成脂肪酸,本來就是各種生物的必備技能,但是溶劑細胞製作的脂肪酸衍生物,原料並非一般常見的脂肪酸。

脂肪酸的合成,都是以 2 個碳的基礎材料開始,作為類似 PCR 中引子 (primer) 的角色,然後由 FAS(全名 fatty acid synthase)這類酵素一次加上 2 個碳,2、4、6、8 碳一直加上去。人類的 FAS 通常會製作長度為 16 碳的棕櫚酸,昆蟲則會造出 14、16、18 碳的最終產物。

隱翅蟲的溶劑細胞中,脂肪酸衍生物只有 10 到 12 個碳,比 FAS 一般的產物更短。奇妙的是,這兒的脂肪酸並非由 14 或 16 個碳縮短而來,而是溶劑細胞內 FAS 的最終產物直接就是 12 個碳。

隱翅蟲毒液的組成物,碳鏈長度介於 10 到 12 個碳,4 種脂肪酸加工而成的衍生物作為溶劑;3 種 BQ 作為毒素。圖/參考資料 1

改造脂肪酸合成線路,製作溶劑

要闡明其中奧妙,必需先稍微認識昆蟲的脂肪酸合成系統。昆蟲有一群特殊的脂肪酸衍生物,稱為「表皮碳氫化合物(cuticular hydrocarbon,簡稱 CHC)」,具有防止水分散失、費洛蒙等作用。

表皮碳氫化合物多半由 oenocyte 所製造(類似人類的肝細胞),在 FAS 酵素催化形成 14 到 18 個碳長的脂肪酸以後,繼續由延長酶 (elongase) 增加長度,去飽和酶 (desaturase) 加上雙鍵,最後經過兩道尾端的還原手續,分別由 FAR(全名 fatty acyl-CoA reductase)和 CYP4G(全名 cytochrome p450 family 4 subfamily G)兩類酵素執行,產生通常介於 20 到 40 個碳長的產物。

隱翅蟲溶劑細胞和 oenocyte 的脂肪酸生產線的比較,兩邊多數酵素種類是重複的,但是每一類酵素都有好幾個,兩邊各自使用的酵素不一樣。圖/參考資料 1

隱翅蟲和其他昆蟲一樣,oenocyte 細胞內有完整的表皮碳氫化合物生產線,每一步驟的酵素一應俱全。比對可知,溶劑細胞內也有一條脂肪酸衍生物的產線,顯然是由表皮碳氫化合物的生產線改版而成。

隱翅蟲至少有 4 個 FAS 基因,3 個負責製作一般的脂肪酸和表皮碳氫化合物,只有一個特定的 FAS 參與溶劑生產,專職在溶劑細胞中大量表現,製造 12 碳的脂肪酸,最後也由 FAR 和 CYP4G 收尾形成衍生物。值得一提,已知產物長度為 12 碳的 FAS 酵素相當罕見。

溶劑細胞和表皮碳氫化合物的生產線,兩者都有 FAS、FAR、CYP4G 三類酵素,但是在溶劑細胞作用的三種酵素,都不管其他細胞的脂肪酸合成。除此之外,有時候還有另一種酵素 α-esterase 的參與。依靠這些專門在溶劑細胞工作的酵素們,隱翅蟲能生成 4 種溶劑。

溶劑細胞內,4 種脂肪酸衍生物的合成過程。acetyl-CoA 作為引子,由 FAS 以 malonyl-CoA 為材料,一次加上 2 個碳,再分別經還原酶或 α-esterase 加工。圖/參考資料 1

演化上,隱翅蟲並沒有捨棄原本的脂肪酸生產線,整套都還存在;相對地,隱翅蟲在少數特定細胞新增一條產線,不影響原本的重要部門。這是隱翅蟲在遺傳和細胞層次的演化創新。

改造粒線體代謝線路,生產毒素

類似的狀況,也在毒素生產線觀察到。隱翅蟲的毒素,也是由原本有重要功能的古老生產線,調整再改版而成。

論文將生產毒素的細胞稱為「BQ 細胞」,這部分沒有溶劑細胞了解的那麼詳盡,不過經由碳的穩定同位素追蹤,還是得知毒素原料來自食物中的氨基酸:酪胺酸 (tyrosine) ,經過一系列加工後形成 BQ。

這條生產線上有個關鍵酵素叫作 laccase,它一般的功能是參與 Coenzyme Q10,也就是 ubiquinone 的合成。這是粒線體有氧代謝中的重要成分,對生存不可或缺。和其他甲蟲相比,隱翅蟲多出一個 laccase 酵素,專門在 BQ 細胞表現,將 HQ (hydroquinone) 催化成 BQ 作為毒素。

由此看來,隱翅蟲祖先演化出溶劑和毒素的道理是一樣的。

溶劑方面,以舊的表皮碳氫化合物生產線為基底,改用多個新酵素基因,形成新的生產線。毒素方面,源自古老的粒線體代謝線路,同樣加入新的酵素基因,改版後變成毒素產線。兩者各自皆為遺傳與細胞層次的新玩意,合在一起則衍生出功能上的演化創新。

由粒線體代謝線路改版而成的 BQ 毒素生產線,有一個專職生產毒素的 laccase(Dmd)酵素參與。圖/參考資料 1

組合新功能,一步一步累積有利變異

這項研究有許多潛在的討論方向,有興趣的讀者可以自行鑽研。像是生物學研究者能估計所有實驗耗資多少,感受自己的微渺(例如為了分辨不同細胞的作用,論文使用大量昂貴的「單細胞轉錄組 single cell transcriptome」進行分析)。這邊只提兩點。

第一點有趣的問題是:隱翅蟲的溶劑和毒素要同時存在才有效果,可是演化上是哪個先出現呢?論文推測是溶劑細胞先出現。

假如只有 BQ 這類毒素存在,殺傷效果非常差(論文用果蠅幼蟲做實驗),但是溶劑細胞的產物,即使不作為 BQ 的溶劑,脂肪酸衍生物也可以有其他用途,像是潤滑油之類的,或是扮演別種物質的溶劑。

想來新的脂肪酸生產線比較可能先出現,扮演某些不是太重要的角色,接著再加入 BQ;毒素加上溶劑,兩者合體產生新的強大功能,脂肪酸生產線又由於獲得新功能而調整優化,最終形成現在的樣貌。

替隱翅蟲帶來優勢的毒液,由兩個原本獨立的部門組合而成。圖/參考資料 1

第二點有趣的是,這回發現產物為 12 碳的 FAS 酵素。乍看沒什麼,影響卻很關鍵。

FAS 這類酵素的差異,在於催化生成的脂肪酸最終產物有幾個碳(或是說,可以加到幾個碳那麼長);已知幾乎皆為 14、16、18 個碳,隱翅蟲的溶劑細胞表現的 FAS 卻是 12 個碳。好像只差一點,然而實際測試發現,脂肪酸衍生物超過 13 個碳,作為 BQ 溶劑的效果便會差一大截。

也就是說,隱翅蟲倘若沒有脂肪酸產物僅 12 碳長的 FAS,儘管仍然可以生成溶劑,毒性將弱化不少。由此推想,隱翅蟲如今威力強大的毒液,並非透過少數變化一次到位,而是逐漸累積有利變異的結果。

想得更遠一點,由兩種細胞合作衍生而成的毒液,可以視為由多種細胞合夥,複雜器官的最簡單版本。原本不相關的各式細胞們,持續累積一個一個微小的改變,也有機會組合發展成複雜的組織或器官。

延伸閱讀

參考資料

  1. Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system.
  2. A beetle chemical defense gland offers clues about how complex organs evolve

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

 

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。