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當製造「幹細胞」像醃製泡菜一樣簡單

火星軍情局
・2014/02/11 ・1374字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 512 ・六年級
相關標籤: 幹細胞 (30)

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[編按:小保方晴子的這篇研究已經被要求撤回論文。2013 / 03 / 21]

這麼重大的發現!不敢相信自己能活著看到這一天。

如果這個發現是真的話,你我可能是人類最後一代會死的人;拍勢,太誇張一點,但是未來超過100歲的人只怕滿街都是。

一組日本科學家為首的研究團隊一月底在頂尖的期刊《自然》上發表兩篇驚天動地的論文,說可以用超簡單的方式作出超強的「幹細胞」。簡單來說,這個新發現就好像說:可以用火柴盒小汽車的價錢,買到一輛勞斯萊斯的轎車,噢不,比勞斯萊斯還好!你相信天下有這麼好康的事嗎?

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我可沒有罵髒話,這種名字叫「幹細胞」的細胞一直特別吸引醫學界的興趣,其中的「多功能幹細胞」(pluripotent stem cells)可以轉變為人體任何一種細胞。比如說,可以從失明的人的皮膚細胞,制造出幹細胞,再把它轉換成眼睛的組織,病人就能重見光明,因為是自己的身體組織,就沒有排斥的顧慮。就好像如果你的車子有源源不絕的原廠零件,大小故障都可以修復。一開始科學家需要毀掉受精不久的胚胎才能製造幹細胞,後來發現可以想辦法誘導一般的細胞的基因而變成幹細胞,程序雖然複雜,但已經是不得了的成就,發明這個辦法的日本科學家山中伸彌在2012年因此獲得諾貝爾獎。

這一次科學家發現,只需要把小老鼠的細胞泡在酸性的環境裏(pH=5.7)半個小時,就可以把它們變成幹細胞。沒錯,比醃製泡菜還簡單!你不需要特殊的設備或高深的知識,都可以學做幹細胞,不再是國家級實驗室才有的專利,我相信現在世界上就有許多人正在醃製幹細胞。更誇張的是:這種新的幹細胞比現有的「多功能幹細胞」更厲害,似乎有胚胎的特性,換句話說,可以用來複製原來細胞的主人!

無論如何,這個研究領域將重新洗牌,我在美國衛生研究院(NIH)的朋友告訴我,他們也嚇傻了,事前只以為這是笑話,現在卻忙着灑錢跟上日本的腳步。

不過事情沒有這麼簡單,儘管論文裏的證據相當扎實,科學界對這項“幹細胞醃製法”普遍存疑,天底下哪有這麼好的事?論文的作者表示,就像受傷後傷口會自行癒合一樣,細胞受到環境壓力時也會自動變化,就可能產生幹細胞。這個說法太牽強些,古今中外,從來沒有聽說一個人脖子受傷,就會長出另一顆頭來;胃上下方的食道和十二指腸若是暴露在酸性環境中,只會引起病變,也沒聽說長出幹細胞。

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醃製幹細胞
你想要製造自己的幹細胞嗎?好像比醃製泡菜還要簡單唷。

但是如果這個發現是真的,未來將超乎我們的想像…

  • 你的肝臟衰竭了?沒關係,在你耳垂上搓一小塊肉,幾個月後產生一個新的肝臟移植到身體裏,又是一條活龍。價格不會太貴,健保可以給付,晚上還可以再去大喝一攤!
  • 或是直接在你生病的肝臟製造一小塊酸性的區域,直接在體內長出新的肝臟,根本不用動手術,每個人都可以有《X戰警》中金鋼狼的再生本領。
  • 想侵略鄰國嗎?沒問題,找一個全國最強壯的人,從他身上挖一小塊肉,二十年後就有一整個師的精銳部隊。
  • 還在過蝸居的生活嗎?該買房子了。想想看,人都死不了,房市需求大增,房價豈不會水漲船高嗎?
  • 你工作到60歲還在當小職員,因為你的上司已經110歲了,還沒有退休,你永遠升不上去。

還好,這個技術恐怕還要幾十年才能成熟,我大概沒有福氣享受到。

 

參考資料:

  1. Obokata, Haruko, Teruhiko Wakayama, Yoshiki Sasai, Koji Kojima, Martin P. Vacanti, Hitoshi Niwa, Masayuki Yamato, and Charles A. Vacanti. 2014. “Stimulus-Triggered Fate Conversion of Somatic Cells into Pluripotency.” Nature 505 (7485): 641–47.
  2. Obokata, Haruko, Yoshiki Sasai, Hitoshi Niwa, Mitsutaka Kadota, Munazah Andrabi, Nozomu Takata, Mikiko Tokoro, et al. 2014. “Bidirectional Developmental Potential in Reprogrammed Cells with Acquired Pluripotency.” Nature 505 (7485): 676–80.
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火星軍情局
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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

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  • 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

討論功能關閉中。

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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胚胎發育必不可少的兩位舞者:胚胎幹細胞與滋養層幹細胞——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/22 ・2668字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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細胞工程如何進行?

如果我們真的要進行細胞工程的話,我們就得要以孩童拼樂高積木的方式,一次一個地將細胞組合成胚胎。但我們並沒有經由口吸管的方式(請參考第五章)來這樣做,而是把一切都留給機率來決定。

我們在培養皿中混合了不同濃度的兩種細胞,並讓它們自由接觸。我們在第二天透過顯微鏡看到,有些細胞確實開始相互作用並形成結構。但為數不多,因為這取決於無法預測的機率。不過當胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結合時,它們就會以驚人的方式進行自我建構,它們好像知道自己要做什麼,也有個目標。

胚胎發育過程經歷了什麼?

我們在實驗室暗房的顯微鏡下,看到許多胚胎發育的基本過程。我們首先看到細胞極化。接著幹細胞會自我建構,胚胎幹細胞會聚集在一端,而滋養層幹細胞則聚集在另一端。由於胚胎幹細胞衍生出的胚胎部分與滋養層幹細胞衍生出的胚外部分會進行對話,所以在每個細胞群中的空腔後續會打開並創造出三維的 8 字形。我們發現這涉及到一個名為 Nodal 的蛋白所傳送的訊號。這兩個空腔之後會融為一體,最終形成一個對胚胎發育至關重要的大型羊膜腔。這種體腔形成的過程似乎就跟真正胚胎在著床不久後會發生的情況一樣。我們看見了自我建構的驚人創舉。

不過,我們當然總是想要更進一步,讓合成胚胎中胚胎幹細胞所衍生部位裡的那些類胚胎細胞,能夠適當地打破對稱性。我們的意思是讓這些細胞設法進行原腸化,也就是提供未來身體體制基礎的關鍵步驟。
我們發現若是可以讓胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結構再發育久一點,它們確實會打破對稱性。

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像 Brachyury 這類基因就會在胚胎與胚外部位之間開始表現,就跟真正胚胎的情況一樣。Brachyury 基因至關重要,因為它會影響中胚層的形成與前後軸線。 這個發現不但讓我的心跳差點停止,也讓實驗室中的每個人都大為驚奇。

這些類胚胎結構與正常胚胎結構非常相像,足以用於揭開在母體著床時期的某些發育謎團。很明顯地,胚胎幹細胞與滋養層幹細胞一同建造的結構所模擬出的胚胎形態與結構模式,要比只使用胚胎幹細胞要來得精確許多——這是更值得信賴的發育模型。

圖/unsplash

感覺起來,這兩種幹細胞就好像兩名舞者彼此都告訴對方,自己在胚胎中的所在位置。沒有這場雙人舞,正確形狀與形式的發育以及關鍵生物機制的適時運作就不會適當發生。我們也發現這個結構模式的發育,得仰賴 Wnt 與骨成形性蛋白質(bone morphogenetic protein, BMP)的訊號路徑,這與真正胚胎的發育情況一樣。

投稿論文的種種阻力與助力

我們將這篇論文投稿至《自然》。由於許多論文在初始階段就會被退回,所以我們知道編輯將稿子送去審閱時,士氣不由得為之一振。編輯們的知識淵博,經驗也豐富,能走到這一步就是一種重要的認可,所以我們有場小小的慶祝活動,因為即使是小小的成功也能做出改變。

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不過最終他們沒有接受我們的論文,除非得像一位審稿人要求的那樣,提供合成胚胎在自我建構時所用基因的詳細資料,以及這些基因的表現模式在自我建構的每個階段是如何變化的。這將會是一件大工程。然而這彷彿算不上是什麼壞消息,因為我的實驗室中並沒有技術可以研究這些基因所運用的轉變形態模式。我需要尋求經費來購買我負擔不起的設備,我們也需要找到合作夥伴。

我受邀到澳洲獵人谷為歐洲分子生物學組織大會進行講座。那時正值學校放假,所以我帶著賽門一起踏上這次的冒險旅途。我們在香港轉機,順便停留一天拜訪當時的行政長官梁振英,他是我最好的前博士生之一梁傳昕的父親。

圖/unsplash

我的演講是由小鼠發育生物學家譚秉亮(Patrick Tam)開場,我感到非常榮幸,因為我向來就對譚秉亮的研究極為崇拜。賽門與我加入譚秉亮與他太太伊莉莎白(Elizabeth)的行列,一起到雪梨的海邊走走,一路上譚秉亮告訴我有關他與上海生命科學研究院景乃禾(Naihe Jing)的合作,景乃禾利用雷射切割胚胎,揭露了胚胎基因的表現模式。我非常幸運,因為在我回到劍橋不久後,景乃禾就到劍橋來拜訪,所以我能夠親自與他見上一面。我們同意一起合作揭開我們類胚胎結構中基因表現的模式。景乃禾團隊的貢獻將是我下一章故事的重心。那時我們才意識到,可能要花上一年的時間才有辧法確實做到這一點,而我也不確定我們是否願意為了讓《自然》的編輯滿意(或者還是不滿意,誰知道呢)而等這麼久。

那時,莎拉與柏娜已經累積了更多的數據,所以我們決定將研究結果投稿到我比較不熟悉的《科學》。事實證明這是正確的選擇。跟過往一樣,審稿人要求我們再多做一點實驗。但這次的要求還做得到,只是我們就得在 2016 年的聖誕節假期長時間的工作,以便在新學期開始前完成手稿。大衛也一起下來幫忙,他成為這篇論文的共同作者。

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為「類胚胎模型」命名也是一門大學問

命名很重要,因為「珠子」那個命名的前車之鑑,所以我們對於要怎麼為我們的類胚胎模型命名進行了漫長的討論。這些模型讓我們知道胚胎結構是如何從幹細胞自我建構而成,所以我們想要給它們取個特別的名字。但是我們最後沒有得到共識。

圖/imdb

《科學》的編輯不喜歡「合成」類胚胎結構這個名字。我在期中假期得知這個消息,那時我正與家人及朋友滑雪度假中,所以我請他們一起來想想其他的名字。這或許就是為何我們會想到「ETs」這個名字的原因之一。史蒂芬.史匹柏有部科幻電影講述到從異世界來的訪客,而從幹細胞自我建構出的第一個類胚胎結構似乎也帶給我們這樣的感受。不過這個 E 不是代表「另外(extra)」的意思,而 T 也不是「地球人(terrestrials)」的意思。E 代表的是胚胎幹細胞(ES),而 T 代表的則是滋養層細胞(TS)。

——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,出版,未經同意請勿轉載。

商周出版_96
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猛瑪象能吃嗎?
胡中行_96
・2023/04/20 ・2924字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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飲食品味有人崇尚創新,有人偏好傳統,還有科學家喜歡走科技復古風:比利時 Paleo 公司從瑞典斯德哥爾摩的古遺傳學中心(the Center for Palaeogenetics),取得 120 萬年前的猛瑪象(mammoth,又稱長毛象)DNA,培養出肌紅素(myoglobin),當作蛋白質添加物。[1]澳洲 Vow 公司也不甘示弱,做了一粒猛瑪象肉丸,於荷蘭 NEMO 博物館亮相,[2]並由荷蘭國立博物館(Rijksmuseum)收藏。[3]

猛瑪象/長毛象。圖/Mistvan on Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

精準發酵

Paleo 公司的創辦人兼執行長向媒體表示,他們拿到的猛瑪象 DNA 支離破碎,所以比對亞洲與非洲象來重建序列,再利用酵母精準發酵(precision fermentation),產出肌紅素。他宣稱加入了猛瑪象肌紅素的植物漢堡排,不僅擁有鮮紅的色彩,還別具濃郁的肉品風味。然而,肉品科學專家懷疑這言過其實,畢竟肌紅素佔肉品成份的比重不高。比利時的 Paleo 和澳洲的 Vow 公司,兩家作法最大的差異是:前者的產品不含動物細胞;而後者則做出真的組織。[1]換句話說,就像純素主義者吃果凍的時候,容易誤食的明膠(gelatin),[4] Paleo 的產品源自動物,但不算肉。

培植肉

另一邊,澳洲 Vow 公司弄到不完整的猛瑪象肌紅素基因序列,便拿非洲象的 DNA 來填補。拼湊完成後,放到羊的肌母幹細胞(myoblast stem cells)裡,培養約 2 週。[1, 2, 5]這種在實驗室中長大的肉品,稱為培植肉(cultured meat)。[6]除了遠古動物,也能用現代家禽、家畜與海產等物種。[7]一般的生產步驟,大致如下:

  1. 細胞分離(cell isolation):[8]取得活體動物肌肉的幹細胞,揀選並培養後,儲存於細胞銀行,方便未來使用。[7, 9]
  2. 細胞擴增(cell expansion):[8]從細胞銀行提領一些出來,在無菌環境下,給予養份,令其成長並增殖。[7]
  3. 細胞分化(cell differentiation):[8]一旦增殖到足夠的數量,就加入蛋白質生長因子(protein growth factors)等物質,使其分化成肌肉、脂肪及結締組織等,各種類型的細胞。[7]
  4. 組合纖維(assembly of fibers):[8]採收成品,再以普通的食品加工程序,組合並包裝。[7, 8]
培植肉的製作過程。圖/參考資料8,Figure 1(CC BY 4.0)

吃猛瑪象的利弊

您會想嚐試猛瑪象相關食品嗎?澳洲詹姆士庫克大學(James Cook University)的科技史教授 Hallam Stevens,顯然非常猶豫,還寫了篇文章分析利弊。[6, 10]以下綜合他的幾個看法和其他資料,供讀者於冒險前參考:

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  1. 生長激素[6]攝取太多生長激素,會對生長、生育造成負面影響。不過,食品法規能加以限制,而且培植肉使用的量,可以比傳統畜養少。[11]至於精準發酵,則不需要生長激素。[12]
  2. 過敏原[6]參與猛瑪象肉丸開發的澳洲昆士蘭大學(University of Queensland)Ernst Wolvetang 教授表示,不曉得人體的免疫系統,遇到從地球上消失多時的蛋白質,會做何反應。[1, 2]也就是科學家都沒膽吃了,在座的各位請自己看著辦…
  3. 微生物汙染[6]傳統方式生產的海鮮和肉品,在宰殺過程中,難免受細菌、黴菌或病毒汙染;相對地,培植肉風險較低,但仍須謹慎管理倉儲,並且注意來源動物的健康狀況。[13]如果為了避免微生物汙染,便添加抗生素,就會與傳統養殖一樣,面臨抗藥性的問題。[9]另方面,Paleo 公司的官網寫道,精準發酵無須抗生素。[12]
  4. 營養成份:培植肉的營養是否足夠,老實說科學家還不太確定。[6, 9]
  5. 生物多樣性:復刻絕種動物,聽起來好像有機會促進生物多樣性,或至少食物多元化。然而主流的培植肉商品,應該還是以普通禽畜為大宗,並且限定肌肉組織,大概不會包含內臟等其他部位。由於販售的項目完全掌握在廠商手中,最後可能重蹈基因改造食物的覆轍,令特別挑選過的品種稱霸市場,排擠失去經濟價值的物種。此外,這個發展的方向,無助保育瀕危生物。[6]
  6. 溫室效應:精準發酵和培植肉,都標榜節省或使用再生能源,還有排放的溫室氣體,較傳統畜牧業少。[2, 9, 12]最近卻有研究認為,家畜為人詬病的甲烷(CH4),暖化效果其實不如製作培植肉時,釋出的二氧化碳(CO2)持久。所以推廣培植肉,未必能明顯改善全球暖化。[9]
  7. 素食主義:養培植肉的最佳營養品,是取自往生孕牛腹中,死亡胚胎的胎牛血清(foetal bovine serum)。[9, 14]無論是基於宗教還是動保的理由,在素食主義者眼裡,這無疑是殺生。[9]關於這點,澳洲的 Vow 公司強調他們不使用胎牛血清。[2]至於精準發酵而來的猛瑪象肌紅素,或許更容易被接受。畢竟猛瑪象的滅絕,不是現代科學家的錯,而且酵母被動保組織視為純素食材。[15]
  8. 動物保育:儘管 Paleo 和 Vow 公司的猛瑪象創舉,都證明了他們不仰賴活體動物;有論文認為,就培植肉的生產而言,少數動物還是會被養來提供細胞。[9]
  9. 宗教認可:就算釐清什麼是素食了,宗教界目前尚在爭論,實驗室養出來的肉,是否符合猶太、清真等食品規範。[9]
史上第一片培植肉,於 2013 年問世。圖/World Economic Forum on Wikimedia Commons(CC BY 3.0)

食品法規的未來

根據調查統計,高學歷、願意減少宰殺,而且對培植肉有基本概念的年輕葷食者,對此肉品接受度較高。[9]相信泛科學的讀者,有不少屬於這個族群。目前 Vow 和 Paleo 公司雖然都積極行銷,[3, 12]但培植肉與絕種動物衍伸食品,應該不會馬上普及市場。大家仍有時間,針對食安、健康、環保和宗教等層面,仔細思考。同時,各國的立法單位,則要煩惱如何重新定義並檢驗肉品與海鮮,以確保相關法規與時俱進。[9]

澳洲 Vow 公司宣傳片:02:24 開始介紹猛瑪象肉丸;03:03 起為製作流程。影/參考資料5

  

參考資料

  1. Vlamis K, McFall-Johnsen M. (07 APR 2023) ‘A company says it added mammoth DNA to plant-based burgers and that they tasted much more ‘intense’ and ‘meatier’ than the cow version’. Business Insider.
  2. Carrington D. (28 MAR 2023) ‘Meatball from long-extinct mammoth created by food firm’. The Guardian.
  3. We Are Writing the Roles of Food with Cultured Meat’. Forged Vow. (Accessed on 09 APR 2023)
  4. What is gelatin made of?’. People for the Ethical Treatment of Animals. (Accessed on 10 APR 2023)
  5. Forged by Vow. (28 MAR 2023) ‘Introducing the Mammoth Meatball | The world’s first meat made out of the extinct Woolly Mammoth’. YouTube.
  6. Stevens H. (06 APR 2023) ‘A mammoth meatball hints at a future of exotic lab-grown meats, but the reality will be far more boring, and rife with problems’. The Conversation.
  7. Human Food Made with Cultured Animal Cells’. (21 MAR 2023) U.S. Food & Drug Administration.
  8. Bodiou V, Moutsatsou P, Post MJ. (2020) ‘Microcarriers for Upscaling Cultured Meat Production’. Frontiers in Nutrition, 7:10.
  9. Chriki S, Hocquette J-F. (2020) ‘The Myth of Cultured Meat: A Review’. Frontiers in Nutrition, 7:7.
  10. Prof Hallam Stevens’. James Cook University. (Accessed on 09 APR 2023)
  11. Ong KJ, Johnston J, Datar I, et al. (2021) ‘Food safety considerations and research priorities for the cultured meat and seafood industry’. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 20(6): 5421-5448.
  12. Our products’. Paleo. (Accessed on 11 APR 2023)
  13. Ong KJ, Johnston J, Datar I, et al. (2021) ‘Food safety considerations and research priorities for the cultured meat and seafood industry’. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 20(6):5421-5448.
  14. Introduction to Fetal Bovine Serum Collection’. Thermo Fisher Scientific. (Accessed on 11 APR 2023)
  15. Prater D. (27 JAN 2016) ‘What Is Nutritional Yeast? How Will It Change You?’. People for the Ethical Treatment of Animals.
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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。