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一桶水就能辨識魚種新技術

活躍星系核_96
・2015/11/28 ・1882字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國立臺灣大學生命科學系范姜文榮編譯/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群副教授責任編輯

生物多樣性的保育與生物資源的永續利用,近年受到各國的重視。為促進生物多樣性,生物多樣性的監測技術是不可或缺的。若想對海洋、河川、湖泊的魚類多樣性進行監測,潛入水中觀察或使用魚網等漁具捕撈等,除需大量勞力及費用外,尚有必要長時間的調查,及具備專業的知識與經驗。

最近研究發現包括魚類等生物,代謝廢物、受傷組織或脫落的表皮細胞等DNA,會隨著體表黏液或糞便等同時被釋放至水體中,此物質稱為「環境DNA(environmental DNA)」。DNA鹼基序列(base sequence)含有辨識物種的訊息,藉由讀取該訊息,能應用在各種層面。過去研究,環境DNA已成功檢出特定外來種的棲息水域、棲息河川內鯉魚的生物量、以及日本天然紀念物種大山椒魚(Japanese giant salamander)的棲息地,其成果受到高度矚目。

但環境DNA不僅只是特定魚種的DNA,也包含其它各種生物的DNA。若能開發出環境DNA分析的有效技術,就能解決魚類多樣性監測目前面臨勞力、時間、及費用等困境。收集環境DNA予以分析,來辨識物種的技術,被稱為「關連族群條碼(metabarcoding)」。過去使用「次世代基因定序儀」解析微生物物種,最近將此技術應用在魚類的環境DNA上,已確認能成功透過水域環境DNA來辨識特定魚種。因此日本東京大學等研究團隊開發新型「魚類關連族群條碼」技術,來檢驗該技術的有效性。

魚類關連族群條碼技術的有效性,需滿足以下三個條件,(1)須找到任何魚種都具有共通且保守的2片段之DNA鹼基序列。(2)該2片段所包夾的鹼基序列「差異」足以辨識魚種。(3)環境DNA易劣化, DNA鹼基序列差異長度宜短。

研究團隊取得880魚種的粒線體基因體(mitochondrial genome),比較全部基因序列,找出滿足上述3條件的DNA鹼基序列。若能設計一對引子(primer)與上述魚類共通2 DNA片段序列結合,該引子就能辨識魚類所特有DNA序列。再藉由聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction;簡稱PCR),將微量且具物種差異性的DNA予以增幅,就能獲得2個引子及2魚種鹼基序列差異所需數量。最後經次世代基因定序儀解析大量樣本。

圖片來源 : http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150722-4/index.html
圖片來源 : http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150722-4/index.html

首先選取全世界約30000萬魚種中具代表性的96種,自組織內抽取DNA,檢驗所設計引子的性能,結果每一種抽取的微量DNA,都能經PCR反應達到良好的增幅。接著,從沖繩美麗海水族館的4個水槽抽出環境DNA予以增幅,經次世代基因定序儀解析,成功檢出4個水槽內飼育超過9成168魚種(93.3%)。另檢出鄰近珊瑚礁開放海域中的93種亞熱帶魚類。

該研究所開發的魚種辨識法,僅需取水一桶數公升,經過濾,再抽取其環境DNA予以分析,非常簡便。目前作為參照的DNA資料庫網羅約5000魚種,若未來能充實魚種DNA資料庫至世界上30000魚種,便能即使未具魚類分類的專業知識,也能進行高效率、高頻率魚類相調查,達到有效監測魚類多樣性的目的。該研究成果於2015年7月刊載科學期刊「Royal Society Open Science」。

名詞解釋

引子 : 於聚合酶連鎖反應(微量DNA片段增幅技術之一),所使用的單股DNA片段。

參考文獻

MiFish, a set of universal PCR primers for metabarcoding environmental DNA from fishes: detection of more than 230 subtropical marine species

M. Miya, Y. Sato, T. Fukunaga, T. Sado, J. Y. Poulsen, K. Sato, T.Minamoto, S. Yamamoto, H. Yamanaka, H. Araki, M. Kondoh, W. Iwasaki

編譯來源:水をくんで調べれば、生息する魚の種類が分かる新技術を開発 ~魚類多様性の調査にもビッグデータ解析時代の到来~

延伸閱讀:

物種多樣性

本文原發表於科學Online-科技部高瞻自然科學教學資源平台,經授權轉載。

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活躍星系核_96
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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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