編者按：
2020年，CRISPR基因編輯系統獲得了諾貝爾化學獎。這項具有革命性意義的技術不僅在生物制藥領域掀起風暴，更在食品、農業等領域產生了巨大的影響。那么CRISPR技術究竟會如何改變我們的世界呢？CRISPR編輯食物會成為未來生活中的“家常便飯”嗎？
今天，我們共同關注CRISPR技術。希望本文能夠為相關的產業人士和諸位讀者帶來一些啟發和幫助。
① “基因剪刀”CRISPR
距離Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier在Science雜志上聯合發表“基因剪刀”CRISPR的工作成果已過去十年之久。
在過去的10年里，研究人員推出了許多改進版本，并不斷探索“基因剪刀”的應用領域。迄今為止，CRISPR技術最突出的應用領域是醫療領域，如為鐮狀細胞性貧血病提供了新療法。
不過，CRISPR或可對世界產生更為深遠的影響。除了可以修飾人類細胞的基因組，CRISPR還可以修飾植物細胞的基因組。事實上，正如Doudna近期在Babbage播客采訪中解釋的那樣，最實用且最容易吸引公眾注意的CRISPR應用領域將是食品和農業。
她說：“對我們多數人而言人，最具影響力的CRISPR應用領域是農業，至少從短期來看是這樣。”
那么，在植物育種上，利用CRISPR技術改良植物性狀相比傳統基因突變方法有何不同呢？“CRISPR提高了工具的精確度。”Doudna說。例如，利用化學誘變劑進行植物育種的方法，完全依賴于化學誘變劑對植物DNA造成的隨機突變。
此外，也很難對一個植物同時施加多種變化，因為這需要多輪操作，而每一輪都有可能增加非預期結果的隨機發生風險。CRISPR技術消除了這一隨機性，因為它可以精準改變特定DNA序列。
② CRISPR與小麥
Inari Agriculture公司CSO Catherine Feuillet博士已經對小麥研究了20年，她清楚地意識到，植物遺傳學研究或許是進展緩慢的。在她早期職業生涯中，她花了十年才分離出一個小麥基因。
盡管她知道耐心很重要，但她也清楚，時間也至關重要。現在正逢其時：當下農業領域正面臨著一個極其復雜的難題，即資源制約日益嚴峻，而人口卻越來越多，若要解決這一問題，農業領域需要突破。
近年來，農作物產量雖然一直在增加，但卻是以犧牲環境為代價的。“我們不能再讓這一趨勢延續，”Feuillet斷言，“現在已經面臨嚴峻的氣候變暖問題了。但我們也不能在產量上妥協，因為我們要養活更多的人。”
Feuillet指出了三個緊迫的事實：一是我們沒有選擇，二是我們需要爭分奪秒，三是我們需要提高效率。
她說，好消息是，技術革命帶來的創新技術，將能夠解決這些挑戰。
Inari公司對大豆、玉米和小麥開展了基因組編輯實驗，這三種農作物在養活人口方面的貢獻最大，也對環境影響最大。事實上，Feuillet斷言，Inari公司是唯一一家致力于對這些農作物進行基因組編輯的公司。“我們是最大膽的人。”她宣稱。
Inari公司并不專注于為消費者改善產品食用口感或其他特征，該公司旨在給農業發展帶來重要影響，讓農業變得更具有可持續性。Feuillet之所以從事這個行業，是因為數百萬人正在挨餓，而她想解決那些阻礙農業養活世界的問題。
為了做到這一目標，Inari公司計劃提高水、氮等資源的產量和利用效率。“我們追求這些目標，并非因為其易實現，”她堅持道，“而是出于必要性。”
Inari公司搭建了一個專業的SEEDesign技術平臺。該公司的CEO Ponsi Trivisvavet解釋說，該平臺結合了前瞻性設計與先進的多重基因組編輯技術，可以釋放種子的全部潛力，從而可以獲得更為可持續的食物系統。Inari公司采用CRISPR工具來切割DNA、微調啟動子、插入增強子。該公司還擁有一項內部自己開發的技術，可以用來替換氨基酸（專利堿基編輯技術）。
Inari公司的研究人員還在借助人工智能，試圖從不斷試錯的育種方法轉向前瞻性設計方法。“機器學習具有大幅加速育種和編輯管線的潛力，”Inari首席信息和數據官Rania Khalaf博士說，“我們正在測試計算模型。若不借助人工智能，這些實驗將難以完成，因為存在大量可能的組合。”
Feuillet表示，很多人都可以改變基因組，但卻沒有人真正知道需要做出哪些改變。改善植物的生物學特性比簡單地刪除基因要復雜得多。Feuillet想要修改多個序列，但不是通過傳統育種方式，因為傳統育種需要15年之久，且無法錨定到特定基因。相反，她想使用CRISPR技術，因為它可以作用于選定的特定目標，并在短短兩年內即可獲得結果。糖心vlog入口
在加入Inari公司之前，Feuillet是拜耳作物科學公司性狀研究負責人。那么，她為什么要加入Inari公司呢？
這是因為她發現在一家已經成熟的大型公司進行創新是很困難的。在拜耳，她花了兩年時間試圖說服公司來更多地關注基因編輯。但這項技術卻被視為過于大膽且風險太大。不過，極具諷刺意味的是，拜耳現在正與Pairwise公司開展合作并大量投資，Pairwise是一家專注于基因編輯作物的公司。
如果Feuillet留在拜耳，她或許會和一些科學家共同啟動一個試點項目。而在Inari公司，她則是一個致力于利用基因編輯技術在農業領域創造美好前景的200人團隊中的一員。“這項工作很耗時間，而且也會面臨諸多困難，”Feuillet說，“但我們已經起航。”
Trivisvavet宣稱，很快就會有確切證據來證明Inari公司確實已經作出行動。她說，公司將在未來幾年向美國農民提供經過多重編輯的大豆和玉米。這些種子經基因組編輯后，可實現兩個目標，一是可提高作物產量，二是可減少每英斗需要消耗的資源。
③ CRISPR與樹木
Rodolphe Barrangou博士除了是北卡羅萊納州立大學（NCSU）食品、生物加工和營養科學系教授，CRISPR雜志的主編，他還是TreeCo公司的CEO，這是一家利用CRISPR技術為林業和環境提供改良樹木的公司。
盡管經營一家農業生物技術初創公司面臨著獨特的挑戰，但Barrangou并不畏懼，他正在努力實現三年前“頓悟”。他意識到，可以利用經CRISPR基因編輯后的可持續發展的樹木來應對氣候變化。
Barrangou估計，未來十年將有1萬到10萬人受益于CRISPR基因治療，而更多的人將受益于經CRISPR技術編輯的作物和牲畜，甚至是比更多還要多的人——當下和未來生活在地球上的每個人——都將從CRISPR編輯樹中受益。
Barrangou將他的想法總結如下：如果我們要解決大問題，那么我們就需要大的解決方案。我們面臨的最大問題是氣候變化，而最大的解決方案就是CRISPR。在培育更多可持續樹木和促進森林可持續發展方面，沒有其他技術有這么大的潛力。為了應對氣候變化問題，我們必須把重心放在樹木上。
在他頓悟之后，Barrangou開始著手組建團隊和搭建工具來啟動這項工作。當時，面臨的問題只有一個：作為一名接受過培訓的微生物學家，Barrangou對樹木一無所知。
此時，他的同事——南洋理工大學林業與環境資源副教授兼森林生物技術項目主任Jack Wang博士，向他提供了幫助。雖然Wang一直致力于將CRISPR技術引入林業，但僅限于科研方面，不過Barrangou的企業家精神成功說服了Wang成為TreeCo公司的CSO。
從規模來看，林業（生產紙漿、紙、木材、硬紙板、衛生紙等木材產品的行業）與汽車工業相當。但是規模大并不等于技術先進。據Barrangou說，林業“在分子生物學的使用方面落后了約有20年之久”。
Barrangou預計，如果林業采用CRISPR技術，那么樹木的培育速度將快10倍左右。此外，這還將進一步增強生物多樣性、建立復原力、改善纖維含量、提高效率、減少用水量、提高抗蟲害能力和產量。CRISPR技術在創造更可持續和更健康的森林方面幾乎沒有任何限制。
那么，TreeCo公司的目標是什么呢？纖維的可持續性就是其中之一糖心vlog官網。如果編輯技術可以改變木材的化學鍵和整體組成，那么生物制品的加工將變得更容易，需要的能源強度將更少，纖維生產力可進一步提高，碳足跡亦可減少。
TreeCo公司還致力于培育出更適合生物能源生產的樹木。現在的生物燃料和生物乙醇來自于糖和玉米。但是TreeCo公司希望可以提供一種除糧食作物以外的生物燃料來源，這樣就不需要以犧牲農業為代價來滿足生物燃料行業的土地需求。
此外，TreeCo公司還致力于通過確保樹木在基因層面上的復原力來改善森林健康和復復力。這種方法有其優點，因為樹木雖然可以存活幾十年，但是一旦環境發生快速變化就會難以適應。
TreeCo采用這種方法的一個例子是可以抵抗鐵杉球蚜（HWA）的鐵杉樹。HWA是一種臭名昭著的害蟲。“除非采用像CRISPR這樣的變革性技術，”Wang提醒道，“否則在林業領域解決這些問題的選擇十分有限。”
這一領域已經在基礎科學方面研究了很長時間，但對現實世界所產生的影響十分之小。考慮到森林目前所面臨的問題，Wang感到十分擔憂。他說，該公司正在“邁出基礎研究之外的第一步”。
如今，TreeCo公司正在一個溫室里以最快的速度和最大的規模種植經過CRISPR編輯的樹木，這個溫室距離Barrangou NCSU校園的辦公室只有幾步之遙。
該公司甚至有CRISPR紙。但這將是一個緩慢的過程。林業面臨的是規模挑戰。Barrangou和Wang在過去三年里所研究的一些項目可能要到2046年前后才會得到大規模的商業化應用。
盡管如此，Barrangou認為，他依舊有耐心和熱情來開展這個長達幾十年的實驗。“如果我不做的話，”他強調，“那就沒有人會去做了！”
④ CRISPR與漿果
Ryan Rapp很幸運，在他14歲時曾干過一份工作。這份工作的收入雖然不是很高，但卻啟蒙了他的研究生涯。
當時，他發現馬薩諸塞州門登小鎮當地農場采摘蔬菜的工作可以獲得不錯的報酬，然而他并不知道這份新工作將為他的職業生涯奠定基礎。在農場的這份工作讓他在鎮上更大的溫室找到了新工作，也由此，激起了他在大學學習植物學的興趣。
后來，他在愛荷華州立大學獲得了博士學位，并獲得了來自孟山都和Illumina提供的工作機會。如今，他是Pairwise公司的CTO，Pairwise是一家利用基因組編輯來改良水果和蔬菜的公司糖心vlog。
Rapp指出，四年前Pairwise公司剛成立時，已經擁有了所需的技術，包括來自布羅德研究所和哈佛大學的研究員David Liu博士的堿基編輯許可證。公司欠缺的主要是實驗室空間、人員、植物基因組序列等。
不過Pairwise公司很快就處理好了這些問題，現在也已經擁有一款即將要上市的產品。這一產品就是芥菜，這一綠葉蔬菜比羽衣甘藍、菠菜更有營養價值，但卻有辛辣的芥末味。為了改善他們的口味，Pairwise公司的科學家們刪除了會產生這種刺激性化合物的生化通路部分，并保留了健康益處功效。
在舊金山舉行的未來食品會議上，Pairwise公司最新推出了Conscious Foods新品牌，是芥菜產品的品牌名，并將芥菜產品命名為“Conscious Greens”。據Pairwise公司的CEO Tom Adams博士說，公司準備在明年上市Conscious Greens。這款產品是Pairwise公司計劃研發的14種作物中的第一種。
另一種食物是黑莓。Adams表示Pairwise公司在對吃黑莓的人進行調查時發現，85%的人說他們最不喜歡的是黑莓的籽。所以，他說：“我們現在正努力剔除黑莓籽。”
漿果一般需要9到12個月才能收獲第一批果實，具體時間因種植方式的不同而異。而Pairwise公司的編輯植物可實現六周內開花。此外，為了保護工人的安全，以及加快采摘過程，該公司還在努力剔除漿果的荊棘。Adams估計，這款產品還需要幾年時間才能上架。
Pairwise公司主要依賴Cas12，并且其還開展了一個內部項目來研發新的編輯工具。Rapp認為，CRISPR編輯技術和精準的堿基編輯技術在工作中都很重要。
Rapp發現，他在孟山都研究轉基因生物的經驗為他在Pairwise公司的工作提供了靈感。
他解釋說，孟山都的轉基因產品讓農民看到了價值，許多技術的應用都是為了種植者的利益。相比之下，消費者并沒有獲得更多的價值。現在，當Pairwise公司產品出現后，消費者看到了其中的價值，他們將有機會獲得一些沒有基因編輯就無法獲得的東西。一切都將是透明的，消費者可以做出知情選擇。
時間會告訴我們消費者對CRISPR漿果的反應。Rapp指出，這整個領域都是一場實驗。
原文鏈接：
https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/from-pharma-to-farm-can-crispr-feed-the-world/
作者：Julianna LeMieux
審校：617
編輯：晴晴大人
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