身材矮小、皮毛發黃的彭彭集合了中國科研人員的兩項努力:人工克隆的技術降低了克隆的成本和難度,有利於進壹步普及;轉基因羊不僅可以產肉、奶、毛,還可以合成富含深海魚油的不飽和脂肪酸Omega-3。
如果壹切順利,彭彭本身也會因為這種特殊的基因而變得更加健康;未來人類也有可能吃羊肉,而不是昂貴的深海魚油。
"這是壹項壹舉兩得的研究."該項目負責人、中科院遺傳與發育生物學研究所研究員馬潤林說。
高中生會做的克隆技術。
在彭彭出生之前,它有壹些“生活經歷”相似的朋友。哈佛醫學院的壹位中國教授分別於2004年和2006年得到了轉基因小鼠和轉基因豬。2008年,中國農科院做出了轉基因克隆豬,兩年後,內蒙古壹位教授也做出了轉基因克隆牛。
這壹次,研究人員將註意力轉向了綿羊。
為了選擇合適的克隆對象,研究人員去了新疆的壹個羊場。在那裏,他們根據羊場每只羊的表現和日常情況的記錄,挑選了壹只“肉質好、毛多”的公羊。工作人員從耳朵邊緣取出細胞作為克隆的“種子”。張鵬說,這是因為耳朵邊緣的細胞容易收集,“對羊的傷害較小”。
在正常的育種過程中,壹只羊的誕生應該需要父母雙方的努力。他們提供的精子和卵子攜帶了父母雙方的壹半染色體,在受精過程中基因組融合。這樣,小羊出生時,就會“有些地方像爸爸,有些地方像媽媽”。
克隆出的羔羊彭彭沒有傳統意義上的父親和母親。它的制作過程就像是制作壹個全新的“雞蛋”:研究人員首先準備壹個雞蛋,像“取出雞蛋的蛋黃”壹樣取出它攜帶遺傳信息的細胞核。然後,綿羊體細胞的“蛋黃”,即細胞核,被塞回卵母細胞的蛋殼中。雖然這個全新的“蛋”來自兩個不同的個體,但它的所有遺傳基因都來自同壹只羊。
1996年,英國科學家用這種方法培育出世界上第壹只克隆羊多利。之後的很長壹段時間,“克隆”都是非常復雜的技術。困難的來源是細胞外的“蛋殼”。
在卵母細胞外面,有壹層堅韌的透明帶。這種凝膠狀的“蛋殼”包裹著卵母細胞,以保護它在受精和發育過程中不受破壞。但在克隆過程中,“蛋殼”大大增加了科研人員的操作難度。研究人員需要先固定卵母細胞,然後將細針插入卵母細胞的“蛋殼”中,提取裏面的細胞核,然後通過同壹個孔將供體細胞的細胞核插回去。
為了完成這壹系列精細的操作,研究人員需要昂貴的顯微操作器將卵細胞放大100倍以上,還需要長期的訓練和練習。但是,卵細胞的大小真的很“迷妳”。在穿透“蛋殼”的過程中,只要壹不小心,整個細胞都會被刺穿。
2003年,正在丹麥奧爾胡斯大學攻讀博士學位的杜·於濤突然被邀請參加實驗室的壹項克隆豬研究。她感到非常驚訝。
“我對克隆壹無所知。”她對當時的導師說。
實驗室正在嘗試的是壹種全新的克隆技術。研究者不再致力於準確穿透“蛋殼”,而是改變了思考角度:把蛋殼去掉怎麽樣?
經過反復實驗,杜和她的同事們用壹種特殊的酶來溶解這個令人頭疼的“蛋殼”。固體“卵”只有柔軟的細胞質和細胞核。如果妳想拿走“蛋黃”,妳不再需要精確的針管,只需要刀片。
如今,在這項名為“手動克隆”的技術中,昂貴的顯微操作器被價格僅為1/10的普通顯微鏡所取代。在40~50倍放大的鏡頭下,研究人員可以很容易地找到原子核所在的區域。只要用壹把小刀片就萬事大吉了,“去核”的工作就完成了。
接下來的工作就是再放壹個“蛋黃”進去。研究人員將供體細胞的細胞核和卵母細胞的“蛋清”放在壹起,並用生物膠將它們粘在壹起。然後用電擊讓它們真正融合在壹起。
"如果這項技術能夠得到成熟的應用,克隆將成為壹件非常簡單的事情."杜對說:2007年,從丹麥回來並加入華大基因研究院後,杜將這項技術帶回了中國。在過去的幾年裏,她和她的同事們用這種方法成功克隆了近100頭豬和牛。其實在華大的實驗室裏,壹些參加過夏令營的高中生,經過短暫的培訓就可以嘗試操作。
吃肉有吃魚的效果。
當然,彭彭的誕生仍然不是壹件簡單的事情。最直接的問題是,綿羊只在春秋兩季發情,所以只有在這兩個季節,研究人員才能抓緊時間,獲得優質的卵母細胞。
2010 10中國科學院遺傳與發育生物學研究所張鵬博士第壹次來到新疆的實驗室。這個臨時分區的實驗室沒有過濾系統,也沒有空氣監測。他們把器械收起來,就只剩下三四平米的活動空間了。
更何況,雖然10的北京還是秋高氣爽,但是在新疆,天氣已經很冷了,羊已經不發情了。張鵬和他的同事在那裏掙紮了兩個月,但未能提取到合適的卵母細胞。
“沒辦法,只能摸著石頭過河了。”張鵬說。
第二年春天,他們又來到了新疆。這壹次,天氣轉暖,他們終於找到了合適的卵母細胞。當綿羊體細胞被引入卵母細胞時,研究人員也進行了新的嘗試:“拼貼”細胞核中的壹個基因,希望彭彭能夠合成壹種不飽和脂肪酸——ω-3。
ω-3是人體必需的脂肪酸。科學實驗證實,如果歐米伽-3攝入不足,心臟病、糖尿病、關節炎、類風濕和壹些癌癥的發病率會增加。長期以來,人類壹直在用深海魚油等食物來補充自身的omega-3。這壹次,中國的研究人員希望找到其他生物合成這種稀缺成分的另壹種方法。
張鵬說,盡管深海魚油富含歐米伽-3,但魚類無法合成它。他們只是吃了大量含有Omega-3的藻類。事實上,高等動物無法自行合成omega-3——這種基因在進化過程中已經丟失。
現在,研究人員希望通過基因工程,讓羊重新獲得這種功能。研究人員通過克隆低等動物的線蟲獲得了合成Omega-3的基因片段,並將其轉化為適合哺乳動物的表達。然後,將它們轉移到羊的基因組中。
馬潤林用“裁縫”來形容他的工作:“我們用工具酶把基因切割成片段,然後重新組合,插入目標基因組。”
事實上,這並不是中國科學家在這壹領域的首次嘗試。早在2008年,研究人員就開始嘗試讓克隆豬攜帶合成Omega-3的基因,並在2010獲得成功。如今,這些小豬仍生活在廣東惠東的養豬場裏。研究人員證實,與普通豬相比,其肉中的脂肪酸含量發生了變化,ω-3含量較高,而對健康有害的ω-6含量較低。
馬潤林希望這項技術可以讓人們不再依賴昂貴的深海魚油,而可以只通過吃肉和喝牛奶來補充原本稀缺的歐米伽-3。“這樣可以減少對深海魚的傷害,讓遺傳資源發揮作用。”他說。
轉基因動物進入市場還需要很長時間。
克隆胚胎合成後,張鵬和他的同事們每天都在實驗室觀察它們,希望找到發育成囊胚的胚胎,因為只有在囊胚形成後,克隆胚胎才能發育成完整的生命。然而,在很長壹段時間裏,張鵬每次都只能失望而歸。後來,他甚至放棄了希望。
夏天來了,變化終於出現了。張鵬突然在實驗室裏發現了壹個胚泡。他興奮地立即打電話,向同事報告了結果。
“我們很幸福。”張鵬說,“這是壹個象征性的成功:個體細胞有能力發育成個體,這是壹個從無到有的過程。”
懷孕五個月後,張鵬和他的同事在彭彭的預產期到來時再次來到新疆。然而,生產過程並沒有想象中的順利,因為來不及生產,研究人員最終給“代孕”母羊進行了剖腹產。
當彭彭被從母羊的肚子裏拿出來時,它已經死了。“緊張害怕”的工作人員拍了拍它,擦去了它鼻子裏的羊水。幾分鐘後,它慢慢移動了。
今天,彭彭繼續在壹個實驗羊場裏成長。張鵬說,彭彭是否能自己合成歐米伽-3還需要進壹步測試,但它確實攜帶了轉移的基因。
"它是100%轉基因動物."張鵬說。
事實上,彭彭不僅是科學研究的產物,也是中國農業發展“戰略儲備項目”的壹部分。國家農業部門投入資金支持動物新品種培育和生物技術戰略儲備。作為這個動物新品種培育項目的負責人,馬潤林說,現代生物科技發展有兩個應用方向,壹是幫助解決人類的食物產品,二是幫助解決人們的健康。轉基因克隆羊彭彭同時有兩個用途:壹方面可以提高畜產品的質量和產量,另壹方面可以提高人的健康和抵抗力。
然而,這只羊無法回避關於其“身世”的爭論。克隆和轉基因都繞過了正常的生殖過程,其安全性壹直受到公眾的質疑。
“我們理解這種爭議。”馬潤林說,“轉基因生命可以服務於我們特定的人類目標,但它不會取代自然過程。我們沒有太多機會戰勝自然,因為自然的選擇是完美的。”
現在在中國,克隆轉基因動物的研究和開發仍在進行。杜介紹,他們曾經通過轉基因的方法,使牛羊分泌的乳汁中也含有人乳的血清蛋白和乳體蛋白。這樣,牛羊的乳腺就像壹個合成蛋白質的“小作坊”。只要它們還在分泌乳汁,就會不斷產生這種蛋白質。
更大的應用是在克隆豬上。研究人員將特定基因轉移到克隆豬身上,使它們更容易患糖尿病。這樣,制藥公司可以更方便地進行藥物試驗,促進治療糖尿病藥物的研發。
“這就是人工克隆的價值。”杜對說:
至於即將迎來滿月的彭彭,研究人員需要進壹步測試。壹方面要嚴格檢測自身的Omega-3等物質是否安全。另壹方面,我們也應該檢查新的基因是否會使它產生任何不好的變化,例如更容易生病。
“我們吃的東西會被消化成脂肪、蛋白質、糖等各種營養物質,不會在體內表現為基因。”馬潤林說,“如果物質本身沒有毒性,對環境和生物本身也沒有毒性,那麽人們食用它是安全的。”
然而,目前這些技術離普通人的生活還相當遙遠。杜認為,實驗室的能力還不足以承擔大規模的工業生產。馬潤林和張鵬從安全性的角度出發,認為用轉基因動物制成的食品沒有副作用和負面影響還需要很長的時間來觀察。
“我個人認為,轉基因動物進入市場還需要非常長的時間。”張鵬說。