首頁 > 不僅僅是蟲:昆蟲生物工廠
:::

不僅僅是蟲:昆蟲生物工廠

近年來,在市面和傳媒上常常聽到基因轉殖玉米/大豆,以及基因轉殖豬、山羊或牛等各式各樣的基因轉殖動/植物,到底什麼是基因轉殖?基因轉殖的好處或潛力又在哪裡?
 
 
 
轉殖與複製的不同

基因轉殖和我們常常在電視上看到的「桃莉羊」或「複製牛」,以及很熱門卻有爭議的「複製人」,是指同樣的事嗎?其實不是的。

複製生物最大的特點在於:複製出來的生物會和被複製者本體有一模一樣的外形,因此稱為「複製」。代理孕母產下的個體並不是由受精卵發育而來,而是把被複製者所提供的體細胞的細胞核移出後,放置在另一個已經移除細胞核的卵細胞中,接著藉由電擊的方式觸發這個卵細胞進行分裂,然後發育成個體。在整個過程中,並沒有精卵結合的步驟,因此不能稱為(有性或無性)繁殖,而稱為「複製」。

但所謂的「轉殖」,指的是把外來的基因片段,運用分子技術進行截切和黏合的組合步驟,再利用電擊(基因槍)、感染(利用病毒或細菌)或顯微注射的方式,把這個重組的外來基因送到細胞中,鑲嵌在染色體上,並使這段外來的基因表現出來,進而產生蛋白質或干擾個體的生理狀態,甚至可以調控這外來基因表現的時機和位置。把一個外來基因送入個體,並且使它表現的過程,就稱為「基因轉殖」。

基因轉殖和轉位子

轉殖的主要目的是把外來基因送入細胞內,使這個基因在細胞內表現,再進一步研究外來基因表現對生物生理的影響,或利用基因表現生產有用的蛋白質。但是,在把外來基因導入細胞的過程中,並無法使 DNA 片段嵌入染色體中,如同人類沒有太空船,就無法前往另一個星球。因此需要有合適的載具,媒介外來的 DNA 片段嵌入,在昆蟲甚或哺乳類動物基因轉殖中所利用的載具就是轉位子。

「轉位子」(或稱跳躍基因)是生物自身具有的基因,廣泛存在於各種物種中。當跳躍基因表現時,合成出來的蛋白質能夠辨識自身或特定的 DNA 序列,複製或直接切下 DNA 片段,並使它移動且嵌入他處,因此得名。最初因為它自身的跳動特性,干擾玉米粒的色素合成而被發現,也開啟了生物科技的新領域。

在轉殖基因的過程中,只需把要轉殖的外來基因,利用重組的技術植入於轉位子能夠辨識的核酸序列內側,輔以合適啟動子表現轉位子酵素,藉由轉位子酵素的辨識和作用,把外來基因片段移轉到生物個體的染色體上,使得外來基因可以代代相傳。

啟動子與標誌基因

在基因轉殖過程中,需要合適的啟動子來控制轉位子或外來基因的表現,那麼,啟動子又是什麼?它是指位於基因上游的一段 DNA 序列,能讓 RNA 聚合酵素和許多調節基因表現的蛋白質分子,辨認出哪裡才是基因表現的正確起始點,藉以指揮所屬基因在生物中表現的時間、位置、量等特性。

以東方果實蠅(註1)的卵黃蛋白基因為例,因自身啟動子 DNA 序列的特性,使得調控蛋白和 RNA 聚合酵素僅能在雌性成蟲的脂肪體細胞和卵巢組織內,組合成一個有功能的複合體,進而刺激卵黃蛋白基因表現,也因此僅能在雌成蟲的這兩種組織內合成卵黃蛋白。倘若藉由分子生物技術,利用卵黃蛋白基因的啟動子來表現外來的基因,就可使外來基因具有與卵黃蛋白基因相同的表現特性。

筆者曾利用常態持續表現的泛素啟動子,調控從紅珊瑚分離的紅色螢光蛋白基因,建立會表現紅光的基因轉殖東方果實蠅品系。在紫外光照射下,整隻東方果實蠅會發出紅色螢光。進一步在紅光蛋白基因表現系統外,增加一組以卵黃蛋白基因啟動子調控從水母分離出來的綠色螢光蛋白基因表現系統。在這雙表現基因系統的基因轉殖東方果實蠅品系中,除了整個生活史都可以觀察到紅色螢光蛋白表現之外,也可以在雌性成蟲的脂肪體中偵測到綠色螢光蛋白的表現。

由於螢光蛋白基因的表現對蟲體不具傷害性,也不會干擾其他基因表現,因此常常做為區分轉殖和非轉殖的昆蟲(或其他轉殖生物)的標誌基因。

如果在上述基因轉殖過程中,把螢光蛋白基因抽換成想表現並具有經濟價值或醫療價值的基因呢?

基因轉殖昆蟲

早期大量表現外來蛋白質的方法,通常是用細菌或酵母發酵的方式表現,因為需要大型的發酵設備才能達到量產的規模,往往需要投入大量資金、空間和人力。但是在細菌自身複製生長時,仍然可能產生對人類有害的毒素,或生產的蛋白質不具活性。加上基因轉殖技術的進展快速,使得把動、植物當作生物反應器量產外來蛋白質,漸漸成為一項熱門的產業。

近年來許多生技公司紛紛開發以各種基因轉殖動物(如牛、綿羊、山羊、豬、兔等)的乳腺或血液做為生產醫用蛋白質的表現系統,希望能大幅降低藥用蛋白質的生產成本。第1個被大量表現生產的是藥用人類胰島素,希望可以取代原先使用的豬胰島素,防止病人發生過敏反應。其他如基因轉殖量產人類第八凝血因子、醫藥用膠原蛋白、人類生長因子等,都是有名的例子。

在以基因轉殖昆蟲做為生物反應器的相關研究中,1995 年日本學者 Kadono-Okud 利用基因重組桿狀病毒感染家蠶,嘗試使家蠶幼蟲合成人類的生長激素。Tomita 則在 2003 年發表的研究中指出,利用基因轉殖家蠶可表現人類第三型膠原蛋白於蠶絲中。

2007 年,Markaki 等學者轉殖人類生長激素基因至果蠅和地中海果實蠅基因體中,並證實這外來的人類生長激素基因能穩定遺傳至子代中,時間長達 50 代。而果蠅蟲體所合成的生長激素能正確地形成雙硫鍵結,且具生物活性,可以克服菌體量產蛋白可能殘留毒性,或基因轉殖植物量產蛋白時無法進行轉錄、轉譯後修飾作用的缺失。

但從投資效益層面來看,基因轉殖植物(番茄或水稻)需耗費 2 ~ 3 年的時間才可開始看到成效。基因轉殖動物(如山羊或牛)更需耗費 2 ~ 6 年的時間,才可開始回收投資的成本。

反觀利用昆蟲做為生物反應器生產蛋白質,由於生活史周期短(果蠅約 7 ~ 10 天,果實蠅約 20 ~ 25 天,鱗翅目昆蟲如家蠶則約 120 天)且容易飼育,不但所需的資金少(利用哺乳類細胞的生產系統,約需投資 5 ~ 10 億元於設備和相關耗材上,利用基因轉殖昆蟲,預估只需要 4 ~ 5 千萬),更可在短時間(約半年就可建立基因轉殖昆蟲品系)內見到成果。

再就生產風險而論,同是基因轉殖生物,基因轉殖動物可能因為受到如口蹄疫、狂牛病、禽流感等禽畜類疾病的威脅,在量產的蛋白質成品中,可能有受病毒和疾病病源汙染的疑慮。在這層面上,基因轉殖昆蟲不失為另一不受禽畜類疾病限制,可以發展的出路。

這套技術把昆蟲視為「生物工廠」,藉基因轉殖技術把醫藥上或其他產業上有用的蛋白質基因轉殖到昆蟲體內,藉由蟲體大量生成,可生產具商業價值的藥用蛋白質或激素。此外,昆蟲容易大量飼養,成本遠遠低於轉殖和飼育豬、牛、山羊等禽畜,深具開發潛力。

昆蟲基因轉殖技術日益純熟,在各層面的發展日新月異。然而,基於安全性問題,在基因轉殖昆蟲實際應用前,仍需就生態、法規管理、公眾認知和接受度等多方評估。以基因轉殖做為生物反應器,生產具實用價值的蛋白質,更可提高基因轉殖昆蟲的應用價值。昆蟲基因轉殖技術可說蘊藏著很大的潛能,值得開發和運用。

註1:東方果實蠅是雙翅目昆蟲,分布於東南亞,生活史分為卵、幼蟲、蛹期和成蟲 4 個時期,一年有 8 ~ 9 世代,寄主植物廣達百餘種,舉凡梨、桃、蘋果、芭樂等經濟果樹都是牠的寄主植物。雌成蟲於性成熟後交配就可開始產卵,以產卵器刺穿幼果把卵產在果肉中,使果實產生傷口而易滋生病害,這是傷害之一。待幼蟲孵化,取食果實造成果實腐敗或落果,則是另一危害。
推薦文章