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太长不看版:

- 请问什么是极地转基因苹果,对人体有害不?
- 哦,是这样,人类找到了苹果褐变的基因开关,然后把它关上了。经过FDA的审定,转基因苹果获准上市。
- 就这么简单?
- 就这么简单!

 

1.1
不会褐变的极地苹果。这种苹果于2015年2月通过美国农业部审批,2015年3月通过FDA审批,将于这个月在美国上市。
图片来源:Okanagan Specialty Fruits

苹果是一个符号。在整个水果界,再也找不出一种水果比苹果承载更多的含义和象征性。从伊甸园的禁果到让医生“绕着走”的良药,从恶毒皇后的道具到科技进步的象征。而如今,苹果将再一次颠覆人类的认知,甚至生活习惯。
就在本月,一种名为极地苹果(Arctic Apple)的苹果即将出现在美国水果市场的货架之上。粗看起来,这只是新品上市,水果商所做的一件再简单不过的事情。但注意了,这可是美国第一种商业化销售的转基因苹果。
人们还莫衷一是地讨论着,这事是推开了天堂的大门,还是打开了潘多拉魔盒。毫无疑问的是,人类开启了水果培育的新时代。而这个时代的到来,仅仅是因为切开的苹果会变色。

苹果褐变,不是麻烦的麻烦

生活中总是会碰到一些不是麻烦的麻烦,比如有个技术宅不知哪根筋抽了,收拾了屋子,浇了花,给老婆削了一个大苹果,切成小块插上牙签,安静地等老婆回家。两个小时之后,老婆回家。宅男得到的并不是老婆的夸赞,而是一堆关于生活常识的数落,因为苹果都变黑了……(P.S. 以上故事真的不是我干的。)
这种变化其实来自于正常的氧化反应,一种叫做褐变的过程。在植物中存在很多原本无色的多酚类的物质。这类物质能跟氧气结合,产生一些有色物质,这就是褐变。

2.1 褐变
褐变使苹果红颜易老
图片来源:pixabay

不过,多酚类物质更像是超级宅男,即便是氧气这种性格超级活泼的美女在眼前晃荡,宅男也依然静悄悄地毫无反应。要想发生点激烈的故事,还需要点个小火,而植物细胞中还真有这种火花,那就是多酚氧化酶(PPO)。
在健康的植物细胞中,多酚和多酚氧化酶是老死不相往来的两类物质,它们一个住在液泡里,一个住在类囊体中,只有当细胞受到破坏时,两种物质才能结合在一起。在PPO的炽烈催化之下,多酚类物质和氧气迅速结合,果肉变色也就在所难免了。
不单单是苹果,这种变色问题存在于很多蔬果之中,比如香蕉、桃子、梨、莲藕、土豆的洁白之躯都会因为酶引发的褐变,而穿上棕色外套,让人食欲顿失。

如何让苹果“守身如玉”?

为了对抗褐变,可以从三个层面入手,一是隔绝氧气,二是减少多酚类物质或者增加抗氧化剂,三是降低多酚氧化酶的活性。
隔绝氧气似乎最容易实现。各种生活小妙招也因此衍生而出,比如把切开的苹果泡在盐水里,这种做法就可以将讨厌的氧气隔离开。但是盐水并非总是唾手可得,要想随时随地完全对抗氧气的干扰,并不是一个容易办到的事情。况且泡过水的苹果,滋味总会大打折扣。

3.1 浸泡苹果
浸泡苹果能让它保持漂亮的颜色,但总是有点麻烦
图片来源:wikihow

至于降低多酚类物质的含量,这个做法更是困难,植物体内,产生这些物质的反应实在是太多了,并且这种物质还在一些生理过程(比如抗氧化)中扮演着重要角色,如果完全将其剔除,后果很难预料。
既然干柴和氧气都必须有,那只能从火花身上想办法了。彻底一点的方法就是让PPO彻底失去活性,最简单的方法就是加热!比如在100℃的沸水中将莲藕汆烫70秒,就可以让所有的多酚氧化酶失去作用。只是土豆莲藕固然可用这种方法,煮熟的苹果味道却不是人人喜欢。
目前在大规模商业生产中,其实是使用抗氧化剂来解决这个问题的,比如适当地添加喷洒维生素C。维生素C比多酚类物质活泼,就可以在很大程度上抢先结合氧气,让多酚类物质免遭氧化。但是这样做也有个问题,费钱啊,那些抗氧化剂也得用钱买啊。别小看这笔开支,据统计,市售切片苹果中,30%~40%的成本用在了抗氧化剂上。
终于,科学家决定用一个快刀斩乱麻的解决办法——让果实中的PPO失去活性,或者干脆不产生PPO。直接把苹果的酶促褐变火种给没收了,不就解决褐变问题了吗?要实现这个目标,就要仰赖于一种叫RNA干扰(RNAi)的转基因技术。

从加法到减法,躁动的基因也会失声

在公众的传统印象中,转基因就是把来自其他生物的基因塞进目标生物的基因组里。想抗病,加个抗病基因;想抗寒,加个抗冻基因;想抗虫害,加个“变态”基因(Bt基因,合成Bt蛋白的基因,对昆虫有很好的杀灭效果,对人类无毒)。所有的遗传学家和分子生物学家都在那儿塞啊,塞啊……最好把所有的葫芦娃都变成全能的葫芦小金刚,把所有汽车都打造成变形金刚。
但这种加法终究不能解决所有的问题,有时候塞进去的基因根本就不工作,有时不但不工作,甚至还拖后腿。1990年的时候,有位叫理查德•约根森(Richard Jorgensen)的科学家想获得一种深紫色的矮牵牛,于是把一段加挂强启动子的色素基因给插到了紫色矮牵牛的基因组里面。按理说,合成色素的基因多了,那合成的色素理所当然应该增多啊。科学家就指着卖了这个品种写本子,报基金呢。但是问题来了,这些转基因矮牵牛的颜色没有变深,反而变白了,得,这基金是申报不成了,连孩子的圣诞节礼物都买不成了。

4.1 矮牵牛
最左边的是原始矮牵牛,右边三朵都是RNAi影响下的矮牵牛。
图片来源: R. JORGENSEN, UNIV. ARIZONA, TUCSON

琢磨来琢磨去,都想不通啊,为啥会有这种奇异的事情出现。按理说,人多力量大,基因多了强度高,苹果就是因为合成蔗糖的基因远多于其他蔷薇科植物,才会成为甜蜜水果的代表。但为啥把矮牵牛的色素基因拼在一起,就变成了一加一小于二了呢?遗憾的是,约根森也没有细想,就给这个现象起了个名字叫共抑制。意思就是同源基因掺和到一起,可能会产生互相抑制的结果。这事儿就这么草草过去了。
在随后的近十年时间里,一堆科学家们仍然热衷于向各种生物中塞新基因,大家都忙得不亦乐乎。大家也都多多少少碰见了约根森碰见的事情,并且地球上所有类型的生物都不能逃脱这个魔咒,无论是原生动物,无脊椎动物,脊椎动物,真菌还是藻类。但是,很少有人去细究这个事情。
时间一下子就过了近十年。
机会总是属于那些喜欢较真的人,在“共抑制”这件事儿上自然也不例外。正当其他科学家在为共抑制而烦恼的时候,安德鲁•法厄(Andrew Z. Fire)与克雷格•梅洛(Craig C. Mello)却发现了其中的机会——既然插入同源基因序列可以干扰正常的基因表达,甚至关闭生物体中的基因,那我们不是正好可以用这种办法,来关闭一些基因吗?说干就干,1998年的时候,安德鲁•法厄用一种叫秀丽隐杆线虫的模式动物,验证了自己的想法。随后的两三年中,这种机制在果蝇、小鼠和人体细胞中,陆续得到验证。
一个看似转基因巨大障碍的难题,却变成改造生物基因的一条全新道路。法厄与梅洛因此获得了2006年度的诺贝尔生理学或医学奖。从添加功能,到关闭功能,这是人类对基因功能认识的一大飞越。这个诺奖的含金量真的是杠杠的。

基因是如何沉默的?

那么,基因是如何沉默的呢?绝大多数生物体(流感病毒等RNA病毒除外)的遗传信息都保存在DNA中。DNA相当于构建生物体的原始图纸,要真正建设生物体的时候,要先以DNA为模板,制作临时图纸——信使RNA(mRNA)。这些mRNA才是在细胞工地上指导蛋白质合成时真正使用的图纸。理论上,不管是撕碎原始还是临时图纸,都不会产生相应的蛋白质。但是,DNA上不同基因有很多共用的序列,随意改变DNA将产生不可预计的后果,甚至导致生物死亡。所以,只能拿mRNA开刀了。
那如何破坏mRNA呢?这还得从RNA的结构说起。DNA的双螺旋像咬合在一起的拉链,两条互补的DNA链紧紧地拥抱在一起,而mRNA是以单链形式存在的。不过,生物世界永远都有特例,有些RNA确实是双链形态,被称为双链RNA(dsRNA)。好吧,对细胞来说,这些RNA就是不应该存在的东西——常常是外来病毒或者别的什么外来基因。而细胞自然也有对策,RNAi就是消灭它们的免疫机制。
一旦dsRNA出现在细胞中出现,很快就会被名叫Dicer蛋白的警察发现,然后警察会张开大嘴把这些dsRNA咬个粉碎,变成长度为21~23个碱基的小段;然后小段上的两条RNA就会被强行拆散成siRNA。被拆开之后,这些短短的siRNA又会与一种叫AGO蛋白结合成复合物,然后会主动去找那些跟自己有互补序列的mRNA,并且要给它们一个“甜蜜”的拥抱。可怜mRNA还没明白怎么回事儿,就被切割破坏,失去了活性,真是躺着也中枪。甜蜜拥抱变成了死亡陷阱。
但是,故事到这里并没有结束。细胞会继续以siRNA为引物,mRNA为模板合成大量的dsRNA,继续上述的过程,并且这种dsRNA还可以跨越细胞、组织、甚至是器官的界限,扩展到整个生物体中。就好像原子弹爆炸时的链式反应一样,一旦RNAi过程启动,就会一直进行,直到把生物体内所有的目标mRNA全部破坏。最终的结果就是,mRNA都不见了,基因“沉默”了。就像最初发现的那些变白的转基因矮牵牛一样。
利用这个原理,我们可以做很多事情,比如关闭肿瘤基因,关闭过敏患者的特定基因,当然,这次培育出极地苹果的奥卡诺根特色水果公司(Okanagan Specialty Fruits)正是利用这项技术,通过插入更多份苹果中本来就有的PPO基因,将苹果中的PPO基因尽数关闭,从而让苹果长时间维持在雪白的状态。

5.1 极地苹果
切开8小时后的普通苹果(左)和极地苹果(右)。
图片来源:Okanagan Specialty Fruits

不是转基因的转基因苹果

极地苹果并没有引入外来的新基因,因此并非严格意义上的“转基因”(trangenic),事实上,有科学家将这些不引入外来基因,只是调整控制原本基因组的植物称为“顺基因”(cisgenic)。也有人将transgenic翻译成异源基因改造,将cisgenic翻译成同源基因改造。
全新的技术,必然会带来一系列新的需要思考的问题。有些媒体表示了对新的技术带来问题的隐忧。公众会不会以褐变速度来判断是否是转基因产品?这种改变会不会导致病虫害多发,从而增加农药用量?酶系统的转变,会不会影响传粉昆虫的安全?还有人担忧,苹果的健康之果形象会不会因此崩溃?甚至有流言说极地苹果即使腐烂都不会变褐色——这当然是假的。极地苹果跟其他苹果一样,腐烂时也会变色,它只是不会因PPO酶而褐变而已。
无论如何,这个沉默的基因,就这样沉默地到来了。极地苹果的市场反应是好是坏?基因改造的前景如何?CRISPR等更精准的基因编辑技术,又能否很快在农业中推广应用?只能交给时间来检验。
在宣传片中,生产极地苹果的奥卡诺根公司的科学家如是说,“基因改造有着精准的目标,苹果树没有变,果子没有变,果子的成分也没有变。”但是我们知道,水果培育的方法已经悄然改变,一个全新的农业时代已经开启。

作者:史军
编辑:游识猷
排版:红色皇后

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10 Responses to ““小白脸”转基因苹果要上市啦!”

  1. 匿名说道:

    所以我反对人工修饰基因的食物。我们对基因及基因的表达知之甚少,很多并不是以简单、直观的逻辑就能推断的。

    • ice说道:

      所以我们反对使用汽车,因为我们对汽车的安全知之甚少,很多并不是能从简单、直观的马车就能推断的。

      • 匿名说道:

        我写的时候懒了些,表达就简单粗暴了。如果人工修饰基因的食物能作饲料10年观察,我还是能认同的。毕竟药品都要做4期,食品做10年也不过分。问题是那个公司能做到。

        • 方弦说道:

          药物是异源物质,转基因都是自然中已知存在的基因,两者的安全标准似乎也不应该一样吧。

          • 匿名说道:

            “药物是异源物质,转基因都是自然中已知存在的基因”,这句话有问题。
            1、药物未必是人工新造物。
            2、转基因进去后,就一定按设计运行了?不同的生理环境转录、翻译、肽链最后的3D结构未必就相同。可能产生部分符合设计的产物,还有部分是意外产品。
            3、转基因即使按设计运行,它的设计产物本来就是我们原来食品中会出现的东西。而这种东西没有经过食品级的安全观察。
            4、食品的安全要求本来就比药品的要高很多。

    • 匿名说道:

      那个Bt无害的结论很值得怀疑。Bt杀死昆虫的原理是它本身是一种“毒素”,能有肠溶的效果,就是动物的肠壁被这种毒素所溶解,飞蛾吃了Bt,肠壁被穿透,身体被弄出洞,飞蛾就死了。这种毒素对其他生物也有同样作用。人类的肠或消化道有了Bt毒素,人类的肠壁被破坏,有了洞洞,食物没有经过完整的消化吸收,直接从破洞进入人体的血液循环系统,人类的病状是“过敏”。转基因动植物是实验者拿起基因枪胡乱射击的结果,大自然亿万年的进化被无知地破坏,那些新的动植物对于自然界的原有居民来说就是不可预知的怪胎。

      • 匿名说道:

        参见BBC的纪录片《地平线:转基因食品之战》

      • 方弦说道:

        并非如此,Bt毒素要与鳞翅目昆虫肠道里的某种特有蛋白质结合才会产生毒性,而这种蛋白质在别的动物(特别是人)体内不存在,所以人吃了Bt毒素也不会有什么事。这种事情在生物中很常见。

      • illusiwind说道:

        观察:
        猫猫狗狗吃了巧克力中毒挂了。
        结论:
        竟然在超市里大规模储存剧毒物质!可怕无知愚蠢的人类!超市应该把所有巧克力下架丢弃填埋!

  2. 匿名说道:

    我不反对技术进步,我是支持技术进步的。但我反对放弃安全,迫不及待地以技术换取商业利益。像这篇文章的例子,仅仅是为了改变观感就上市一个转基因是要好好衡量的。有人可能要说:没利益如何能推动技术发展?-----有些事就是急不来的。