从制药到农业：CRISPR技术养活世界？
2020年，CRISPR基因编辑系统获得了诺贝尔化学奖。这项具有革命性意义的技术不仅在生物制药领域掀起风暴，更在食品、农业等领域产生了巨大的影响。那么CRISPR技术究竟会如何改变我们的世界呢？CRISPR编辑食物会成为未来生活中的“家常便饭”吗？
今天，我们共同关注CRISPR技术。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。
“基因剪刀”CRISPR
距离Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier在Science杂志上联合发表“基因剪刀”CRISPR的工作成果已过去十年之久。
在过去的10年里，研究人员推出了许多改进版本，并不断探索“基因剪刀”的应用领域。迄今为止，CRISPR技术最突出的应用领域是医疗领域，如为镰状细胞性贫血病提供了新疗法。
不过，CRISPR或可对世界产生更为深远的影响。除了可以修饰人类细胞的基因组，CRISPR还可以修饰植物细胞的基因组。事实上，正如Doudna近期在Babbage播客采访中解释的那样，最实用且最容易吸引公众注意的CRISPR应用领域将是食品和农业。
她说：“对我们多数人而言人，最具影响力的CRISPR应用领域是农业，至少从短期来看是这样。”
那么，在植物育种上，利用CRISPR技术改良植物性状相比传统基因突变方法有何不同呢？“CRISPR提高了工具的精确度。”Doudna说。例如，利用化学诱变剂进行植物育种的方法，完全依赖于化学诱变剂对植物DNA造成的随机突变。
此外，也很难对一个植物同时施加多种变化，因为这需要多轮操作，而每一轮都有可能增加非预期结果的随机发生风险。CRISPR技术消除了这一随机性，因为它可以精准改变特定DNA序列。
Inari Agriculture公司CSO Catherine Feuillet博士已经对小麦研究了20年，她清楚地意识到，植物遗传学研究或许是进展缓慢的。在她早期职业生涯中，她花了十年才分离出一个小麦基因。
尽管她知道耐心很重要，但她也清楚，时间也至关重要。现在正逢其时：当下农业领域正面临着一个极其复杂的难题，即资源制约日益严峻，而人口却越来越多，若要解决这一问题，农业领域需要突破。
近年来，农作物产量虽然一直在增加，但却是以牺牲环境为代价的。“我们不能再让这一趋势延续，”Feuillet断言，“现在已经面临严峻的气候变暖问题了。但我们也不能在产量上妥协，因为我们要养活更多的人。”
Feuillet指出了三个紧迫的事实：一是我们没有选择，二是我们需要争分夺秒，三是我们需要提高效率。
她说，好消息是，技术革命带来的创新技术，将能够解决这些挑战。
Inari公司对大豆、玉米和小麦开展了基因组编辑实验，这三种农作物在养活人口方面的贡献最大，也对环境影响最大。事实上，Feuillet断言，Inari公司是唯一一家致力于对这些农作物进行基因组编辑的公司。“我们是最大胆的人。”她宣称。
Inari公司并不专注于为消费者改善产品食用口感或其他特征，该公司旨在给农业发展带来重要影响，让农业变得更具有可持续性。Feuillet之所以从事这个行业，是因为数百万人正在挨饿，而她想解决那些阻碍农业养活世界的问题。
为了做到这一目标，Inari公司计划提高水、氮等资源的产量和利用效率。“我们追求这些目标，并非因为其易实现，”她坚持道，“而是出于必要性。”
Inari公司搭建了一个专业的SEEDesign技术平台。该公司的CEO Ponsi Trivisvavet解释说，该平台结合了前瞻性设计与先进的多重基因组编辑技术，可以释放种子的全部潜力，从而可以获得更为可持续的食物系统。Inari公司采用CRISPR工具来切割DNA、微调启动子、插入增强子。该公司还拥有一项内部自己开发的技术，可以用来替换氨基酸（专利碱基编辑技术）。
Inari公司的研究人员还在借助人工智能，试图从不断试错的育种方法转向前瞻性设计方法。“机器学习具有大幅加速育种和编辑管线的潜力，”Inari首席信息和数据官Rania Khalaf博士说，“我们正在测试计算模型。若不借助人工智能，这些实验将难以完成，因为存在大量可能的组合。”
Feuillet表示，很多人都可以改变基因组，但却没有人真正知道需要做出哪些改变。改善植物的生物学特性比简单地删除基因要复杂得多。Feuillet想要修改多个序列，但不是通过传统育种方式，因为传统育种需要15年之久，且无法锚定到特定基因。相反，她想使用CRISPR技术，因为它可以作用于选定的特定目标，并在短短两年内即可获得结果。
在加入Inari公司之前，Feuillet是拜耳作物科学公司性状研究负责人。那么，她为什么要加入Inari公司呢？
这是因为她发现在一家已经成熟的大型公司进行创新是很困难的。在拜耳，她花了两年时间试图说服公司来更多地关注基因编辑。但这项技术却被视为过于大胆且风险太大。不过，极具讽刺意味的是，拜耳现在正与Pairwise公司开展合作并大量投资，Pairwise是一家专注于基因编辑作物的公司。
如果Feuillet留在拜耳，她或许会和一些科学家共同启动一个试点项目。而在Inari公司，她则是一个致力于利用基因编辑技术在农业领域创造美好前景的200人团队中的一员。“这项工作很耗时间，而且也会面临诸多困难，”Feuillet说，“但我们已经起航。”
Trivisvavet宣称，很快就会有确切证据来证明Inari公司确实已经作出行动。她说，公司将在未来几年向美国农民提供经过多重编辑的大豆和玉米。这些种子经基因组编辑后，可实现两个目标，一是可提高作物产量，二是可减少每英斗需要消耗的资源。
Rodolphe Barrangou博士除了是北卡罗莱纳州立大学（NCSU）食品、生物加工和营养科学系教授，CRISPR杂志的主编，他还是TreeCo公司的CEO，这是一家利用CRISPR技术为林业和环境提供改良树木的公司。
尽管经营一家农业生物技术初创公司面临着独特的挑战，但Barrangou并不畏惧，他正在努力实现三年前“顿悟”。他意识到，可以利用经CRISPR基因编辑后的可持续发展的树木来应对气候变化。
Barrangou估计，未来十年将有1万到10万人受益于CRISPR基因治疗，而更多的人将受益于经CRISPR技术编辑的作物和牲畜，甚至是比更多还要多的人——当下和未来生活在地球上的每个人——都将从CRISPR编辑树中受益。
Barrangou将他的想法总结如下：如果我们要解决大问题，那么我们就需要大的解决方案。我们面临的最大问题是气候变化，而最大的解决方案就是CRISPR。在培育更多可持续树木和促进森林可持续发展方面，没有其他技术有这么大的潜力。为了应对气候变化问题，我们必须把重心放在树木上。
在他顿悟之后，Barrangou开始着手组建团队和搭建工具来启动这项工作。当时，面临的问题只有一个：作为一名接受过培训的微生物学家，Barrangou对树木一无所知。
此时，他的同事——南洋理工大学林业与环境资源副教授兼森林生物技术项目主任Jack Wang博士，向他提供了帮助。虽然Wang一直致力于将CRISPR技术引入林业，但仅限于科研方面，不过Barrangou的企业家精神成功说服了Wang成为TreeCo公司的CSO。
从规模来看，林业（生产纸浆、纸、木材、硬纸板、卫生纸等木材产品的行业）与汽车工业相当。但是规模大并不等于技术先进。据Barrangou说，林业“在分子生物学的使用方面落后了约有20年之久”。
Barrangou预计，如果林业采用CRISPR技术，那么树木的培育速度将快10倍左右。此外，这还将进一步增强生物多样性、建立复原力、改善纤维含量、提高效率、减少用水量、提高抗虫害能力和产量。CRISPR技术在创造更可持续和更健康的森林方面几乎没有任何限制。
那么，TreeCo公司的目标是什么呢？纤维的可持续性就是其中之一。如果编辑技术可以改变木材的化学键和整体组成，那么生物制品的加工将变得更容易，需要的能源强度将更少，纤维生产力可进一步提高，碳足迹亦可减少。
TreeCo公司还致力于培育出更适合生物能源生产的树木。现在的生物燃料和生物乙醇来自于糖和玉米。但是TreeCo公司希望可以提供一种除粮食作物以外的生物燃料来源，这样就不需要以牺牲农业为代价来满足生物燃料行业的土地需求。
此外，TreeCo公司还致力于通过确保树木在基因层面上的复原力来改善森林健康和复复力。这种方法有其优点，因为树木虽然可以存活几十年，但是一旦环境发生快速变化就会难以适应。
TreeCo采用这种方法的一个例子是可以抵抗铁杉球蚜（HWA）的铁杉树。HWA是一种臭名昭著的害虫。“除非采用像CRISPR这样的变革性技术，”Wang提醒道，“否则在林业领域解决这些问题的选择十分有限。”
这一领域已经在基础科学方面研究了很长时间，但对现实世界所产生的影响十分之小。考虑到森林目前所面临的问题，Wang感到十分担忧。他说，该公司正在“迈出基础研究之外的第一步”。
如今，TreeCo公司正在一个温室里以最快的速度和最大的规模种植经过CRISPR编辑的树木，这个温室距离Barrangou NCSU校园的办公室只有几步之遥。
该公司甚至有CRISPR纸。但这将是一个缓慢的过程。林业面临的是规模挑战。Barrangou和Wang在过去三年里所研究的一些项目可能要到2046年前后才会得到大规模的商业化应用。
尽管如此，Barrangou认为，他依旧有耐心和热情来开展这个长达几十年的实验。“如果我不做的话，”他强调，“那就没有人会去做了！”
Ryan Rapp很幸运，在他14岁时曾干过一份工作。这份工作的收入虽然不是很高，但却启蒙了他的研究生涯。
当时，他发现马萨诸塞州门登小镇当地农场采摘蔬菜的工作可以获得不错的报酬，然而他并不知道这份新工作将为他的职业生涯奠定基础。在农场的这份工作让他在镇上更大的温室找到了新工作，也由此，激起了他在大学学习植物学的兴趣。
后来，他在爱荷华州立大学获得了博士学位，并获得了来自孟山都和Illumina提供的工作机会。如今，他是Pairwise公司的CTO，Pairwise是一家利用基因组编辑来改良水果和蔬菜的公司。
Rapp指出，四年前Pairwise公司刚成立时，已经拥有了所需的技术，包括来自布罗德研究所和哈佛大学的研究员David Liu博士的碱基编辑许可证。公司欠缺的主要是实验室空间、人员、植物基因组序列等。
不过Pairwise公司很快就处理好了这些问题，现在也已经拥有一款即将要上市的产品。这一产品就是芥菜，这一绿叶蔬菜比羽衣甘蓝、菠菜更有营养价值，但却有辛辣的芥末味。为了改善他们的口味，Pairwise公司的科学家们删除了会产生这种刺激性化合物的生化通路部分，并保留了健康益处功效。
在旧金山举行的未来食品会议上，Pairwise公司最新推出了Conscious Foods新品牌，是芥菜产品的品牌名，并将芥菜产品命名为“Conscious Greens”。据Pairwise公司的CEO Tom Adams博士说，公司准备在明年上市Conscious Greens。这款产品是Pairwise公司计划研发的14种作物中的第一种。
另一种食物是黑莓。Adams表示Pairwise公司在对吃黑莓的人进行调查时发现，85%的人说他们最不喜欢的是黑莓的籽。所以，他说：“我们现在正努力剔除黑莓籽。”
浆果一般需要9到12个月才能收获第一批果实，具体时间因种植方式的不同而异。而Pairwise公司的编辑植物可实现六周内开花。此外，为了保护工人的安全，以及加快采摘过程，该公司还在努力剔除浆果的荆棘。Adams估计，这款产品还需要几年时间才能上架。
Pairwise公司主要依赖Cas12，并且其还开展了一个内部项目来研发新的编辑工具。Rapp认为，CRISPR编辑技术和精准的碱基编辑技术在工作中都很重要。
Rapp发现，他在孟山都研究转基因生物的经验为他在Pairwise公司的工作提供了灵感。
他解释说，孟山都的转基因产品让农民看到了价值，许多技术的应用都是为了种植者的利益。相比之下，消费者并没有获得更多的价值。现在，当Pairwise公司产品出现后，消费者看到了其中的价值，他们将有机会获得一些没有基因编辑就无法获得的东西。一切都将是透明的，消费者可以做出知情选择。
时间会告诉我们消费者对CRISPR浆果的反应。Rapp指出，这整个领域都是一场实验。
原文链接：
https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/from-pharma-to-farm-can-crispr-feed-the-world/
作者｜Julianna LeMieux
编译｜77
审校｜617
编辑｜晴晴大人