澳洲科學家挑戰入侵種 用基因編輯蝌蚪逆轉生態危機

科學家製造出一隻「白化」的蟾蜍,藉此證明基因編輯技術有效。圖片來源/Chris Jolly

記者 吳昱賢/綜合報導

一隻蟾蜍的雙眼泛著紅光,佈滿疣狀突起、沾染毒液的皮膚,原本是褐色斑紋,如今卻呈現出奶油般的白色。這隻白化蟾蜍來自一個橫跨雪梨大學實驗室與北部洪比杜(Humpty Doo)熱帶草原及濕地的科學團隊。事件的主角,是麥覺理大學(Macquarie University)副教授、分子生物學家馬塞爾科(Maciej Maselko),而這一切的開端,要回到2023年9月。

2023年9月馬塞爾科對團隊成功將蛋白質和RNA混合物注射進甘蔗蟾蜍卵中、敲除色素基因的速度感到震驚,他說:「我真的嚇到了。我知道理論上可行,但我們幾個月內就達到原本預期需要兩年的進度。基本上,我們第一次基因改造蟾蜍的嘗試就成功了。」

然而,這僅是計畫的第一階段,目的是驗證技術能否應用於下一步。因為被注射的蝌蚪從原本的漆黑變成純白,科學家立刻明白,他們的Crispr-Cas9基因編輯技術對甘蔗蟾蜍有效,CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)原本是細菌用來對抗病毒入侵的一種免疫機制。科學家借用這套系統,加上Cas9蛋白(一種「分子剪刀」),發展出一種能夠快速、準確地編輯DNA序列的技術。

昆士蘭大學(University of Queensland)化學教授卡蓬(Rob Capon)形容:「甘蔗蟾蜍甚至能在一個小水坑裡繁殖。」接下來的成果是他們稱為「彼得潘」(Peter Pan)的蝌蚪——一個甘蔗蟾蜍最可怕的夢魘,也是一種「超級食卵者」。

雖然馬塞爾科與博士後研究員麥可.克拉克(Michael Clark)負責基因工程技術,但這項構想並非出自他們。

演化生物學家、麥覺理大學教授瑞克.夏因(Rick Shine),同時是《甘蔗蟾蜍戰爭》(Cane Toad Wars)一書作者,長年致力於開發對抗甘蔗蟾蜍的生態策略。2016年,他因教導澳洲食蟻袋鼬(quoll)、巨蜥(goanna)避免食用入侵兩棲類,同年也因研發利用蟾蜍毒素吸引蝌蚪的費洛蒙誘捕器,榮獲新南威爾斯州年度科學家獎。

科學家透過剔除蟾蜍卵中的單一基因,使孵化出的幼體無法變態成蟾蜍。圖片來源/Etienne Littlefair


夏因教授過去最知名的創舉之一,就是發明「甘蔗蟾蜍香腸」。這種特製香腸是用甘蔗蟾蜍肉製成,並添加會讓食用者感到不適的化學物質,用來訓練澳洲本土掠食動物(如食蟻袋鼬、巨蜥)學會遠離劇毒的甘蔗蟾蜍。這種方法透過負面學習效果,讓掠食者避免誤食而中毒死亡。夏因因這項創新獲得澳洲總理科學獎,成為生態與行為學結合的經典案例。

而這個「彼得潘」蝌蚪又是怎麼回事呢?原來,科學家透過剔除蟾蜍卵中的單一基因,使孵化出的幼體無法變態(生物學用語)成蟾蜍,因此取名為彼得潘——童話故事中那個永遠不會長大的男孩。

1935年,甘蔗蟾蜍為了控制危害甘蔗的甲蟲被引入澳洲。然而,牠們作為生物防治的失敗,卻成為入侵物種的巨大成功。如今牠們數量超過2億,征服了昆士蘭州東岸、橫掃熱帶北部,如今正往西岸挺進。牠們毀滅了蜥蜴、淡水鱷、袋類肉食性動物。

經過多年觀察與研究後,夏因團隊發現澳洲的甘蔗蟾蜍蝌蚪演化出對同類卵的強烈嗅覺吸引,會在競爭對手孵化前吞食牠們的卵。田野研究顯示,在已有蝌蚪的池塘中,多達99%的卵會被吃掉,幾乎沒有存活機會。至於彼得潘蝌蚪是否同樣嗜卵?夏因與妻子特莉(Terri Shine)在他們建立的網站上指出:「讓我們欣喜的是,牠們是超級食卵者——吞食的卵量約為普通蝌蚪的四倍。」

這些彼得潘蝌蚪因無法變態,會長得更大,存活期從理想狀況下的三週拉長至三個月。這意味著,如果把彼得潘蝌蚪投入池塘,牠們可能在整個繁殖季內吞食幾乎所有新卵,最終也因無法長大而死亡。

儘管如此,要將基因編輯蝌蚪推向「大規模野外應用」仍有許多工作要做,包括大規模繁殖、影響評估、發表研究結果並爭取社會支持。

夏因強調:「彼得潘不是科學怪蟾(源自故事《科學怪人》)」馬塞爾科補充,他們並未進行異種基因轉殖,只是改變了蟾蜍自身DNA中的基因。他說:「這令人振奮,因為我們只是釋放出一些本身已經帶有自然突變、且無生育能力的生物。」

未參與該項計畫的卡蓬教授,稱讚夏因團隊「富有想像力、願意嘗試」,這本身就是技術成就。不過,他也提醒,干預生態系可能引發無法預測的連鎖效應,科學家必須證明其效益高於風險。對於大家想像「徹底根除甘蔗蟾蜍」的期待,他也潑了冷水:「甘蔗蟾蜍只要有一灘水都能繁殖。」

夏因對挑戰的嚴峻性心知肚明,但他期望在明年底前取得「非常有說服力的數據」。隨著研究持續,他在對抗入侵物種的漫長戰爭中,難得感受到一絲樂觀。「我們會慢慢來,」夏因說,「我們要做對的事,不要重蹈過去那種急躁干預生態、扮演上帝的錯誤。」

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