基因編輯昆蟲(chóng)：小身材也有大潛力

出品：科普中國(guó)

作者：地星引力（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為解碼生命科學(xué)最新奧秘，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“生命新知”系列文章，從獨(dú)特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無(wú)限可能。

昆蟲(chóng)一直以來(lái)都被廣泛應(yīng)用于家禽、魚(yú)類、豬、牛以及寵物食品的商業(yè)飼料中，但它仍然相對(duì)小眾。不過(guò)，由于昆蟲(chóng)養(yǎng)殖在減少食品浪費(fèi)、提供高質(zhì)量動(dòng)物飼料、提供油和肥料方面具有重要作用，而且隨著生物技術(shù)工具嶄露頭角，育種者們正逐漸提高昆蟲(chóng)產(chǎn)量，昆蟲(chóng)養(yǎng)殖越來(lái)越成為有發(fā)展?jié)摿Φ男率袌?chǎng)。

昆蟲(chóng)種類

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

在過(guò)去幾年中，生產(chǎn)黑水虻幼蟲(chóng)（Hermetia illucens）和黃粉蟲(chóng)（Tenebrio molitor）的公司取得了顯著進(jìn)展，為昆蟲(chóng)產(chǎn)品進(jìn)入歐洲和亞洲市場(chǎng)鋪平了道路。

昆蟲(chóng)工廠的規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，一些公司利用基因編輯技術(shù)來(lái)提高蛋白質(zhì)質(zhì)量、加速昆蟲(chóng)孵化和生長(zhǎng)過(guò)程。如果這種趨勢(shì)持續(xù)下去，預(yù)計(jì)到2027年，昆蟲(chóng)蛋白市場(chǎng)總值將達(dá)到11.4億美元。

黑水虻

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

國(guó)外的一家昆蟲(chóng)飼料公司是由三名博士研究生創(chuàng)立，他們開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)環(huán)境條件誘導(dǎo)新生幼蟲(chóng)進(jìn)入生命暫停狀態(tài)，以延長(zhǎng)運(yùn)輸過(guò)程中的幼蟲(chóng)的貨架壽命的技術(shù)，正如冬眠一樣，這是可逆的“幼蟲(chóng)休眠”階段。

這家公司還使用基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9來(lái)改善黑水虻幼蟲(chóng)品種的營(yíng)養(yǎng)含量。該公司已經(jīng)成功用約150個(gè)控制新陳代謝的基因，得到了體型更大的幼蟲(chóng)、更長(zhǎng)的幼蟲(chóng)期和更強(qiáng)的抗壓能力。

黑水虻幼蟲(chóng)

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

他們編輯的一個(gè)基因是控制幼蟲(chóng)到蛹的蛻皮的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，當(dāng)調(diào)整后，產(chǎn)生的幼蟲(chóng)比未編輯的大50%。同時(shí)他們還控制另外一個(gè)基因，降低了昆蟲(chóng)外骨骼的幾丁質(zhì)含量，讓其變得更軟——這使昆蟲(chóng)更適合作為水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料使用。

而另一家公司，正在改造黑水虻的基因，使其能夠作為生物燃料使用。這是因?yàn)槠溆紫x(chóng)富含脂質(zhì)，可以作為可持續(xù)的作物油替代品使用。

這么做的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，黑水虻的養(yǎng)殖是一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)，它們可以在食品廢物和糞便等不同的基質(zhì)上飼養(yǎng)。不過(guò)，迄今為止，黑水虻尚未在食品商業(yè)上得到應(yīng)用，因?yàn)槭袌?chǎng)更傾向于飼料生產(chǎn)。

不過(guò)，識(shí)別帶有理想突變的黑水虻是耗時(shí)的，可能會(huì)成為一個(gè)瓶頸，因此，該公司開(kāi)發(fā)了一種允許每天提取DNA并篩選數(shù)百個(gè)個(gè)體的技術(shù)。該公司還計(jì)劃添加表型標(biāo)記，如眼睛顏色，以加速篩選進(jìn)一步，以及基因下調(diào)技術(shù)，如RNA干擾（RNAi），以擴(kuò)展黑水虻的特性。

與此同時(shí)，位于英國(guó)的一家昆蟲(chóng)遺傳公司更專注于選擇具有最佳育種特征的品種。

科學(xué)家們首先從昆蟲(chóng)群體中收集物理和環(huán)境參數(shù)，選擇具有更快發(fā)育和產(chǎn)卵更多特性的昆蟲(chóng)。這種方法使他們將有利的遺傳特性與可能的環(huán)境變量分離開(kāi)來(lái)，因?yàn)橛袝r(shí)候昆蟲(chóng)表現(xiàn)得更具有優(yōu)勢(shì)是因?yàn)槭澄锔嗷蝻曫B(yǎng)溫度更高，而不是因?yàn)樗鼈儽旧砭哂羞z傳優(yōu)勢(shì)。

除了黑水虻之外，另一種常被稱為黃粉蟲(chóng)的甲蟲(chóng)幼蟲(chóng)也開(kāi)始成為科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

黃粉蟲(chóng)（Tenebrio molitor的幼蟲(chóng)）通常用于水產(chǎn)養(yǎng)殖和寵物食品。但是除了作為動(dòng)物飼料為動(dòng)物提供高質(zhì)量營(yíng)養(yǎng)和植物肥料外，黃粉蟲(chóng)在消化方面也表現(xiàn)出色，其中就包括對(duì)塑料廢物的生物降解，它是唯一已知的能將聚苯乙烯在腸道中降解的生物。

黃粉蟲(chóng)是粉甲蟲(chóng)屬甲蟲(chóng)的幼蟲(chóng)

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

通過(guò)基因組工具，可以用最高效和可擴(kuò)展的方式開(kāi)發(fā)黃粉蟲(chóng)的各項(xiàng)潛力。通過(guò)選擇育種，科學(xué)家們制定了關(guān)鍵特征，如體重和發(fā)育時(shí)間，跟蹤它們的可遺傳性，并監(jiān)測(cè)育種庫(kù)的基因組多樣性。

此外，還有科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)一個(gè)CRISPR概念工具包，用于在昆蟲(chóng)中生產(chǎn)定制蛋白質(zhì)。

正是由于黃粉蟲(chóng)具有高蛋白的特性，已經(jīng)被添加到了美國(guó)的某些奢侈品牌狗糧中。

黃粉蟲(chóng)是一種常見(jiàn)寵物飼料

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

由于黃粉蟲(chóng)在食品行業(yè)的巨大潛力，有新興公司設(shè)立了新型垂直昆蟲(chóng)養(yǎng)殖場(chǎng)，每年可產(chǎn)生數(shù)噸黃粉蟲(chóng)產(chǎn)品，該公司在2023年還推出了世界上第一塊用于昆蟲(chóng)育種的高密度基因芯片。

所謂的高密度基因芯片，是一種用于分析和檢測(cè)基因組信息的微陣列技術(shù)。它是一個(gè)小而薄的固體表面，上面包含成千上萬(wàn)甚至更多的DNA探針或核酸片段，每個(gè)探針都代表著一個(gè)特定的基因或基因組區(qū)域。這些探針可以用來(lái)檢測(cè)樣本中的基因表達(dá)水平、基因變異、單核苷酸多態(tài)性（SNP）和其他基因相關(guān)信息。

這塊昆蟲(chóng)育種的基因芯片包含679205個(gè)單核苷酸多態(tài)性，覆蓋了黃粉蟲(chóng)編碼區(qū)域的99%以上。它可以幫助科學(xué)家識(shí)別他們感興趣的特性相關(guān)的基因，如生長(zhǎng)性能、生殖或抗病能力。該公司計(jì)劃將擴(kuò)大新芯片的生產(chǎn)，以幫助其他昆蟲(chóng)養(yǎng)殖機(jī)構(gòu)。

總的來(lái)說(shuō)，借助這些公司的努力和基因編輯工具，昆蟲(chóng)養(yǎng)殖正逐漸在全球食品經(jīng)濟(jì)中嶄露頭角，成為動(dòng)物蛋白的重要替代來(lái)源。