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基因改造食品之檢測
緒言
重組DNA技術自1970年代發展至今，已被廣泛應用於建構基因改造生物以生產人類所需之物質，其中技術最成熟者為微生物，舉凡酵素、蛋白質、抗生素等等皆可利用基因改造微生物大量生產，而基因改造植物多在於品種之改良，如儲存期限、抗病蟲害等，至於基因改造動物因牽涉到其研發及維持品系的成本很高，作為食用太可惜，現多用來生產醫療用蛋白。在眾多基因改造產品中和食品最密切相關者為植物，但爭議最大者也是植物，因為其他基因改造生物並不直接食用，而是利用其合成某些物質，如前述的蛋白質、抗生素等，人類再純化這些物質來作為工業、醫療、食品加工或以為食用；基因改造植物卻是將植物的可食部分直接食入人體，食入的成份包含了植物中被改造的基因及蛋白質，這些和天然植物組成不同的部份對人體的健康是否有不良的影響以及種植這些基因改造植物是否會對生態環境造成衝擊等遂成為一爭論不休的問題。
何謂基因改造生物
基因改造生物的英文為Genetically Modified Organism (GMO)，定義為以非傳統育種或天然繁殖方法，而將外來的DNA殖入生物的遺傳物質中改變生物的遺傳性狀，而產生的物種稱之為基因改造生物。
如前所述，基因改造生物在食品方面應用最廣者為植物，其多做為農作物用。其中第一個獲准上市基因改造作物是美國Calgene公司所研發的FLAVR-SAVR蕃茄，此蕃茄之果實軟化酵素polygalactoturonase基因表現受到抑制，使得其軟化的速度較一般蕃茄延緩，因此儲存期限得以延長。後續所開發的基因改造作物多為具耐受除草劑或抗病蟲害等，如Monsanto公司所開發的耐除草劑glyphosate的黃豆，glyphosate這種除草劑可殺死田間雜草和一般黃豆，但對耐受除草劑glyphosate的基因改造黃豆沒有影響，因此豆農種植這種基因改造黃豆並輔以glyphosate的噴灑，可抑制豆田中野草的生長，使肥料有效的被黃豆所吸收。抗病蟲害植物中最有名的例子為殖入蘇力菌素(Bt
toxin)的玉米，蘇力菌素為一種由蘇力桿菌(Bacillus thuringiensis)產生的可毒殺昆蟲蛋白質，在以往就有農民在田間施灑這種蘇力桿菌或直接噴灑蘇力菌素以殺死害蟲，但由於牽涉到蛋白質的穩定性及蘇力桿菌在田間的生長效果，成效並不是很穩定，所以直接將此蘇力菌素基因殖入植物並由植物產生這種昆蟲毒素便可有效的克服這個問題，並降低傳統農藥的施灑成本。由此看來種植這些基因改造作物有降低肥料成本、降低傳統農藥的施灑劑量、或增加果實儲存期限等經濟效益，因此吸引許多農民購買種植。
基因轉殖方法
已知的基因改造作物所採用的基因轉殖方法類似於其他生物的基因轉殖法，其中可分三個步驟，首先將欲轉殖的基因放入載體DNA中，再藉由電穿孔(electroporation)、微量注射(microinjection)或農桿菌轉型(Agrobacterium-mediated
transformation)等方法，把質體送入植物細胞中，最後選殖出基因已轉殖並表現的作物。在進行轉殖時為了方便確認轉殖株，往往同時將抗生素抗性基因或轉換顏色的基因連同轉殖基因放在同一個載體DNA中送入植物細胞，待這些基因嵌入DNA後，就可以以抗生素處理或顏色區別來篩選出轉殖株。
基因改造作物所送入之遺傳因子結構
如前所述，送入基因改造作物的轉殖基因或抗生素抗性基因會嵌入染色體，因此，要偵測其是否為(含)基因改造作物，只要針對轉殖基因或抗生素抗性基因本身或其基因產物進行檢查即可。通常植入的轉殖基因或抗生素抗性基因之DNA序列結構排列為「轉錄啟動子-植入基因-轉錄終止子」。其中，轉錄啟動子可為植物細胞的轉錄蛋白分子所認知而使連接於其後的植入基因在轉殖作物中大量表現。植入基因本身可能需加以修飾，如改變其轉譯密碼的使用，使其適合在植物中轉譯或在3'端加上polyadenylation
site等，而轉錄終止子的功能為確使植入基因的mRNA合成止於轉錄終止子處，不會影響染色體其他部位基因之表現。
基因改造食品之安全性
自從第一個基因改造作物FLAVR-SAVR蕃茄於1994年販售至今，已有許多其他基因改造作物在美、加、歐盟及其他國家陸續獲准上市，同時也引起許多的爭議，其中包括：
一、食品安全問題：
這其中包含了殖入基因所表現的蛋白質之安全性及殖入基因DNA的安全性兩個部分：
1. 蛋白質之安全性：
雖然在美國或其他國家上市之前皆已通過該國的食品安全測試，但仍然有人對於這些蛋白質是否對於少數人有產生過敏反應的問題感到憂慮，最近因Aventis公司之飼料用StarLink基因改造玉米在墨西哥不慎被食用，並引起許多人產生過敏反應，促使Aventis公司全面回收這種基因改造玉米，這問題凸顯了基因改造作物於栽種、儲存及運送等管理方面的缺失。
2. 殖入基因DNA的安全性：
如前所介紹，現今研發基因改造作物時往往為了方便，多同時殖入抗生素抗性基因以利於選殖株之篩選，因此有些人士憂慮這些基因改造食品在食入至胃腸道內，其中的抗生素抗性基因是否會和胃腸道內的細菌或甚至病源菌產生基因置換而產生抗藥性菌株，而目前從基因改造食品的食用歷史和實驗室證據看來，顯示並沒有這種情況的發生，但基因改造食品的食用歷史尚短，且這方面的反應可能需要長時間的觀察，因此仍然有人對此無法放心。
二、環境生態衝擊：
這部份包括了對環境中其他生物的衝擊、基因改造作物的散佈及基因改造作物殖入的DNA對環境微生物的影響：
1. 對環境中其他生物的衝擊：
這方面爭議最有名的例子就是Monarch斑蝶事件，國際知名的自然期刊(Nature)在1999年五月刊載康乃爾大學Losey等科學家的轉殖蘇力菌素基因的改造基因玉米對於Monarch斑蝶毛蟲的影響報告。他們以一種玉米田中常見且Monarch斑蝶幼蟲也嗜食的雜草葉片餵食Monarch斑蝶的毛蟲，實驗組中並將這種雜草葉片沾有表現蘇力菌素的玉米花粉以餵食毛蟲，而結果顯示毛蟲會受到這種基因改造玉米的花粉毒害而死亡。此實驗的結果讓人們警覺到生態環境中的其他生物是否也會受到這類抗蟲害植物的毒害，而對其族群數量產生衝擊，因此，在種植基因改造植物之前，其對於環境生態衝擊是需要審慎評估的。
2. 基因改造作物的散佈：
種植基因改造作物，其種子或花粉在種植的過程中是否會藉由風、蟲或鳥等媒介散佈至環境中，而將其所含的轉殖基因也散佈到其他植物，這些散佈在環境中的基因改造作物對生態的影響，需要環保單位的長期研究及監控。在英國方面，其政府化學實驗室
(Laboratory of the Government Chemist) 就委託在諾威治的食品發展研究所 (The Institute
for Food Research in Norwich) 檢測各養蜂場的蜂蜜中是否含基因改造作物之花粉及基因轉殖作物自田野中散佈之研究。
3. 基因改造作物殖入的DNA對環境微生物的影響：
基因改造作物在栽種的過程或收成後，掉落在土壤的植物的組織經微生物分解，其DNA成份會釋放到土壤中，這些基因改造作物在殖入的基因是否會為土壤中的微生物細菌攝入而產生基因置換也是為一些人士擔憂的問題，而根據以往的研究結果顯示，這類不同種生物之間發生基因置換的機率是非常低的。
三、對第三世界國家農產市場的衝擊：
由於基因改造作物的栽種成本較為低廉，因此在售價上也較為便宜，相較之下本來就為貧窮的第三世界國家的農產品如何應付基因改造作物生產國的低價競爭，也是一令人憂心的問題。
上述種種疑慮及爭議，使得環保團體與消費者大聲疾呼要求各國政府必須對基因改造作物及食品進行適當之管理，而為了保護消費者的知的權利，基因改造食品之標示也成為全球之趨勢，標示法令的執行須檢測單位發展檢測方法，才能落實法令的執行。
基因改造作物偵測方法
檢測作物或食品中是否含有基因改造作物可從檢查其轉殖基因產物(如蛋白質)或轉殖入的基因DNA著手。檢查蛋白質目前主要是採用酵素標幟免疫活性分析(ELISA)，目前已有商業檢測套組的產品，並且也有方便一般民眾操作、類似驗孕試劑的產品，但由於轉殖基因的種類眾多，不太可能針對每一種蛋白質製備抗體，且這些蛋白質可能會因加工的過程而失活或分解，而使抗體的檢測結果偽陰性率增加，因此加工產品通常不宜使用ELISA方法檢測。在檢查轉殖入的基因DNA方面，DNA不同於蛋白質，其對熱較為安定，因此其檢出的陽性率較高，可檢驗的食品形式也可較多，且PCR的敏感度在0.1%~0.01%，較ELISA的1%~0.5%為高。目前檢查轉殖入之基因DNA的方法多採PCR法，其敏感度高，較能系統化及大量偵測。
以PCR方法定性及定量偵測基因改造作物
由於PCR方法檢測的對象是DNA，所以在進行PCR反應之前必須將DNA自植物組織或食品中純化出來。DNA經純化後，就可以以此DNA為模版，進行PCR反應，而PCR反應需針對欲檢測的DNA序列設計引子，進行反應。由於基因改造作物的種類相當多，所以可先用目前基因改造作物最常採用的轉錄啟動子、轉錄終止子及抗生素抗性基因等三個序列來設計引子，以減少初步篩選時進行的PCR反應數目。根據統計，現今基因改造作物最常採用的轉錄啟動子為P35S，轉錄終止子為Tnos，而抗生素抗性基因為nptII等，因此在初步篩選時可針對此三個DNA序列進行PCR反應，初篩結果若為陽性，再以針對轉殖基因設計之引子進行複檢確認。
在進行PCR檢測時，必須同時進行對照組試驗，以確立檢驗結果的可信度。通常需一陰性對照組，即不含任何轉殖作物來源的DNA，其結果應沒有任何的PCR產物。另外也應有陽性對照，為針對植物種類設計的PCR引子，以確定DNA品質、PCR反應條件無誤，如大豆可針對lectin基因，玉米可針對invertase基因設計物種特異引子，以作為陽性對照反應。
傳統的PCR方法只能應用在定性偵測方面，即只能區別樣品中是否含有待測物質，而無法精確定量樣品中待測物質的含量。但近年來由於螢光標幟技術的發達，已將PCR反應及螢光探針的技術結合在一起，以進行PCR定量。其原理即是針對PCR產物之DNA序列再設計一螢光探針，並加入PCR反應中，螢光探針與PCR產物結合後會放出螢光，因此，測量得隨著PCR循環時間變化的螢光量，間接推算出食品中所含之改造基因的含量。要進行這樣的實驗，尚需要一結合PCR循環控溫機與螢光量測機之功能特殊設備，才可在進行PCR反應的同時也測量螢光光量的變化。
PCR方法偵測基因改造作物的限制及干擾
一、 PCR方法的限制：
食品中不含DNA者無法檢測。由於PCR方法是針對DNA進行檢測，所以不含DNA的食品型式就無法偵測，如沙拉油或大豆卵磷脂等油性物等，又食品加工過程致使DNA分解者也無法檢查，如醬油、味噌等發酵食品。
二、 PCR方法的干擾：
1. DNA的長度：
食物加工過程中若有長時間加熱致使DNA長度變短，易使PCR結果呈現偽陰性，所以當純化的DNA長度太短時，且陽性對照組及實驗組結果皆為陰性時，應考慮再行nested
PCR反應加以確定。
2. PCR的干擾物質：
植物中所含的醣類或酚類物質、以及食品加工過程中所添加的物質會抑制PCR反應。此時可稀釋DNA溶液或再以CTAB萃取出醣類，待DNA再純化後，重新進行PCR反應即可。
3. 作物受到農桿菌或CaMV的感染：
由於目前轉殖基因設計中最常採用的轉錄啟動子P35S及轉錄終止子Tnos分別取自於植物病毒CaMV及植物病源菌農桿菌，所以若作物受到CaMV或農桿菌的感染，則初篩結果會呈偽陽性，但再一步的針對轉殖基因本身設計之引子進行複檢時，應呈陰性結果。
結語
歐盟現今規定，食品中含基因改造成份達百分之一以上者須標示為含基因改造成份。日本則規定含基因改造成份達百分之五以上者須標示，而我國對於基因改造食品的標示法令尚在擬定中。因此除了定性偵測之外，檢測單位尚需發展PCR定量檢測方法以符合出口廠商或未來我國法令之需求，唯獨定量檢測的成本較定性高出許多。
目前歐盟、日本等國家的檢測單位皆是根據基因改造作物的製造公司所提供的資訊，設計DNA引子以進行PCR檢測，但對於一些轉殖基因資訊無法獲得的基因改造作物則無從檢驗。面對基因改造作物的種類愈來愈多，檢測單位如何在顧及檢驗成本及檢測結果的正確性之間的取決將是一大挑戰，在這個問題方面，DNA晶片是一個可能的解決方法，唯其靈敏度及定量測試方面，是有待解決的問題。
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食品工業發展研究所 林怡杏
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