「黄金大米」是不是重水浇灌的?如果是,使用重水的目的是什么?

失踪的“黄金大米” 以上是齐鲁晚报的报道,其中有提到重水浇灌黄金大米的说法。 weibo.com/3276353050/Ca 科技工作者@逗死苍蝇不称奇 微博原文
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做实验用的黄金大米是用重水浇灌的。用重水的目的是同位素示踪,观察β胡萝卜素在人体内的代谢情况。

(Tang G, Qin J, Dolnikowski GG, Russell RM, Grusak MA: Golden Rice is an effective source of vitamin A.Am J Clin Nutr 2009, 89:1776–1783.)

(PS: 这张图是儿童实验之前的工作,在哪看到过这个实验的志愿者都是美国的白人,但是找不到来源了,望补充或更正。)


具体信息 @风飞雪 写的非常全面了(黄金大米研究中的重水是做什么用的?),全文贴在答案最后。


我想通过这个事件,所有转基因的支持者都应该反思一个问题:

大家反对的到底是无知,还是崔永元?


如果是前者,那么很多人自己也犯了同样的错误,包括很多很专业的转基因支持者,比如微博上的烧伤超人阿宝(北京积水潭医院烧伤科,主治医师),在没有背景知识的情况下第一时间转发并嘲笑崔的微博,后来承认被钓鱼且发表声明更正:


我在看到微博好友转发+嘲笑崔的时候,再打开崔的微博评论一看,全是嘲笑崔的,我的第一反应是糟了,好多人要被钓鱼了。其实我本来也不了解这个实验,但是前几天为了写如何评价崔永元在复旦大学与复旦生科院卢大儒教授就转基因问题的激烈争辩? - 大肠杆君的回答 这个答案的时候查了一些资料,对实验中种植水稻设备的那张图印象很深,也记得里面提到过利用D2O进行示踪观察β胡萝卜素的吸收情况。


于是赶紧发了两条微博提醒大家注意:


我是植物育种的在读博士生,专业背景是分子生物学、遗传学、基因组学和植物抗病育种,但是从来没接触过这种用同位素标记研究代谢的实验。甚至我连什么是重水都不记得了(我不确定有多少人真的了解重水,但是在崔的微博下,大部分人嘲弄的点都是“这是高中化学的知识,你连这都不懂blabla”)。我先是google了一下重水的常识,然后又查阅了那两篇Guangwen Tang女士的论文,最后我决定艾特了一些更专业的人去给出更详尽的答案。


我突然觉得很恐慌,我这个两个月才刚刚做了一批拟南芥转基因实验,去年还做了转基因土豆的大田抗病实验。作为一个行业内的“准专业人士”,在不查资料的情况下,我不知道“黄金大米”转了几个基因; 也不知道黄金大米用重水浇灌是否安全。


要是现场和小崔讨论,我死定了。


那么非专业人士呢?


回到事件本身,黄金大米的人体实验确实存在程序违规和伦理问题,该研究的作者Guangwen Tang女士也已经因为此事被停止了两年的人体实验资格,并要求其重新培训人体实验的相关课程。但这个安全性又是两个问题,她的试验能够在美国被批准就说明本身没有什么安全问题,而且在她的实验里证明黄金大米里的β胡萝卜素能够很好地被人体吸收,对于维生素A的补充效果比菠菜都好。


我突然发现小崔的作用了,无论言论对错,他把对于转基因问题的讨论带到了公众面前。在这个信息能够迅速传播的时代,信息本身就能够自我更正,让所有人能在第一时间了解到真相。这么来看,信息传播过程中的那些谩骂、嘲讽、人身攻击也就不那么重要了。


最后我想说:

不懂不是什么可耻的事,妄言才是。



黄金大米研究中的重水是做什么用的?作者: @风飞雪

fengfeixue0219 植物分子生物学在读博士

其实道理很简单,重水是作为一种引入标记物的物质而使用的。这种标记物就是重水所含有的重氢,也就是氘。

1 什么是标记?为什么要标记?标记要有那些基本属性?

标记其实很简单,就是让一个东西变得和原本“有差异”,从而能把这个东西从其他和它一样的东西中被观测或检测到。例如中学生都知道的“标记重捕法”,就要给捕捉到的动物做标记,比如画一个标记、连上一个标记等。这就是为了在“重捕”时,将被捕到的动物和之前没有被捕到的动物区分开来。

那么,从这里可以看到,标记要有两个基本属性,即“区分性”和“无妨碍性”。所谓区分性,就是要能做真正做到区分。而“无妨碍性”,则是说标记要尽可能的维持被标记物原有的特性。用“标记重捕捉法”为例,就是你可以在动物皮毛上画一个图案做标记,但是你不能折断动物的一条腿做标记,因为后者已经影响了原有的特性,

动物是这样,分子也一样。然而我们无法给分子涂上颜色或者加上什么东西(尤其对于小分子来说),因为这会完全改变分子的结构,从而违背了“区分性”原则。

然而,幸好我们有同位素。同位素的概念中学课本就有,不再敷述。当将同位素原子替代分子内的相应原子时,会造成分子量的些许变化,从而能被质谱、核磁共振等技术检测而区分。另一方面,由于替换的是分子内的原子,因此这种替换对分子的性质尤其是化学性质影响较小,适合应用在药学、生物学等对化学反应有要求的研究中。当然,影响不是一点没有,但是这种影响和原子被替换的比例、替换的位置、分子量改变的程度等因素有关。替换比例越低、分子量改变越小,这种影响通常也越小。

2 哪些同位素?

几乎每一种元素都有其所对应的同位素,但是并非所有的同位素都能拿来做标记。同位素可分为稳定同位素和放射性同位素,后者由于会因衰变(同时产生辐射)而发生变化,因此这个性质并不利于对生物体内的分子做标记,因为首先衰变会造成量的变化,其次衰变产生的辐射可能对生物体有害(当然,放射自显影技术是另一个话题了)。

而稳定同位素则没这个问题,因此可作为生物体内分子的标记使用。但是,生物体分子绝大多数是有机物,因此需要用组成有机物的原子的同位素作为标记物。由于以上原因,生物体中用作标记的稳定同位素主要有4种,即2H、13C、15N和18O

2H就是氘。它可以以重水的形式被植物吸收,从而掺入植物利用重水所合成的有机物中,从而形成“被标记”的相应分子。此时就可利用这些被标记分子完成“识别”,进而可以进行定量、示踪等工作。而微博中提到的实验,就是一个涉及胡萝卜素分子示踪和代谢的研究。当然,在药学研究中,这种技术使用的更多。

3 氘作为标记物,安全性如何?

氘作为氢的稳定同位素,当然不存在放射性的问题。那么其安全性高低,决定于两个因素:被氘标记的分子性质发生了多大的变化;如果有变化,那么摄入的量有多少。

很多人说重水有毒,这句话并不算错。因为大量饮用重水的确会导致实验动物的死亡。这是因为,首先由于水分子分子量小,因此两个氢被氘替换后,相对而言质量的变化较大(增大了12.5%),因此对水的性质影响较大。而由于水在体内的含量非常高,而且是最为重要的溶剂和反应媒介存在,因此过量摄入重水会对生命体造成损害。然而,这个量是很大的。据报道,对于哺乳动物,需要体内的氢原子有15%以上被替换为氘之后(氢原子质量占人体质量的10%,换句话说每公斤体重要含有15g氘原子),才会产生显著的毒性效应;重水含量要超过细胞内水量的25%~50%以上才有可能导致死亡。

事实上,由于同位素具有相对固定的丰度,因此我们每天的呼吸、饮食,都会摄入同位素。对于氘来说,其丰度约为0.015%左右,换句话说,每1000mg氢原子中,就含有0.15mg的氘。如果按照这一比例,我们每天喝2L水就会附带喝下30多mg的氘,加上饮食中的氘会更多。对于一个75公斤重的人体来说,体内会稳定的存在超过1000mg的氘(当然18O、13C之类就更多了)。

此外,除了用于提供氘外,重水本身就是一种常用的标记物,比如著名的人体代谢测定方法“双标水法”,就是按照每公斤0.5-1g的剂量(50kg人体就是25-50克)喝下重水和2H218O的“双标水”作为标记物来进行代谢研究的。可见,在这些剂量下,使用稳定同位素做标记都是被认为安全的。

那么,微博中“黄金大米事件”(β-Carotene in Golden Rice is as good as β-carotene in oil at providing vitamin A to children )中的情况如何呢?我们来仔细看看。

首先,在实验中,是用有23%的氢原子被氘替换的重水(其实是重水-轻水混合物,因为不能妨碍植物的生长)来培养植物,让植物内的分子(研究对象是胡萝卜素)被标记。而在进食实验中并没有“喝下重水”,而只是吃下了含有标记分子的食品而已。而且使用重水也只是为了实验的标记,在生产型和其他实验性栽培过程中并不会使用重水。实验结果显示,在这一实验中,植物体内大多数胡萝卜素都带有了氘,而且以带10个氘的为最多。

带有10个氘,说明分子量大了10,然而对于胡萝卜素来说,分子量只大了1.9%,远小于重水质量的增加程度,因此可以说对被标记的胡萝卜素的性质影响极小。

那么通过被标记胡萝卜素摄入的氘又有多少呢?文中我们可以看到,摄入的胡萝卜素量最大为每天1.4mg(菠菜组,黄金大米为0.6mg,人工合成胡萝卜素为0.5mg)。那么按照图中所述的有90%的胡萝卜素都被标记(方便起见视为全被标记)、平均含有10个氘来算,通过胡萝卜素摄入的氘量最多为0.051mg。

有些懂生物和化学的人可能会意识到,植物里其他成分也会被氘标记啊。这个观察很敏锐,事实上,在这一实验中真正的氘的摄入的大头是其他植物组织,而非胡萝卜素。那么,氘的摄入总量有多大?按照实验中重水中23%的氢原子被氘替换,而植物光合作用吸收的CO2又不含氢,因此可近似视作植物内同化产物中有23%的氢原子被氘代替,再将食用的60g黄金大米等同为24g淀粉(按照米饭60%含水率计算,这是煮饭的水,不是重水)计算,摄入的氘含量大约为700mg。这一剂量相比天然摄入来说水平的确偏高,但相比于人体内几公斤的氢含量,这个摄入量微乎其微,远达不到“15%”的引起显著毒性的剂量。

【1】

事实上,稳定同位素标记技术长期实践过程中,被认为是一种相当安全的技术。可安全的应用于多种代谢相关的研究之中。

综上,在这一实验中,重水是作为一种标记物被使用的。受试者并未直接饮用重水。从受试者总氘摄入量来说,理论计算值为约700mg(可能存在误差),这一剂量相对自然氘摄入量来说偏高,但仍远低于安全限。重水仅是为此类实验使用,而在生产型种植中不会使用重水,因此生产型产品中不会含有通过重水引入的氘。

最后再啰嗦一句。这个实验的最大问题在于程序违规(当事人已经受到处理),但就安全性来说并不存在问题。

【1】图片来自:李高,《稳定同位素标记药物在临床药代动力学研究中的应用》,中国临床药理学杂志,2000