基改微生物的應用、風險與管理
基改微生物的發展三階段
基改微生物的案例與風險
(醫療、營養補充劑、食品化工
、農業、環境除汙)
基改微生物的管理
基改微生物的發展三階段
隨著重組DNA技術的發展，科學家在1970年代首次將外來基因導入細菌，創造出第一批基因改造微生物(GMM)。
GMM的第一個重大成功案例出現在醫藥領域。1982年，由 Genentech利用基因重組技術 (rDNA)，將人類胰島素基因植入大腸桿菌中，誘導該基改細菌分泌出人類胰島素。其後Genentech技轉給禮來藥廠進行後續生產，並用商品名Humulin行銷，用來治療糖尿病，在我國稱為優泌林。
GMM在此取代了動物來源胰島素，提高了純度與安全性，大幅擴展了糖尿病治療的可及性，因此奠定了GMM的社會正當性，而其生產過程多在封閉系統中進行，風險相對可控，因此當時少有爭議。目前GMM廣泛應用於醫療體系的有人工胰島素、B型肝炎疫苗、單株抗體(如治療黃斑部病變的樂舒晴)、藥物中間體(如青黴素醯化酶)等。
到了1990–2000年代，隨著技術成熟，GMM逐漸進入食品與工業生產鏈，但多數並非利用GMM本身，而是把GMM應用於製程之中，產品包括維生素、胺基酸、有機酸、與食品酵素(如做乳酪的凝乳酶、用於烘焙麵包/釀酒/果汁澄清的澱粉酶、與用在合成重組肉的微生物轉麩胺酶(mTG)等。
其應用都在封閉發酵系統中進行，最終產品通常不含活微生物，因此消費者對其存在幾乎無感。政府的監管也多著重在產品安全的問題，而非生物風險。
雖然在技術上已可把GMM直接應用於麵包、啤酒的製作，但目前幾乎未見其在主流市場的商業化應用。主要原因在於直接使用GMM會使產品被視為基改食品，需面對較高的法規門檻與消費者接受度問題。因此，產業多採取以GMM生產酵素，再應用於食品加工的模式，使GMM停留於生產端，而非直接進入食品鏈。
進入21世紀後，GMM的應用開始出現質變。微生物不再只是工廠中的封閉性生產工具，而是直接把GMM用在農田與環境的開放空間。主要發展如固氮微生物、生物農藥與作物保護用菌、分解石油或塑膠等污染修復菌。
近年來至少有三篇報告談到GMM的風險與管理，本文主要就這三篇的內容加以整理：
1. Perls, D. and K. Klein 2023 Genetically Engineered Soil Microbes: Risks and Concerns. Friends of the Earth U.S. https://foe.org/resources/ge-soil-microbes/
2. Eckerstorfer, M.F. et al. 2025 Environmental applications of GM microorganisms: Tiny critters posing huge challenges for risk assessment and governance. International Journal of Molecular Sciences 26, 3174. https://doi.org/10.3390/ijms26073174
3. Lerner, A. et al. 2026 Genetically modified microorganisms: Risks and regulatory considerations for human and environmental health. Microorganisms 14, 467. https://doi.org/10.3390/microorganisms14020467
基改微生物的案例與風險
早期GMM風險評估主要聚焦於直接的危害，包括毒性、致病性與環境存活能力，由於都在控制環境下進行封閉性使用，因此其評估與管理，與基改作物比起來，大都相對簡單。
不過就算是封閉性工業生產與處理，其過程還是有可能因廢水排放、廢棄物處理、發酵槽洩漏、以及人為操作失誤等，而發生菌種外洩的危機。
而由於GMM已開始跳脫封閉性使用，外逸環境的可能性大為增加，因此其風險的本質正在轉變。
首先是基因水平轉移(horizontal gene transfer)。即使微生物本身無害，其攜帶的基因，例如抗生素抗性或特定代謝功能，仍可能在環境或人體微生物群中擴散，而導致為之風險。這一機制在天然微生物中已被證實存在，因此對GMM而言並非假設，而是可預期的風險路徑。
其次是生態系統層級的影響。2026年的研究進一步指出，GMM的風險不僅來自其存活或擴散能力，更來自其功能。例如工程化微生物可能大量產生特定代謝物，如有機酸，進而改變微生物群落結構，間接促進病原菌的生長，甚或影響土壤碳封存、氮循環、以及溫室氣體排放等。GMM如超級雜草一樣，可能出現超強競爭菌、高抗性菌、新型病原等。
第三是不可逆性與不確定性。與化學物質不同，GMM一旦釋放成單一強勢菌種，可在環境中自由複製、移動，若發生負面影響，幾乎無法完全回收，難以像化學農藥一樣透過停止施用來消除。
以下介紹GMM在醫療、食品、農業、工業、環境應用上一些具風險的案例。
一、 醫療的案例
在用於醫療的第一代GMM，由於監管非常嚴格，例如美國FDA就要求完整安全性評估，因此應用後出問題的例子很少。
不過有一個嚴重的例子是這三篇論文沒提到的，那就是2002年的X-SCID 基因治療案。
X-性聯嚴重複合型免疫缺乏症(X-SCID)是罕見的遺傳性疾病，患者因基因缺陷，沒有免疫力，出生後必須生活在像「大泡泡」一樣的無菌隔離艙中以維持生命。科學家利用基因改造的逆轉錄病毒(Retrovirus)，將正常基因轉殖到患有該免疫缺陷症的患者體內，那特殊的 GMM進入人體細胞後，其正常基因序列插入了患者自身的DNA中，患者就可以具有免疫能力。
然而在法國的一項臨床試驗中，GMM病毒基因的插入人體DNA，卻啟動了致癌基因LMO2，導致20名受試者中有5名患上了類似白血病的癌症。這可說是GMM預料外結果的實例。
1. https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=3dfc8004-7721-403d-849f-5881127b02cf
2. Hacein-Bey-Abina, S. et al. 2003 LMO2-associated clonal T cell proliferation in two patients after gene therapy for SCID-X1. Science 302: 415-419. https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.1088547
二、 益生菌/營養補充劑的案例
昭和電工(Showa Denko)出品含色胺酸(L-tryptophan)口服液的案件；本案例也是那三篇論文沒提到的。
美國在1989年短時間內約37人死亡，1,500人罹患嗜酸細胞過多症(EMS)而長期癱瘓，病徵包括嚴重的肌肉疼痛、皮膚硬化以及血液中嗜酸性粒細胞數量異常升高。徹查之下發現患者都是服用昭和電工含色胺酸(tryptophan)的口服液。追蹤的結果指出，該公司把一種枯草桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)做了基因改造，提升其色胺酸的產能，用來降低生產成本。沒想到該GMM除了產生大量色胺酸，還把一些色胺酸轉化成1,1'-ethylidene-bis-L-tryptophan，雖然只有0.1%，但其毒性甚高。
https://www.facebook.com/warren.kuo.5/posts/10156068274081008
由於是預料之外，昭和電工在生產線上並沒有加強純化過濾，導致口服液含有劇毒物質而發生悲劇。之後該公司也將相關產品全面下架，支付的賠償金總額高達20億美元以上。後來該公司整併轉型，改稱力森諾科(Resonac Holdings Corporation)，是全球最大的半導體封裝材料供應商之一。
1. Hertzman, P.A. et al. 1990 Association of the Eosinophilia-Myalgia Syndrome with the ingestion of tryptophan. The New England Journal of Medicine 322:869-873. https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJM199003293221301
2. Belongia, E.A. et al. 1990 An investigation of the cause of the Eosinophilia–Myalgia Syndrome associated with tryptophan use. The New England Journal of Medicine 323: 357-365. https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJM199008093230601
三、 食品、化工工業的案例
食品酵素：轉麩胺酶(mTG，microbial transglutaminase)
轉麩胺酶(Transglutaminase)這種酵素俗稱肉膠水
轉麩胺酶的作用不限於動物性蛋白質，也廣泛用來作植物漢堡排與肉丸，可增加結實度與咀嚼感；用來作植物奶與植物起司，可改善質地，使其更濃郁或更易凝固；用來作大豆分離蛋白製品，可提升熱穩定性，確保在火鍋或高溫烹調時不會碎掉。若加在麵條、水餃皮中，能夠提升筋道，使結構更穩固，讓麵條更有嚼勁，水餃皮比較耐煮、不容易破，而且口感會變得更彈牙。
目前肉膠水的來大都用細菌發酵來生產，所以稱為(mTG，microbial transglutaminase)。
當然不一定非得用肉膠水，也可用物理攪拌、溫度與鹽度來聯合碎肉，不過須講求技術，成本更高就是了。
肉膠水這個添加物安全嗎？不少國家認為本身安全，主要風險在於微生物污染。因為重組肉增加了肉塊內部的接觸面積，若加工環境不潔，細菌容易在縫隙中滋生。
以我國為例，食藥署規定若產品使用重組肉，必須在品名中清楚標註「重組」字樣，並註明「僅供熟食」，以確保消費者不會誤將重組肉當成原肉進行生食或三分熟料理。
此外消費者的感受，可能會認為這是把廉價碎肉包裝成高價肉品。
首先，科學研究(特別是動物試驗)顯示mTG 極耐熱、耐酸，進入腸道後可能仍具活性，或許會改變腸道蛋白質結構，增加乳糜瀉(對麩質過敏)或自體免疫疾病的風險；也可能影響腸道黏膜的通透性(即「腸漏症」)，讓原本不該進入血液的物質滲透進去，引發慢性發炎。因此部分國家如瑞士、德國已提出警告。
不過由於是體外或動物試驗的結果，無法直接外推到人體。即使觀察到人體的腸道變化、免疫反應，但仍無法證實其因果關係，而且其用量不多，因此多數國家認為是安全的。但是站在預警原則，仍然需要注意。
那麼，用基因改造菌種(GMM)來生產mTG，有沒有額外的風險？
是有可能。GMM在工廠內生產mTG，萬一甚麼原因GMM外逸，有機會透過細菌間的基因水平轉移，把製造mTG的基因傳到其他常見細菌。
萬一這些細菌進入人體，就有可能持續表現或分泌mTG，在腸道內產生相當多的mTG與食物蛋白、黏膜蛋白發生交聯，或許會改變抗原呈現或免疫辨識，或許會干擾腸道屏障。
目前尚無病例顯示用於生產轉麩胺酶的GMM已在人體或環境中造成具體危害。不過就算發生也難以察覺，因為腸道失衡、慢性發炎的致因很多元，很難證明是由mTG來的。
然而，相關風險機制，包括水平基因轉移、微生物群落變化及代謝物介導的間接效應，已在其他微生物系統中被證實存在。由於缺乏針對工業GMM的長期監測與追蹤，這些風險目前仍難以被觀測或排除，顯示仍具有高不確定性但具合理機制基礎的潛在風險。
解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)
工程用酵母菌Yarrowia lipolytica 能分解脂肪等碳源，因此工程上常用來把廢棄油脂轉化成生質燃料、有機酸如琥珀酸(succinate)等。那些有機酸能夠用來製造塑膠、溶劑、藥品中間體；在食品業上常用來產生Omega-3 / Omega-6脂肪酸、單細胞蛋白質、食品風味物質；在環境上可以處理廢水中的脂質、石油與有機溶劑的汙染，用途相當廣泛，而且是典型的循環經濟應用。
但是基因改造Y. lipolytica 的目的不僅是提升其分解脂肪的效率，而是將其轉變為可設計的代謝平台，可以生產原本不存在或難以取得的物質；也正因如此而帶來新的生態與健康風險。目前基改Y. lipolytica 的實際應用仍集中於工業發酵與食品原料領域，屬於供應鏈的上游；然而，其作為可設計的代謝平台，正逐步擴展至精準發酵與生物製造領域，未來應用潛力遠大於目前實際規模。
這種GMM若進入人體，可能產生高劑量的琥珀酸，琥珀酸可以促進Clostridium difficile這病菌的過度繁殖，或許會導致嚴重的感染性腹瀉。
四、 農業的案例
已有GMM大規模在農地釋放。
GMM固氮菌：Proven®
國的農業科技公司Pivot Bio對兩種非基改固氮菌Kosakonia sacchar與Klebsiella variicola進行基因編輯，在2019年分別創造了Ks6-5687與Kv137-2253的基編固氮菌種。
原來的非基編菌種會自我調節其固氮活性，土壤若出現一些氮肥，就自動停止固氮。然而以Proven®作為商品名的基編固氮菌種已出售，在2022年投放於近500 萬英畝的土地上，每英畝數量高達5兆個。這個基編菌種就算在土壤含有氮肥時，還能夠持續不斷地固氮。
雖然製造商透過各種管道，宣傳用了Proven®，就可以不用化學氮肥，有助於環境，氮實際上迄今尚未有科學證據顯示在慣行農田，Proven®真的能夠取代化學氮肥。事實上製造商在 2019 年至 2021 年間發表於科學文獻的田間試驗結果顯示Proven®完全沒有減少合成氮肥的使用量，只是增加氮肥的效率。
問題是這些高濃度的基編菌株可能會在根圈形成壟斷，壓制其他對植物有益的如菌根菌或原生細菌，導致土壤整體的生物功能變得單一化。
而這些基編菌傳到溪流或森林，依然持續固氮，可能會導致該處氮素過剩，即優養化，讓嗜氮的植物或藻類過度生長，進而可能排擠掉原本適應貧瘠環境的原生種，打破當地的植物多樣性。
再者，原本土壤中這兩種非共生固氮菌其實還有其他功能，例如可以將土塊中的磷溶出來讓植物吸收、可以產生生長素促進植物生長等。不過基因編輯強化固氮能力，可能導致微生物在能量與代謝資源分配上的重構，進而影響其其他促進功能；這種功能間的權衡（trade-off）可能在田間環境中影響該菌種的整體效益與穩定性。
生物刺激素 Poncho®/VOTiVO® 2.0
