ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

วิศวกรรมระดับจีโนม

สู่เทคโนโลยีการออกแบบเซลล์แห่งอนาคต (1)

 

มนุษย์มียีนราวๆ 20,000 ยีน ส่วนแบคทีเรีย E. coli มีแค่ราวๆ 4,000-5,000 ยีน แล้วสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายที่สุดจะต้องมีสักกี่ยีน นี่คือคำถามที่ติดค้างคาอยู่ในหัวของนักวิทยาศาสตร์ระดับไอคอนิกของวงการชีววิทยา เครก เวนเทอร์ (J Craig Venter)

หลังความสำเร็จอย่างถล่มทลายของโครงการจีโนมมนุษย์ (Human Genome Project) เครกได้ก่อตั้งสถาบันวิจัยขั้นสูง เจ เครก เวนเทอร์ (J Craig Venter Institute) ขึ้นที่เมืองลาโฮญ่า แคลิฟอร์เนีย (La Jolla, California)

สถาบันของเครกมุ่งหวังจะสร้างนวัตกรรมใหม่ๆ ในวงการชีววิทยา และหนึ่งในปริศนาที่พวกเขาพยายามจะไขให้สำเร็จก็คือ ดีไซน์พื้นฐานสำหรับสิ่งมีชีวิต ไม่ต้องมียีนเป็นหมื่นเป็นพัน ขอแค่เท่าที่จำเป็นที่จะสร้างเซลล์ที่อยู่รอด และสืบเผ่าพันธุ์ต่อได้เป็นพอ

เครกสนใจในปัญหานี้ตั้งแต่ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1990s ตั้งแต่ก่อน JCVI จะตั้งขึ้นเสียอีก

ในตอนนั้น เครกและทีมพยายามที่จะค้นหาสิ่งมีชีวิตที่มีจีโนมที่เล็กที่สุดเท่าที่เขาจะหาได้ แล้วก็ไปสะดุดอยู่กับแบคทีเรียเล็กๆ ที่ก่อโรคในทางเดินปัสสาวะ ชื่อว่า Mycoplasma genitalium

และในปี 1999 พวกเขาหาลำดับพันธุกรรมทั้งหมดของ M. genitalium ได้เป็นผลสำเร็จ

หลังจากการก่อตั้ง JCVI ในปี 2006 เครกและทีมซึ่งประกอบไปด้วยลูกทีมระดับพรีเมียมอย่างนักวิทย์รางวัลโนเบล แฮมิลตัน สมิธ (Hamilton Smith) และไคลด์ ฮัทชิสัน (Clyde Hutchison) ก็มุ่งมั่นพัฒนาเทคโนโลยีวิศวกรรมจีโนม (genome engineering) กันอย่างขมีขมัน จนกระทั่งปี 2008 ทีมของเขาก็มีข่าวใหญ่อีกครั้ง คราวนี้ พวกเขาสามารถค้นหาวิธีสังเคราะห์จีโนมของ M. mycoides แบคทีเรียเล็กๆ ที่ก่อโรคในสัตว์กีบขึ้นมาได้ทั้งเส้นเป็นผลสำเร็จ

และอีกสองปีต่อมาก็สามารถใช้จีโนมนี้ไปปลูกถ่ายลงไปในเซลล์ของแบคทีเรียอีกชนิดหนึ่ง (Mycoplasma capricolum) ที่จีโนมถูกทำลายไปได้ ที่น่าตื่นเต้นคือ การปลูกถ่ายจีโนมสามารถเปลี่ยนลักษณะของ M. capricolum ไปได้อย่างสิ้นเชิง ชัดเจนว่าลักษณะของเซลล์แบคทีเรียใหม่ที่ได้นั้น เป็นไปตามจีโนมของ M. mycoides ที่ปลูกถ่ายลงไป

แบคทีเรียใหม่นี้ถูกตั้งชื่อว่า “Synthia” โค้ดเนม JCVI-syn1.0

 

แต่แม้ว่าจะรู้ลำดับพันธุกรรมของทั้งจีโนมของ Synthia เวอร์ชั่น 1.0 นั้นจะถูกสังเคราะห์ขึ้นมาใหม่ทั้งหมด แต่ก็ใช่ว่าทีมวิจัยจะเข้าใจทุกสิ่งทุกอย่างเกี่ยวกับยีนในจีโนมนั้น เพราะที่จริง จีโนมส่วนใหญ่ของ Synthia นั้นแทบจะถอดแบบมาจากจีโนมของ M mycoides มาครบทั้ง 901 ยีนจะมีดัดแปลงก็เพียงเล็กน้อยตรงปลายเพื่อเพิ่มความน่าสนใจ

และสิ่งที่ทางทีมงานของเครกดัดแปลงใส่เพิ่มเข้าไปในจีโนมของ Synthia ก็คือลายน้ำ ส่วนใหญ่จะเป็นข้อความแสดงความเป็นเจ้าของ และ quote จากคนดังอย่างเจมส์ จอยซ์ (James Joyce) โรเบิร์ต ออพเพนไฮเมอร์ (Robert Oppenheimer) และริชาร์ด ไฟน์แมน (Richard Feynman)

แม้จะประสบความสำเร็จเป็นอย่างสูง จนวารสารต่างๆ เอาไปพาดหัวกันยิ่งใหญ่ว่า “การทดลองสังเคราะห์สิ่งมีชีวิตใหม่ของเครก คือ ความอหังการ์ของนักวิทยาศาสตร์ที่ริอาจเล่นบทพระเจ้า”

แต่นั่นก็ยังเป็นแค่การก๊อบเกรด A คือก๊อบจีโนมของ M. mycoides มาทั้งดุ้น ไม่ได้ออกแบบอะไรเองเลยแม้เพียงนิด

 

เครกยอมรับว่า องค์ความรู้ที่มีอยู่ในปัจจุบันนั้นยังไปไม่ถึงขนาดที่เราจะสามารถออกแบบสิ่งมีชีวิต (แม้แต่ตัวที่เรียบง่ายที่สุด) ขึ้นมาได้ ยังมีอีกหลายอย่างที่เขายังไม่รู้และเขามีแผนที่จะเจาะลึกลงไปให้ถึงแก่นให้ได้

เพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตที่มินิมัลหรือเรียบง่ายถึงขีดสุด ทีมวิจัยของ JCVI จึงได้สร้างแพลตฟอร์ม “ออกแบบ (design) สร้าง (build) ทดสอบ (test)” เพื่อศึกษาบทบาทของแต่ละยีนของจีโนม พวกเขาได้สร้างการกลายพันธุ์กระจายไปทั่วจีโนม และทยอยตัดยีนที่ไม่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตออกไป

และในปี 2016 เครกก็เปิดตัว JCVI-syn3.0 หรือ Synthia เวอร์ชั่น 3.0 ออกมา คราวนี้ เปิดตัวอย่างอลังการ นี่คือเซลล์ที่เครกและทีมใช้เวลาเกือบสองทศวรรษในการสรรค์สร้างขึ้นมา จีโนมของ JCVI-syn3.0 มีแค่ 473 ยีน แต่ที่น่าตกใจมากที่สุดคือมีมากถึง 149 ยีนที่พวกเขาก็ยังไม่รู้หน้าที่แม้ว่าจะศึกษา ออกแบบ สังเคราะห์ และทดสอบมาแล้วนานนับสิบปี

“เราหาลำดับพันธุกรรมจิปาถะแทบทุกอย่างบนโลกใบนี้ แต่เรากลับไม่รู้จัก 149 ยีนที่สำคัญที่สุดในการดำรงชีวิต” มาร์ติน ฟัสสเนกเกอร์ (Martin Fussenegger) นักชีววิทยาสังเคราะห์จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธ์สวิสในซูริก (ETH Zurich) กล่าวด้วยความอึ้ง

ส่วนเครกก็งงไม่แพ้กัน “พวกเราทั้งประหลาดใจและช็อก ผมนึกว่าจะมียีนที่เราไม่รู้หน้าที่สักห้าถึงสิบเปอร์เซ็นต์อย่างมากในจีโนม ตัวเลขนี้มันทำให้ตะลึงงันไปเลยจริงๆ”

 

แม้จะยังมีส่วนที่ยังไม่รู้ แต่ JCVI-syn3.0 คือเซลล์สังเคราะห์ที่มีจีโนมเล็กที่สุดและเรียบง่ายที่สุดที่สามารถอยู่รอดและแบ่งเซลล์สืบต่อเผ่าพันธุ์ได้ในห้องทดลอง

และถ้ามองในแง่ของการอยู่รอด JCVI-syn3.0 ถือว่าไม่ขี้เหร่ เวอร์ชั่น 3.0 สามารถแบ่งเซลล์จากหนึ่งเป็นสองได้ภายใน 3 ชั่วโมง เมื่อเทียบกับ 18 ชั่วโมงของ M. genitalium และ 1 ชั่วโมงของ M. mycoides แต่ทว่าถ้าสังเกตดีๆ จะเห็นได้ว่ารูปร่างลักษณะของเซลล์ JCVI-syn3.0 รุ่นลูกหลานดูจะผิดเพี้ยนไปจากสายพันธุ์ตั้งต้น M. mycoides ไปพอสมควร

พวกเขาเติมยีนที่พวกเขาตัดออกไปตอนสร้างเวอร์ชั่น 3.0 กลับเข้าไป 19 ยีน แล้วค่อยๆ หาว่ายีนไหนกันแน่ ที่เมื่อหายไปแล้วจะทำให้เกิดปัญหา พวกเขาตั้งชื่อให้เซลล์ใหม่นี้ว่า JCVI-syn3A และจากความร่วมมือของทีมวิจัยนำโดย อลิซาเบ็ธ สไตรชาลสกี้ (Elizabeth Strychalski) จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (National Institute of Standards and Technology) สหรัฐอเมริกา ในปี 2021 พวกเขาก็ได้ค้นพบว่า จริงๆ แล้ว มีเพียง 7 จาก 19 ยีนเท่านั้นที่มีความจำเป็นสำหรับการควบคุมการแบ่งเซลล์ ทำให้ขนาดและสัณฐานของเซลล์ลูกผิดเพี้ยนไป

และเมื่อพวกเขาใส่ยีนเหล่านั้นกลับเข้าไปในจีโนม พวกมันก็เริ่มกลับมามีแบ่งเซลล์ได้ปกติอีกครั้ง

“การออกแบบจีโนมเพื่อสร้างลักษณะพึงประสงค์ยังคงเป็นความท้าทายขั้นสุดในวงการชีววิทยาสังเคราะห์ แต่ความสามารถในการสังเคราะห์และดัดแปลงจีโนมนั้นก้าวไปไวแซงหน้าความสามารถในการทำนายลักษณะหน้าที่ของยีนในจีโนมไปแล้ว” อลิซาเบ็ธกล่าว

“ในทุกๆ ยีนที่เราสามารถที่จะจับคู่กับหน้าที่ของมันได้จะทำให้เราเข้าใกล้จุดหมายของการออกแบบจีโนมเพื่อการทำงานวิศวกรรมระดับเซลล์”

 

แน่นอนว่าในเวลาที่องค์ความรู้นั้นล้าหลังเทคโนโลยี การพัฒนาต่อยอดให้ได้ผลดีก็จะทำได้ยากยิ่งขึ้น อุปมาก็คงไม่ต่างกับการขับรถบนถนนที่ไม่รู้จัก ไปแบบไร้แผนที่ ถ้าไม่โชคดี ก็อาจจะหลงทางได้

แต่สำหรับจอร์จ เชิร์ช (George Church) นักชีววิทยาสังเคราะห์ชื่อดังจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) มองการทดลองของเครก เหมือนการตำน้ำพริกละลายแม่น้ำ

“สำหรับการประยุกต์ส่วนใหญ่จะต้องการการแก้ไขพันธุกรรมแค่เพียงเลกน้อยเท่านั้น” จอร์จกล่าว เขาเชื่อมั่นว่าเทคโนโลยีการแก้ไขยีน (gene editing) หรือ CRISPR/Cas จะยังคงเป็นเทคโนโลยีที่มาแรงที่สุดสำหรับชีววิทยาสังเคราะห์ “การออกแบบจีโนมทั้งเส้นจะมีประโยชน์ในการประยุกต์ที่แคบและจำเพาะมากๆ”

แต่ในมุมของนักวิทยาศาสตร์หลายๆ คน รวมทั้งเครกด้วย การทดลองสร้างเซลล์แบบ bottom-up นี้มีความสำคัญอย่างใหญ่หลวงเพราะมันคือหนทางที่จะนำไปสู่การเข้าใจองค์ประกอบของชีวิตอย่างถ่องแท้ “ถ้าคุณอยากจะแก้ไขอะไรแค่นิดๆ หน่อยๆ คริสเพอร์ก็น่าจะเป็นเครื่องมือที่ดีสำหรับคุณ แต่ถ้าคุณอยากจะสร้างอะไรใหม่ๆ และคุณอยากจะออกแบบชีวิต คริสเพอร์คงจะพาคุณไปถึงจุดนั้นไม่ได้” เครกกล่าว

เพราะถ้าเราเข้าใจชีวิต เราจะออกแบบชีวิตได้ดังประสงค์!

ใต้ภาพ

JCVI-syn3.0 ภาพโดย Tom Deerinck และ Mark Ellisman, NCMIR