ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

วิศวกรรมระดับจีโนม

สู่เทคโนโลยีการออกแบบเซลล์แห่งอนาคต (4)

: สิ่งมีชีวิตแปลงรหัส

สิ่งที่ผมชอบที่สุดในการทำงานในวงการวิทยาศาสตร์คือการคุยกันแบบประเทืองปัญญาในช่วงเบรกกาแฟ หรือช่วงมื้อเที่ยง

วันหนึ่งในปลายปี 2003 อากาศข้างนอกหนาวเย็นยะเยือก ในขณะที่ผมกำลังอ้าปากเขมือบก้อนเบอริโตม้วนโตที่ห้องกินข้าวในห้องแล็บชั้นใต้ดินที่มหาวิทยาลัยเยล (Yale University)

เฟรด ซิกเวิร์ธ (Fred Sigworth) อาจารย์ของผมก็เริ่มชักชวนทุกคนให้เตรียมตัวไปเข้าฟังทอล์กพิเศษในวีกนั้น ซึ่งจะบรรยายโดยเดนนิส โดเกอร์ตี (Dennis Dougherty) นักเคมีชื่อดังจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (California Institute of Technology)

“งานของเดนนิสน่าสนใจมากนะ ถ้าว่างก็น่าเข้าไปฟัง เขาเอากรดอะมิโนประหลาดที่ไม่พบในธรรมชาติ (unnatural amino acid) ไปใส่เข้าไปในโปรตีน เพื่อที่จะได้ศึกษาบทบาทของหมู่ทางเคมีต่างๆ ที่มีความสำคัญต่อการทำงานของโปรตีน” เฟรดบอก สีหน้ายิ้มแย้ม ดวงตาเป็นประกาย

โปรตีนประกอบไปด้วยกรดอะมิโน 20 ชนิด… (อย่างมากก็มีที่หายากๆ อีกสองตัว) นั่นคือที่ผมเรียนมา… แต่การเอากรดอะมิโนที่ไม่พบในธรรมชาติที่ไม่ใช่ 20+2 ตัวนั้นเข้าไปใส่ในโปรตีน สำหรับนักศึกษาปริญญาเอกที่เพิ่งจะเข้ามาในแล็บไม่นานอย่างผม มันฟังดูว้าวมาก

จนต้องไปขุดคุ้ยเปเปอร์งานวิจัยของเดนนิสมาอ่าน

ในตอนนั้น คำว่าสิ่งมีชีวิตแปลงพันธุ์ (Genetically modified organisms หรือ GMOs) เป็นคำที่ได้ยินบ่อยมาก ไปที่ไหนก็ได้ยินคนพูดถึง แต่คำว่าสิ่งมีชีวิตแปลงรหัส (Genetically recoded organisms หรือ GROs) นั้นบอกเลยว่าได้ยินเป็นครั้งแรก

ในการสร้างสิ่งมีชีวิตแปลงพันธุ์ นักวิทยาศาสตร์จะดัดแปลงรหัสพันธุกรรม โดยการโคลนเอายีนจากสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปใส่ไว้ในสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่งทำให้สิ่งมีชีวิตที่ได้ยีนไปนั้นสามารถสร้างโปรตีนใหม่ๆ ขึ้นมาได้ตามที่เราต้องการ

เช่น ให้ยีสต์ผลิตฮอร์โมนอินซูลินของคน หรือใช้ต้นยาสูบผลิตโปรตีนหนามไวรัสโควิด

แต่วิธีการสร้างสิ่งมีชีวิตแปลงรหัส จะเน้นการก่อกวนการสร้างโปรตีนของเซลล์ที่เรียกว่าการแปลรหัส (translation) เพื่อให้ไรโบโซม (จักรกลที่ใช้ในการสร้างโปรตีน) หยิบเอากรดอะมิโนสังเคราะห์แปลกๆ ที่ปกติไม่พบในธรรมชาติเข้าไปใส่ไว้ในสายโปรตีนที่กำลังสร้าง

ไอเดียในการดัดแปลงพันธุกรรมก็จะซับซ้อนขึ้นไปขั้นหนึ่งถ้าเทียบกับการดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อสร้าง GMOs

 

เรื่องของเรื่องก็คือ กรดอะมิโน 1 ตัวในโปรตีนจะถูกกำหนดด้วยรหัสพันธุกรรม A U C G ที่เรียงต่อกัน 3 ตัวบนสายเอ็มอาร์เอ็นเอ (messenger RNA หรือ mRNA) ที่เรียกว่า “โคดอน (codon)” ซึ่งรหัสของเอ็มอาร์เอ็นเอนี้จะถูกก๊อบปี้มาจากส่วนที่เป็นยีนในสายดีเอ็นเอ

ในสิ่งมีชีวิต รหัสโคดอนที่เป็นไปได้จะมีทั้งหมด เท่ากับ 4 (เบส A T(U) C G 4 ชนิด) ยกกำลัง 3 (3 ตำแหน่ง) นั่นคือ 64 แบบ แต่ชนิดของกรดอะมิโนที่พบเป็นองค์ประกอบโปรตีนในธรรมชาติจะมีแค่ 20 ชนิด นั่นหมายความว่ากรดอะมิโน 1 ชนิดจะแปลรหัสออกมาได้จากโคดอนหลายตัว เช่น โคดอน GCU GCC GCA และ GCG จะแปลรหัสออกมาได้เหมือนกัน คือเป็นกรดอะมิโนอะลานีน (Alanine)

แม้โคดอนทั้งสี่จะแปลรหัสออกมาได้เป็นอะลานีนเหมือนกัน แต่ไม่ใช่ว่าทุกโคดอนจะถูกใช้อย่างเท่าเทียม ในแบคทีเรีย Escherichia coli โคดอนสำหรับกรดอะมิโนอะลานีนที่พบใช้มากที่สุด ราวๆ หนึ่งในสามของทั้งหมด (33.66 เปอร์เซ็นต์) คือ GCG ในขณะที่โคดอนสำหรับกรดอะมิโนอะลานีนที่พบใช้น้อยที่สุดคือ GCU ซึ่งจะพบใช้เพียงแค่ราวๆ 15 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น

โคดอนพวกนี้จะถูกอ่านและแปลรหัสโดยไรโบโซม และในกระบวนการสร้างโปรตีนโดยไรโบโซม อาร์เอ็นเออีกชนิดที่เรียกว่า ทีอาร์เอ็นเอ (transfer RNA หรือ tRNA) ที่มีรหัสจดจำที่เรียกว่า “แอนติโคดอน (anticodon)” เข้าคู่กันกับรหัสโคดอนบนเอ็มอาร์เอ็นเอจะพากรดอะมิโนที่ตรงกับรหัสโคดอนนั้นเข้ามาในไรโบโซมเพื่อให้ไรโบโซมสามารถประกอบสายโปรตีนได้ตามรหัสของเอ็มอาร์เอ็นเอที่กำลังแปลรหัส

ซึ่งการที่เซลล์จะใช้หรือไม่ใช้โคดอนตัวไหน บ่อยแค่ไหนนั้น จะขึ้นกับปริมาณของทีอาร์เอ็นเอที่มีรหัสแอนติโคดอนตรงกับรหัสโคดอน นั่นหมายความว่า ในกรณีของ E. coli ทีอาร์เอ็นเอสำหรับโคดอน GCG จะมีมากกว่าทีอาร์เอ็นเอสำหรับ GCU

แต่ไม่ใช่ทุกโคดอนจะแปลรหัสออกมาเป็นกรดอะมิโน ที่จริงแล้ว มีเพียงแค่ 61 โคดอนเท่านั้นที่จะแปลรหัสออกมาเป็นกรดอะมิโน ส่วนโคดอนอีกสามตัว คือ UAG UAA และ UGA (ที่ถูกตั้งชื่ออย่างวิลิศมาหราว่าแอมเบอร์ (Amber) โอเครอ (Ochre) และ โอปอล (Opal) ตามลำดับ) จะแปลรหัสออกมาเป็นรหัสหยุด (stop codon) ที่

ซึ่งเมื่อไรก็ตามที่เจอรหัสหยุด ไรโบโซมก็จะยุติการสร้างโปรตีน

 

เชื่อกันว่าสาเหตุหนึ่งที่ทำให้รหัสทั้งสามนี้กำหนดการหยุดการสร้างโปรตีน ก็เพราะว่ารหัสพวกนี้ไม่มีทีอาร์เอ็นเอที่ต่อกับกรดอะมิโนที่มีแอนติโคดอนที่เข้าคู่กันได้สำหรับพวกมัน ในปี 1968 ทีมวิจัยนำโดยซิดนีย์ เบรนเนอร์ (Sydney Brenner) และจอห์น สมิธ (John Smith) จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (Cambridge University) พบว่าการกลายพันธุ์แค่จุดเดียวตรงรหัสแอนติโคดอนของทีอาร์เอ็นเอที่เชื่อมอยู่กับกรดอะมิโนไทโรซีน (tyrosine) จะทำให้ทีอาร์เอ็นเอที่กลายพันธุ์ไปดังกล่าวจดจำรหัสแอมเบอร์ได้ และจะนำเอากรดอะมิโนไทโรซีนมาใส่เข้าไปในสายโปรตีนเมื่อเจอรหัสแอมเบอร์ เมื่อมีทีอาร์เอ็นเอไรโบโซมก็จะสามารถสังเคราะห์โปรตีนต่อไปได้เรื่อยๆ ไม่หยุด แม้จะเจอรหัสแอมเบอร์ก็ตาม

ซิดนีย์และจอห์นเรียกกระบวนการนี้ว่าการยับยั้งแอมเบอร์ หรือ Amber suppression

นั่นหมายความว่าถ้าเราสามารถหาวิธีปรับแต่งทีอาร์เอ็นเอได้ เราก็สามารถออกแบบระบบที่จะเอากรดอะมิโนแปลกๆ เข้าไปใส่ในสายโปรตีนได้ ซึ่งอาจจะเอามาใช้ดัดแปลงโปรตีนหรือเอนไซม์ให้ทำงานได้มากกว่าที่เคยเป็นอย่างมหาศาล

สิ่งที่ต้องมีก็คือ ทีอาร์เอ็นเอที่ถูกปรับแต่งแอนติโคดอนให้ตรงกับรหัสหยุด (อย่างเช่น แอมเบอร์) กรดอะมิโนประหลาดที่อยากจะเติมเข้าไป และเอนไซม์ออร์โทโกนอล ทีอาร์เอ็นเอ ซินเทเทส (orthogonal tRNA synthethase) ที่ใช้ในการเชื่อมกรดอะมิโนแปลกๆ พวกนั้นเข้ากับทีอาร์เอ็นเอที่ถูกปรับแต่ง และที่ขาดไม่ได้ก็คือการปรับแต่งโคดอนของยีนที่สนใจให้มีรหัสหยุดที่ตรงกับทีอาร์เอ็นเอที่ดัดแปลงไว้

 

แต่สำหรับป๊ะป๋าแห่งวงการชีววิทยาสังเคราะห์แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) อย่างจอร์จ เชิร์ช (George Church) การปรับแต่งแค่ทีละรหัส สองรหัสแบบนี้มันยังไม่สะใจ เพราะรหัสหยุดยังไงก็มีอยู่แค่สามตัว ดัดแปลงได้อย่างมากก็แค่สองตัว จะแปลงไปเป็นตัวอื่นทั้งหมดก็คงไม่ได้ เพราะอย่างน้อยต้องเก็บเอาไว้หนึ่งเพื่อให้เป็นรหัสหยุด

จอร์จเลยคิดวิธีแบบ “น้อยแต่มาก” “ลดเพื่อเพิ่ม” ขึ้นมา ถ้าเปลี่ยนรหัสหยุดยังดัดแปลงได้ไม่มากพอ ก็ไปลดความซ้ำซ้อนของการใช้โคดอน แล้วเอาโคดอนที่เคยซ้ำซ้อนมาใช้เป็นรหัสสำหรับกรดอะมิโนที่อยู่นอกเหนือธรรมชาติแทน คิดได้เช่นนี้ จอร์จก็เลยเริ่มออกแบบวิธีการปรับแต่งโคดอนในจีโนมของแบคทีเรีย E. coli เสียใหม่ด้วยจุดมุ่งหมายเพื่อลดความซ้ำซ้อนในการใช้โคดอน

ไอเดียของจอร์จก็คือเปลี่ยนโคดอนที่พบน้อยที่สุดเป็นตัวอื่นให้หมดทั้งจีโนม

ยกตัวอย่างเช่น ในกรณีของกรดอะมิโนอะลานีน เรารู้ว่า GCU GCC GCA และ GCG จะแปลรหัสออกมาได้เป็นกรดอะมิโนอะลานีนเหมือนกัน

ซึ่งหากจะลดความซ้ำซ้อนของโคดอนอะลานีน ก็อาจจะเลือกเปลี่ยน GCU ที่พบน้อยที่สุดให้กลายเป็นโคดอนสามตัวที่เหลือ เท่านั้น เราก็จะมีโคดอน GCU เพิ่มขึ้นมาอีกหนึ่งตัวสำหรับการประยุกต์ปรับแต่งเพื่อแทรกกรดอะมิโนที่อยู่นอกเหนือธรรมชาติเข้าไปดัดแปลงโปรตีนได้

แต่งานนี้ไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะการปรับแต่งที่ว่าคือการปรับเปลี่ยนทั้งจีโนม

 

แจ๊กพ็อตมาก ในปี 2011 ฟาร์เรน ไอแซกส์ (Farren Issacs) นักวิจัยหลังปริญญาเอกของจอร์จ ได้คิดค้นวิธีการปรับแต่งโคดอนทั่วจีโนมที่เรียกว่า Multiplex Automated Genome Engineering (MAGE) และ Conjugative Assembly Genome Engineering (CAGE) ขึ้นมา ด้วยสองเทคนิคนี้ เขาได้ปรับแต่งรหัสหยุดแอมเบอร์ (TAG) ทั้ง 314 จุดในดีเอ็นเอของแบคทีเรีย E. coli ให้กลายเป็นรหัสโอเครอ (TAA)

และสองปีต่อมา ในปี 2013 ทีมของจอร์จและฟาร์เรนก็ได้ใช้เทคนิค MAGE และ CAGE ที่เขาได้พัฒนาขึ้นมาเพื่อแปลงรหัสโคดอนของแบคทีเรีย E. coli อีกครั้ง คราวนี้ เพื่อกำจัดโคดอนที่พบน้อยที่สุดในจีโนมของ E. coli จำนวน 7 โคดอน การที่ทีมวิจัยเลือกที่จะทำงานกับโคดอนที่พบน้อยที่สุดในจีโนม ก็เพื่อที่พวกเขาจะได้ไม่ต้องปรับแต่งจีโนมมากจนเกินไป ซึ่งถ้าพวกเขาทำได้สำเร็จ แบคทีเรียที่จากเดิมเคยใช้อยู่ 64 โคดอนก็จะเหลือใช้จริงแค่ 57 โคดอน เปิดไว้ 7 ให้เอาไปทำอะไรก็ได้

“เรากำลังตั้งคำถามว่าเราจะเปลี่ยนความหมายของรหัสพันธุกรรมได้หรือไม่? เรากำลังพยายามออกแบบและปรับแต่งจีโนมในระดับที่ไม่เคยมีใครพยายามมาก่อน” มาร์ก ลาจอย (Marc Lajoie) จากมหาวิทยาลัยวอชิงตัน (University of Washington) อดีตนักศึกษาปริญญาเอกของจอร์จ หนึ่งในทีมวิจัยแปลงรหัสแบคทีเรีย E. coli กล่าว

แต่แม้ว่าจะวางกลยุทธ์มาดีแค่ไหน งานช้างก็ยังเป็นงานช้าง เพราะจำนวนโคดอนที่จำเป็นต้องแก้ไขนั้นก็ยังมีมากกว่าหกหมื่นสองพันตำแหน่ง และนั่นนับรวมแค่บางส่วนของจีโนมเท่านั้น ยังไม่ใช่ทั้งจีโนม

เทคนิคการปรับแต่งจีโนมแบบนี้นอกจากจะลดเพื่อเพิ่ม ขยายโอกาสในการปรับแต่งเพื่อใส่กรดอะมิโนที่ไม่มีในธรรมชาติเข้าไปสร้างหน้าที่และความแปลกใหม่ให้โปรตีนที่สนใจได้แล้ว ยังช่วยป้องกันการติดเชื้อไวรัสทำลายแบคทีเรีย ที่เรียกว่า “แบคเทริโอเฟจ (bacteriophage)” ที่เป็นปัญหาสำคัญในอุตสาหกรรมได้ด้วย

จินตนาการว่าหากจีโนมของไวรัสไม่ได้มินิมอล มีแค่ 57 โคดอนเหมือนในแบคทีเรียแปลงรหัส พวกมันก็จะขาดทีอาร์เอ็นเอและจะไม่สามารถสร้างโปรตีนของไวรัสได้

 

และในปี 2019 เจสัน ชิน (Jason Chin) อีกหนึ่งนักวิจัยชีววิทยาสังเคราะห์ดาวรุ่ง จากห้องปฏิบัติการอณูชีววิทยา สภาวิจัยทางการแพทย์ในเคมบริดจ์ (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge) ก็ได้ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์จีโนมแบคทีเรีย E. coli ขึ้นมาใหม่

ทีมวิจัยของเจสันได้สร้างสิ่งมีชีวิตแปลงรหัสขึ้นมาแบบทั้งจีโนมได้เป็นครั้งแรก แบคทีเรียชนิดนี้ถูกออกแบบมาให้ใช้โคดอนแค่ 61 แบบเท่านั้น จากเดิมที่ใช้ได้ 64 แบบ และเนื่องจากจำนวนโคดอนที่ใช่เหลือแค่ 61 แบบ เจสันจึงตั้งชื่อแบคทีเรียแปลงรหัสของเขาว่า Syn61

แม้จะไม่อลังการงานสร้างเท่ากับไอเดียของจอร์จ แต่งานวิจัยของเจสันถือเป็นอีกหนึ่งแลนด์มาร์กสำคัญของวงการชีววิทยาสังเคราะห์ เพราะงานของเจสันจะช่วยเปิดโอกาสให้เราสามารถออกแบบโปรตีนชนิดใหม่ๆ จากสารพัดกรดอะมิโนสังเคราะห์ที่ไม่พบจริงในธรรมชาติได้มากมาย

รวมถึงการออกแบบเอนไซม์ที่มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาแปลกๆ เพื่อสร้างสารมูลค่าสูงที่ไม่เคยมีเอนไซม์ตัวไหนทำได้มาก่อน

คงต้องติดตามต่อไป เพราะเทคโนโลยีนี้อาจจะเปิดประวัติศาสตร์หน้าใหม่ของวงการเทคโนโลยีชีวภาพที่จะก้าวไปข้างหน้าทั้งไว และไกลเกินกว่าที่เราจะคาดฝันถึง