ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

เปิดกรุ ‘คริสเพอร์’

เจอขุมสมบัติจุลินทรีย์

 

หลายคนเชื่อว่าพระเจ้าเป็นผู้สร้างและก่อให้เกิดทุกสิ่งอย่างรวมทั้งสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ ขึ้นมาด้วย

แต่โครงการจีโนมมนุษย์และสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นๆ ทำให้มนุษย์เริ่มที่จะเข้าใจรหัสแห่งชีวิต จนเริ่มที่จะเขียนชีวิตขึ้นมาใหม่จากการสังเคราะห์จีโนม ซึ่งหลายๆ คนมองว่านี่คือการผลักดันแบบนอกรีต และเป็นไปไม่ได้

แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์ การทำสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ ให้เป็นไปได้เป็นความท้าทาย

จอห์น เครก เวนเทอร์ (John Craig Ventor) นักวิทยาศาสตร์นามอุโฆษผู้อยู่เบื้องหลังความสำเร็จของโครงการมนุษย์ ผู้ก่อตั้งและผู้อำนวยการสถาบันวิจัยเจ เครก เวนเทอร์ (J. Craig Venter Institute, JCVI) เคยกล่าวไว้ความหลากหลายทางชีวภาพ คือ ชิ้นส่วนออกแบบ (design component) ที่ดีเลิศ เป็นเหมือนของขวัญจากธรรมชาติ

และเมื่อมนุษย์เข้าใจภาษาแห่งชีวิตอย่างถ่องแท้ มนุษย์ก็เริ่มที่จะสวมบทบาทพระเจ้าเพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ขึ้นมาได้

เพื่อที่จะปลุกปั้นและออกแบบสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ขึ้นมา เครกและทีมวิจัยได้ดราฟต์จีโนมของสิ่งมีชีวิตขึ้นมาในคอมพิวเตอร์ แล้วนำไปสังเคราะห์ขึ้นมาในหลอดทดลอง

พวกเขาสังเคราะห์จีโนมนี่ได้สำเร็จในปี 2010 ก่อนที่จะนำไปฝากเข้าไปในเซลล์ของเชื้อ Mycoplasma capricolum ที่ไร้ซึ่งดีเอ็นเอและบ่มเพาะจนเติบโตเป็นจุลินทรีย์สปีชีส์ใหม่ได้สำเร็จสมบูรณ์

ผลงานนี้พลิกวงการอย่างแท้จริง เรียกว่าลงพาดหัวสื่อหลักเกือบทุกหัวทั้งวารสารทางวิทยาศาสตร์จ๋าๆ อย่าง Nature และ Science ไปจนถึงสื่อกระแสหลักอย่าง CNN, Time, Newsweek

แม้แต่นิตยสารธุรกิจอย่าง Wall street journal และ The Economist ก็ยังเอาไปลง

ว่ากันว่าเม็ดเงินที่ทุ่มลงไปกับการสร้างจีโนมของจุลินทรีย์ขึ้นมาใหม่ตั้งแต่ต้นนี้อาจจะมากถึงสี่สิบล้านเหรียญสหรัฐ ถ้าตีเป็นเงินบาท ก็มากถึงราวๆ หนึ่งจุดสามล้านล้านบาท และใช้ทีมวิจัยนับร้อยคนทำงานเป็นปีๆ กว่าจะได้มา

แน่นอนว่านี่คือการลงทุนที่หลายคนมองว่าเป็นการตำน้ำพริกละลายแม่น้ำ

แต่มุมมองของเครกกลับต่างออกไป เพราะถ้าเขาสามารถที่จะสร้างจุลินทรีย์ที่เกิดขึ้นมาเพื่อผลิตเชื้อเพลิงหรือยาเท่านั้นได้

นั่นจะเป็นการพลิกโฉมวงการเทคโนโลยีชีวภาพไปอย่างกู่ไม่กลับ

 

หลังจากประสบความสำเร็จกับสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ตัวแรกที่ทีมวิจัยของเขาตั้งชื่อแบบเก๋ๆ ว่า Mycoplasma laboratorium หรือ Synthia JCVI-syn1.0 เครกและทีมก็ยังไม่ลดละที่จะพัฒนาเทคโนโลยีต่อไปให้สุกงอม

สำหรับเครก โครงการนี้คือ เทคโนโลยีแห่งอนาคตที่จะกลายเป็นความหวังของมวลมนุษยชาติ แม้จะต้องใช้เงินทุนทุ่มลงไปมากแค่ไหนก็ตาม ก็ยังคุ้ม ในสายตาของเขา ถ้าทำสำเร็จได้ร้อยเปอร์เซ็นต์ (ซึ่งเขาก็ทำสำเร็จได้ไปแล้วในก้าวแรก) นี่คือทองแท้ที่จะเป็นจุดพลิกผันแห่งเทคโนโลยีชีวภาพ!

ซึ่งในตอนนี้ จุลินทรีย์ฝีมือมนุษย์อยู่ที่เวอร์ชั่น 3.0 หรือที่เรียกว่า Synthia JCVI-syn3.0 แต่เทคโนโลยีการเขียนและสังเคราะห์จีโนมขึ้นมาใหม่นั้น ไม่ใช่เรื่องง่ายที่ใครก็ได้จะทำ เพราะการพัฒนานั้นซับซ้อน ต้องการทรัพยากรและโครงสร้างวิจัยพื้นฐานที่แข็งแกร่ง อีกทั้งยังต้องใช้ต้นทุนงบประมาณที่สูงมาก

นักวิจัยส่วนใหญ่จึงหันมามุ่งความสนไปไปที่เทคโนโลยีพันธุวิศวกรรม ซึ่งแม้ว่าจะพัฒนาไปไวในโลกยุคหลังโครงการจีโนม แต่ก็ยังไม่ใช่จะเป็นเทคนิคที่ทำได้ง่าย ได้ชัวร์ๆ แบบไม่ต้องลุ้นผล

เพราะการตัดต่อสารพันธุกรรมด้วยเทคโนโลยีดีเอ็นเอสายผสม (recombinant DNA technology) นั้นยุ่งยาก ต้องทำทุกอย่างตัดต่อ ประกอบร่างสายดีเอ็นเอที่ต้องการให้เสร็จสำเร็จลุล่วงให้เรียบร้อยเสียก่อนในหลอดทดลอง ก่อนที่จะนำไปใส่เข้าไปในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตอีกที

และจะยากเป็นพิเศษถ้าเป็นสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนอย่างยูคาริโอต เพราะต้องมานั่งลุ้นว่าสิ่งมีชีวิตจะยอมรับสารพันธุกรรมที่ปรับแต่งเข้าไปแทรกในจีโนมของมันได้ตรงตามที่หวังหรือไม่

และนี่คืออุปสรรคที่สำคัญที่สุดของวงการพันธุวิศวกรรม เพราะถ้าเราสามารถหาเอนไซม์ที่สามารถตัดรหัสดีเอ็นเอที่เราต้องการได้ และต่อยีนที่ต้องการแทรกเข้าไปให้เลยจะเป็นอะไรที่พลิกโลกมาก

 

และแล้วคริสเพอร์-คาส 9 (CRISPR-Cas9) ก็โด่งดังขึ้นมา และได้กลายเป็นก้าวใหม่ที่ได้ปฏิวัติวงการพันธุวิศวกรรมไปตลอดกาล คงปฏิเสธไม่ได้ว่า CRISPR-Cas9 ในเวลานี้ยืนหนึ่งในเรื่องความฮอตในสายชีววิทยา และเทคโนโลยีชีวภาพ

การค้นพบคริสเพอร์นั้นยิ่งใหญ่และได้สร้างความแตกต่างให้กับวงการวิทยศาสตร์ของโลกอย่างมหาศาล

จนทำให้สองนักวิทยาศาสตร์หญิงผู้บุกเบิกงานวิจัย CRISPR-Cas9 ทั้งเอมมานูเอล ชาร์เพนเทีย (Emmanuelle Charpentier) มหาวิทยาลัยอูเมีย (Umea University) และเจนนิเฟอร์ ดาอ์ดนา (Jennifer Daudna) มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (University of California Berkeley) กวาดรางวัลโนเบลในสาขาเคมีไปครองเป็นที่เรียบร้อยแล้ว ในปี 2020

แต่สองสาวนั้น ไม่ใช่แค่ทีมเดียวที่พยายามผลักดันเรื่องคริสเพอร์ ยังมีดรีมทีมอีกหลายแห่ง และแห่งหนึ่งที่น่าจับตามองที่สุด นอกจากทีมอูเมีย-เบิร์กลีย์ ก็คือทีมวิจัยของจอร์จ เชิร์ช (George Church) และเฟิง จาง (Feng Zhang) ที่เอ็มไอที

เฟิงเป็นนักวิจัยชีวเคมีชาวอเมริกัน-จีนที่ขึ้นชื่อลือชาในความเทพ เป็นอดีตลูกศิษย์หัวแก้วหัวแหวนของคาร์ล เดเซอร์รอธ (Karl Deisseroth) หนึ่งในผู้ร่วมพัฒนาเทคโนโลยีออพโตเจเนติกส์ (Optogenetic) ที่สามารถควบคุมการทำงานของสมองหนูได้โดยการฉายแสงผ่านไฟเบอร์ออพติกส์ตอนสมัยที่ยังเรียนปริญญาเอกอยู่ที่สแตนฟอร์ด (Stanford University)

เฟิงคือหนึ่งในไอดอลหลักแห่งวงการคริสเพอร์ และถือได้ว่าเป็นศัตรูตัวเอ้ของนักวิจัยสองสาวรางวัลโนเบล ด้วยข้อพิพาทเรื่องทรัพย์สินทางปัญญาที่ยังหาข้อยุติไม่ลงตัว

เขาคือผู้แรกที่แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ในตระกูลคริสเพอร์นั้นสามารถเอามาใช้ปรับแต่งจีโนมของสิ่งมีชีวิตชั้นสูงที่เรียกว่ายูคาริโอตได้

หลังการค้นพบ เอนไซม์ในตระกูลคริสเพอร์และคาส ก็ถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายทั้งในการตัดต่อพันธุกรรม ปรับแต่งจีโนม ไปจนถึงวินิจฉัยโรค

 

แต่การเอาเทคโนโลยีไปประยุกต์ใช้แบบผิดๆ นั้น อาจสร้างดราม่าสะเทือนโลกได้ ถ้ายังจำกันได้ เมื่อหลายปีก่อน (2018) มีนักวิจัยจีน เหอเจียนคุ่ย (He Jiankui) จากมหาวิทยาลัยซัสเทค (SUSTech) ได้ใช้เอนไซม์ในตระกูลนี้ไปปรับแต่งจีโนมในตัวอ่อนมนุษย์จนก่อกำเนิดเกิดมาจนได้เป็นทารกแฝดคู่ ลูลู่ (Lulu) และนาน่า (Nana) ขึ้นมา

การทดลองของเหอ ถือเป็นความมักง่ายและไม่ระมัดระวังอย่างแรง เพราะถึงแม้ว่าคริสเพอร์จะมีประสิทธิภาพดีและเป็นที่น่าสนใจมากๆ แต่ก็ยังไม่ได้มีการประเมินความเสี่ยงเทคโนโลยี และคำนวณโอกาสเกิดความบกพร่องในการทำงาน (เช่น ตัดผิดที่ แทรกพลาดเป้า) อย่างครบถ้วนและเป็นระบบ

จึงเป็นเรื่องที่น่ากังวลและคงต้องเฝ้าระวังโอกาสที่จะเกิดโรคแปลกๆ จากการที่คริสเพอร์ไปตัดผิดต่อไปทั้งในลูลู่และนาน่า

ดังนั้น การศึกษาผลกระทบของเทคโนโลยีให้ถ่องแท้ก่อนที่จะนำมาใช้จริงจึงเป็นสิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งยวด

 

เชื่อกันว่าคริสเพอร์นั้นถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อเป็นภูมิคุ้มกันของเซลล์แบคทีเรีย เพื่อให้แบคทีเรียสามารถต่อต้านไวรัสได้ โดยการตัดชิ้นส่วนจีโนมของไวรัสที่รู้จักทิ้งไป แต่คำถามพื้นฐานที่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังตอบไม่ได้ก็คือแล้วมันมาจากไหนกันแน่

เฟิง ดาอ์ดนา และนักวิจัยอีกมากมายจึงพยายามอย่างยิ่งที่จะทำความเข้าใจการอุบัติขึ้นมาของระบบคริสเพอร์-คาส9 บทบาท และการทำงานของคริสเพอร์ในแบคทีเรีย

มหกรรมการเร่งค้นหาคริสเพอร์โบราณที่อาจจะบ่งชี้ได้ว่าบรรพบุรุษต้นตระกูลของคริสเพอร์ที่อุบัติขึ้นมาได้อย่างไรจึงได้เริ่มขึ้น และในเปเปอร์ที่เพิ่งจะตีพิมพ์ออกมาหมาดๆ ในวารสาร Science เมื่อวันที่ 9 กันยายนที่ผ่านมานั้นได้สร้างความตื่นเต้นให้นักวิทยาศาสตร์มากมาย

ทีมวิจัยของเฟิงได้ขุดคุ้ยลงไปในฐานข้อมูลพันธุกรรมของแบคทีเรียในธรรมชาติ และได้เสนอไอเดียว่าโปรตีนในตระกูล IscB ซึ่งเป็นเอนไซม์ในกลุ่มทรานสโพซอน (transposon – บางคนเรียก Jumping genes ที่พบโดดไปโดดมาแทรกตามที่ต่างๆ ของจีโนมได้) น่าจะเป็นหนึ่งในต้นตระกูลคริสเพอร์-คาส9

ที่น่าสนใจก็คือตำแหน่งที่ตั้งของยีน IscB นั้นจะอยู่ใกล้ๆ กันกับดีเอ็นเอที่เข้ารหัสสำหรับสร้างอาร์เอ็นเอเป็นไกด์ที่พวกเขาตั้งชื่อว่า รหัสโอเมก้า (OMEGA – Obligate Mobile Element Guided Activity)

และพอคุ้ยต่อ ปรากฏว่ารหัสโอเมก้านั้นเจอได้เยอะมากทั้งในแบคทีเรีย อาร์เคีย หรือแม้แต่ในยูคาริโอต (ในคลอโรพลาสต์ของสาหร่าย)

แม้ความสามารถในการปรับแต่งจีโนมของเอนไซม์พวก IscB จะยังสู้พวกคริสเพอร์-คาส9 จริงๆ ไม่ได้ ถ้าเอามาพัฒนาต่ออีกหน่อยก็อาจจะเป็นทางเลือกที่น่าสนใจ เพราะขนาดของโปรตีนที่เล็กกว่า การจัดการ การดัดแปลงเพื่อการประยุกต์ใช้ก็อาจจะง่ายกว่า แถมยังเป็นไปได้ว่าจะเสถียรกว่าตัวคริสเพอร์-คาส9 อีกด้วย

แต่ก็ไม่แน่นะ เพราะโปรตีนในตระกูล IscB นั้น เจอเยอะมากในจีโนมของจุลินทรีย์ ไม่แน่ว่าถ้าคุ้ยดีพออาจจะเจอของเด็ดที่เจ๋งกว่าคริสเพอร์-คาส9 ในตอนนี้ก็ได้

 

นอกจากนี้ พวกเขายังพบเอนไซม์อีกกลุ่ม ในตระกูล Tnp ที่มีแนวโน้มว่าน่าจะเป็นบรรพบุรุษของเอนไซม์คาส12 ที่นิยมเอามาใช้ในการพัฒนาชุดตรวจวินิจฉัยโรคอีกด้วย

แน่นอนว่างานวิจัยนี้น่าตื่นเต้นกว่าถ้าสามารถจะช่วยเชื่อมโยงให้เราสามารถเข้าใจได้จริงๆ ว่าระบบคริสเพอร์นั้นวิวัฒนาการขึ้นมาอย่างไร แต่บอกตรงๆ ว่าแม้ว่าผลจะน่าสนใจ แต่ยังมีอีกหลายจุดที่น่าจะต้องศึกษาต่อไปถึงจะเห็นภาพได้ชัดเจนขึ้นว่าเกิดอะไรขึ้นบ้างในอดีต… กว่าจะมาเป็นคริสเพอร์

แต่งานวิจัยนี้ทำให้ผมหวนคิดถึงคำพูดของเครกที่ผมอ้างอิงไว้เมื่อตอนต้น “ความหลากหลายทางชีวภาพคือ ชิ้นส่วนออกแบบ (design component) ที่ดีเลิศ เป็นเหมือนของขวัญจากธรรมชาติ”

ของขวัญนี้คือต้นทุนทางธุรกิจที่สำคัญยิ่งในธุรกิจเทคโนโลยีชีวภาพและชีววิทยาสังเคราะห์ ว่าแต่ในประเทศที่มีความหลากหลายทางชีวภาพมากติดอันดับโลก มีนโยบายที่จะทำอะไรกับขุมสมบัติจากธรรมชาติเหล่านี้หรือยัง?