กรงดักไวรัสนาโน กับโอริงามิดีเอ็นเอ/ทะลุกรอบ ป๋วย อุ่นใจ

ดร. ป๋วย อุ่นใจ

ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

กรงดักไวรัสนาโน

กับโอริงามิดีเอ็นเอ

 

มองเผินๆ นึกถึงยานทายไฟต์เตอร์ (TIE fighter) จากสตาร์วอร์ส แต่ไม่ใช่ เพราะนี่คือ “กรงดักไวรัสขนาดจิ๋ว” ที่ถูกออกแบบมาเพื่อให้สามารถกักไวรัสร้ายไว้ภายใน ไม่ให้ออกฤทธิ์กับผู้ใดได้

เปิดตัวอย่างน่าสนใจในวารสาร Nature Material นักชีวฟิสิกส์ เฮนดริก ดิเอตซ์ (Hendrik Dietz) และทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการชีวนาโนเทคและหุ่นยนต์อณู (Bionanotech and Molecular Robotic Lab) มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก (Technical University of Munich) ประเทศเยอรมนี ได้ออกแบบกรงนาโนสารพัดแบบที่สามารถนำมาใช้ดักและกักขังไวรัสได้สารพัดชนิด จากดีเอ็นเอ

ดีเอ็นเอเป็นสารเคมีที่เป็นสายยาวสามารถพับม้วนได้และโดยปกติ ดีเอ็นเอสองสายจะสามารถยึดจับกันได้เป็นคู่ โดยเบส A จะจับกับเบส T เสมอ และเบส C จะจับกับเบส G เสมอ

หลักการง่ายๆ แบบนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรสามารถออกแบบกลไกการพับดีเอ็นเอให้เป็นรูปทรงและโครงสร้างต่างๆ ได้มากมาย เช่น หน้ายิ้ม ปลาโลมา กระต่าย กล่องนาโนเปิด-ปิดได้ หรือแม้แต่ตะกร้อสามมิติก็ยังทำได้

พวกนักนาโนเทคโนโลยีจะเรียกเทคนิคการพับดีเอ็นเอเป็นรูปทรงต่างๆ นี้ว่า ดีเอ็นเอโอริงามิ (DNA origami)

ภาพโครงสร้างสามมิติจาก cryoEM ยืนยันว่าไวรัสตับอักเสบบี (ก้อนกลมๆ ตรงกลาง) โดนขังไว้ข้างในกรงดีเอ็นเอ (ด้านสามเหลี่ยมภายนอก) จริงๆ

เฮนดริกและทีมวิจัยของเขานิยามตัวเองชัดเจนว่าเป็นนักนาโนเทคโนโลยี พวกเขาเชี่ยวชาญดีเอ็นเอโอริงามิ และนิยมชมชอบการประกอบดีเอ็นเอเป็นรูปร่างต่างๆ และจะรู้สึกท้าทายเสมอเมื่อเจอโจทย์ใหม่

เขาอยากสร้างพับดีเอ็นเอให้เป็นโครงสร้างเหมือนไวรัส!

โครงสร้างของไวรัสส่วนใหญ่จะเป็นโครงสร้างที่มีสมมาตรเหลี่ยมมุมชัดเจน ประกอบกันเป็นทรงหลายเหลี่ยมที่เรียกว่าโครงสร้างไอโคสะฮีดรัล (icosahedral structure) ซึ่งหลักการทางเรขาคณิตและหลักการออกแบบ (design principle) รูปทรงหลายเหลี่ยมไอโคสะฮีดรัลที่ซับซ้อนนี้ถูกศึกษาจนปรุโดยสองนักชีวฟิสิกส์ชื่อดัง โดนัลด์ คาสพาร์ (Donald D L Caspar) และอารอน คลุก (Aaron Klug) และถูกเผยแพร่ออกมาตั้งแต่ปี 1962

และหลักการออกแบบโครงสร้างไวรัสนี้เองที่ช่วยให้เฮนดริกสามารถออกแบบโครงโอริงามิดีเอ็นเอของเขาให้มีหน้าตาละม้ายคล้ายกับไวรัสได้สำเร็จ

“ที่จริง ตั้งแต่ช่วงฤดูร้อนปี 2019 ก่อนโควิด-19 จะระบาด เราก็สร้างโปรโตไทป์เปลือกไอโคสะฮีดรัลจากดีเอ็นเอได้แล้ว” เฮนดริกเผย “แต่ผมขอสารภาพเลยว่าตอนนั้นก็ยังไม่รู้จะเอาไปทำอะไร คือจริงๆ ทำขึ้นแค่เพื่อการบุกเบิกแนวคิดใหม่ในการออกแบบก็แค่นั้น”

โครงสร้างที่สร้างขึ้นมาจากดีเอ็นเอของเฮนดริกนั้น เป็นโครงสร้างที่มีขนาดพอๆ กับไวรัส แต่ข้างในกลวง ดูเผินๆ ก็ดูเหมือนเปลือกไวรัสเปล่าๆ ที่ไม่มีสารพันธุกรรมอยู่ข้างใน

ทีมของเขาเริ่มคิดต่อ และได้ไอเดียขึ้นมาว่าถ้าพวกเขาสามารถเอาโครงสร้างกลวงๆ นี้ไปออกแบบต่อให้สามารถดักจับไวรัสและกักเอาไว้ข้างในได้ ก็จะทำให้ปริมาณไวรัสในร่างกายผู้ป่วยนั้นลดลงอย่างมหาศาล และอาจจะทำให้ผู้ป่วยที่อาการหนักอาจจะมีอาการเบาลง และอาจจะสามารถฟื้นตัวได้อย่างรวดเร็ว

“ยังไม่เคยมีอะไรที่เราเคยสร้างขึ้นมาจากเทคโนโลยีโอริงามิดีเอ็นเอที่สามารถกลืนกินไวร้สทั้งตัวเข้าไปได้ พวกมันเล็กเกินไป” การจะสร้างโครงสร้างกลวงๆ ที่มีขนาดใหญ่ขนาดนี้เป็นเรื่องที่ท้าทายแบบสุดๆ” เฮนดริกกล่าว

CREDIT : ELENA-MARIE WILLNER / DIETZLAB / TUM

ไอเดียของเขาคือออกแบบวิธีการพับชิ้นดีเอ็นเอให้เป็นแผ่นสามเหลี่ยมก่อน แล้วค่อยออกแบบจุดเชื่อมต่อให้แต่ละชิ้นสามเหลี่ยมสามารถมาประกอบตัวกันได้เองให้เป็นรูปทรงตามแบบที่ต้องการ พวกเขาทดสอบไอเดียหลายครั้งหลายหนกว่าจะเริ่มอยู่ตัวและสามารถประกอบร่างกรงดีเอ็นเอขนาด 180 สามเหลี่ยมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่โตมโหฬารถึง 300 นาโนเมตรขึ้นมาได้เป็นผลสำเร็จ

โครงสร้างสามมิติจากการประกอบภาพถ่ายจุลทรรศน์อิเล็กตรอนด้วยเทคโนโลยี cryoEM ยืนยันว่าโครงสร้างที่เขาออกแบบนั้น ประกอบร่างขึ้นมาได้อย่างถูกต้องตามแบบเสียเป็นส่วนใหญ่ เฮนดริกเปรยว่าอาจจะมากถึง 95 เปอร์เซ็นต์เลยก็ได้

แต่ถ้าโครงสร้างกรงดีเอ็นเอประกอบตัวขึ้นมาเป็นรูปทรงเรขาคณิตที่ปิดหมดทุกด้าน ก็คงจะไม่มีช่องทางที่จะให้ไวรัสหลุดเข้าไปติดและถูกกักเอาไว้ข้างใน

กรงดักไวรัสของเฮนดริกจึงมีโครงสร้างเป็นเหมือนกรงดีเอ็นเอผ่าครึ่งเสียมากกว่า เขาเชื่อมั่นว่าโครงสร้างแบบกรงเปิดผ่าครึ่งแบบที่เขาออกแบบมาน่าจะสามารถยึดจับกับไวรัสได้ดีกว่ากรงดีเอ็นเอแบบปิด

และถ้าอยากจะดักไวรัสที่จำเพาะเจาะจงก็สามารถปรับให้ภายในกรงมีจุดที่จะแทรกเอาสายดีเอ็นเอสั้นๆ ที่เชื่อมติดอยู่กับแอนติบอดี้ โปรตีน หรือสารเคมีอื่นๆ ที่จะสามารถจับกับไวรัสได้อย่างจำเพาะเข้าไปติดเพิ่มเอาไว้ได้อีก

 

เฮนดริกตื่นเต้นมาก กับโครงสร้างสุดอลังการของเขานี้ เขาเริ่มอยากทดลองกับไวรัสจริงๆ ดูเพื่อที่จะได้รู้ว่าจะสามารถลดการติดเชื้อไวรัสได้จริงหรือไม่

ทีมของเขาพบว่าโครงสร้างกรงเปิดที่มีแอนติบอดี้เฉพาะติดอยู่ สามารถยึดเกาะและยับยั้งการติดเชื้อเข้าสู่เซลล์เพาะเลี้ยงของไวรัสตับอักเสบชนิดบี (HBV) ได้อย่างชะงัด และถ้าเปลี่ยนแอนติบอดี้ไปให้จำเพาะกับไวรัสตัวอื่นๆ ก็สามารถเอามาต่อยอดใช้ดักไวรัสตัวอื่น เช่น Adeno associated virus serotype 2 (AAV2) ได้

“แค่โครงสร้างกรงเปิดผ่าครึ่งง่ายๆ ขอแค่ขนาดพอเหมาะ เราก็เห็นความต่างที่ชัดเจนแล้วในการยับยั้งไวรัส” เฮนดริกกล่าว คำกล่าวของเขาไม่ได้เกินเลยไปจากความเป็นจริง เพราะผลการทดสอบกรงเปิดผ่าครึ่งกับ AAV2 บ่งชี้ชัดว่าโครงสร้างแบบนี้สามารถยับยั้งการติดเชื้อของไวรัสได้ดีกว่าการให้แอนติบอดี้อิสระเข้าไปในอาหารเพาะเลี้ยงเสียอีก

เฮนดริกเปิดเผยถึงแผนในอนาคต และความฝันที่อยากไปให้ถึง

สเต็ปแรกคงต้องลงทำทดลองในหนูทดลองจริงๆ เขาชื่อว่าการทำทดลองในหนูจะให้ผลออกมาตามที่คาดหวัง และเชื่อมั่นว่าจะปลอดภัยและสามารถส่งต่อมาใช้ในคนได้ในอนาคตอันใกล้

เฮนดริกจินตนาการต่อ โครงสร้างกรงดักไวรัสเวอร์ชั่นต่อไปอาจจะใส่แอนติบอดี้หรือแอปตาเมอร์หลายๆ ตัวก็ทำได้ ซึ่งจะช่วยให้กรงสามารถดักไวรัสได้ดียิ่งขึ้น หรือแม้แต่ดักได้พร้อมๆ กันหลายตัวในคราวเดียว เรียกว่ายิงปืนนัดเดียวได้นกหลายตัว

 

ซึ่งถ้าไอเดียนี้ไปถึงฝั่งฝันจะตอบโจทย์ได้ดีมากสำหรับปัญหาที่เกี่ยวกับโรคอุบัติใหม่ และโรคอุบัติซ้ำ

นอกจากนี้ ยังมีโอกาสที่จะเอามาปรับเป็นโครงสร้างเพื่อการนำส่งสารยาเข้าไปสู่เซลล์เป้าหมายอีก หรือแม้แต่เอาไปใช้เป็นวัคซีนชนิดใหม่ที่ประกอบไปด้วยกรงดีเอ็นเอที่กักเก็บเอาโปรตีนจากหลายไวรัสเอาไว้ข้างใน ทำให้สามารถกระตุ้นภูมิได้ครอบคลุมไวรัสได้หลากหลายชนิดมากกว่าเดิม ซึ่งถ้ามองเป็นกลุ่มโคโรนาอาจจะเป็นแนวๆ ไอเดียวัคซีนแพนโคโรนาอีกเวอร์ชั่นหนึ่ง

แม้เทคโนโลยีในตอนนี้จะยังไม่สุกงอม แต่เฮนดริกก็เริ่มโฆษณาแล้วว่าเทคโนโลยีของเขานั้นพร้อมต่อยอดลงทุน เพราะต้นทุนนั้นไม่ได้สูงมากจนเกินเอื้อมคว้า และน่าจะมีผลกระทบชัดเจนทั้งในทางการแพทย์และวัสดุศาสตร์

เพราะโลกตอนนี้ไปไวเกินกว่าจะรอ…!!!

 

บทความก่อนหน้านี้อ่านความเป็นไทย Thailand Pavilion ใน World Expo 2020 (2)/พื้นที่ระหว่างบรรทัด ชาตรี ประกิตนนทการ