ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

วิศวกรรมระดับจีโนม

สู่เทคโนโลยีการออกแบบเซลล์แห่งอนาคต (2)

 

“อะไรที่ผมสร้างไม่ได้ ผมยังไม่เข้าใจ” ประโยคฝากทิ้งท้ายบนกระดานดำของริชาร์ด ไฟน์แมน นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลผู้ล่วงลับไปในปี 1988 ยังคงประทับติดตราตรึงใจผู้คนมากมายจวบจนทุกวันนี้

และหนึ่งในแฟนคลับของริชาร์ด ก็คือ เจ เครก เวนเทอร์ (J. Craig Venter) CEO และผู้ก่อตั้งสถาบันวิจัย เจ เครก เวนเทอร์ (J. Craig Venter Institute) ในซานดิเอโก

ความฝันหนึ่งของเครก คือ การเข้าใจกลไกแห่งชีวิตอย่างถ่องแท้ จนถึงขนาดที่ว่าต้องสร้างขึ้นมาใหม่ได้ตามที่ออกแบบ

เครกดั้นด้นคิดค้นวิธีการสังเคราะห์จีโนมขึ้นมาด้วยวิธีทางเคมีจนเป็นผลสำเร็จ ซึ่งทำให้เขาสามารถปรับแต่งจีโนมของสิ่งมีชีวิตได้ดั่งใจ หรือแม้แต่จะสร้างสิ่งมีชีวิตชนิดใหม่ขึ้นมาเลยก็ยังได้

ในปี 2012 เขาก็ได้เปิดตัวแบคทีเรียตัวแรกที่มีสารพันธุกรรมที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นโดยมนุษย์ เขาตั้งชื่อมันว่า Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 หรือ “Synthia” เวอร์ชั่น 1.0 (Syn1.0)

Syn1.0 ประสบความสำเร็จยิ่งใหญ่ แต่สำหรับเครก Syn1.0 เป็นแค่ของก๊อบเกรด A แม้ว่าเทคโนโลยีของเครกทำให้เขาสามารถสังเคราะห์จีโนมของ Syn1.0 ได้ในแล็บโดยการสังเคราะห์ทางเคมี แต่ข้อมูลทางพันธุกรรมเกือบทั้งหมดในจีโนมนั้น เขาไม่ได้เขียนเอง แต่ก๊อบมาจากจีโนมของ Mycoplasma mycoides

เพื่อเป็นการเตือนใจ (และเป็นกิมมิกให้คนจำ) เครกเลือกจะใส่คำคมจากปราชญ์ระดับโลกหลายคนลงไปในจีโนมของ Syn1.0 และหนึ่งในคำคมที่เครกเลือกจะใส่ลงไปนั้นคือ ประโยคอมตะบนกระดานของไฟน์แมน “อะไรที่ผมสร้างไม่ได้ ผมยังไม่เข้าใจ”

เหมือนเป็นการตอกย้ำว่าแม้เครกจะสังเคราะห์จีโนมได้ตั้งแต่ต้นจนจบ แต่ถ้าให้เขียนจีโนมขึ้นมาจริงๆ เขาก็ยังทำไม่ได้ และที่เจ็บปวดที่สุด คือแม้ว่าเครกจะรู้รหัสพันธุกรรมทั้งหมด สังเคราะห์ได้ทุกเบสของทุกยีน

แต่เขาก็ยังไม่เข้าใจหน้าที่ของยีนนับร้อยตัวที่เขาสังเคราะห์ขึ้นมา

ระบบของสิ่งมีชีวิตช่างซับซ้อนอย่างที่สุด แม้ข้อมูลจีโนมจะเสร็จสิ้นสมบูรณ์ แต่การระบุบทบาทหน้าที่ของแต่ละยีนในจีโนมนั้นก็ยังไม่ใช่เรื่องที่จะทำง่าย

ในปี 2019 เบิร์นฮาร์ด พัลซ์สัน (Bernhard Palsson) นักวิจัยวิศวกรรมชีวภาพจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก (University of California San Diego) ได้เผยแพร่งานวิจัยของเขาและทีมในวารสาร Nucleic Acid Research ที่แสดงให้เห็นว่าแม้แต่จุลินทรีย์ที่นักวิทยาศาสตร์รู้จีโนมเป็นอย่างดีและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดอย่างแบคทีเรีย Escherichia coli หรือ E. coli ก็ยังมียีนอีกมากถึง 35 เปอร์เซ็นต์ ที่ไม่มีใครรู้เลยว่าทำหน้าที่อะไร

และที่สำคัญ 35 เปอร์เซ็นต์ที่ว่า ไม่มีใครรู้เลยว่ายีนไหนบ้างที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต!

ถ้ามียีนที่ไม่รู้มากถึงหนึ่งในสาม นั่นหมายความว่าความฝันที่จะสร้างชีวิตสังเคราะห์ขึ้นมาแบบเขียนจีโนมเองให้ได้นั้นแทบเป็นไปไม่ได้เลย การเข้าใจรหัสพันธุกรรมทุกสิ่งทุกอย่างที่เป็นตัวกำหนดชีวิตจนถึงขนาดเขียนขึ้นได้นั้นเป็นเรื่องใหญ่

แต่สำหรับเครก เวนเทอร์ งานนี้คืองานที่เขาพร้อมจะทุ่มชีวิต พูดได้คำเดียวว่า ต้องสำเร็จ

และเขาก็เดินมาไกลแล้วด้วย

“อยากจะตอบคำถามยิ่งใหญ่ ต้องคิดให้เล็ก” จอห์น กลาสส์ (John Glass) หัวหน้ากลุ่มวิจัยชีววิทยาสังเคราะห์ หนึ่งในนักวิจัยมือดีของเครกจากสถาบันวิจัยเจ เครก เวนเทอร์ กล่าว

จอห์นคือ หนึ่งในผู้เชี่ยวชาญอันดับต้นๆ ของโลกเกี่ยวกับแบคทีเรียไมโคพลาสมา แบคทีเรียที่เป็นต้นแบบของ Syn1.0 เขาและเครกเห็นตรงกันว่าการที่จะเข้าใจเซลล์ได้นั้นต้องสร้างเซลล์ที่ “มินิมัล” ที่สุด (minimal cell) ขึ้นมาให้ได้

ทีมของจอห์นได้พัฒนาลดขนาดจีโนมของ Syn1.0 ที่เดิมก็เล็กอยู่แล้ว ให้เป็นเวอร์ชั่น 2.0 ที่เล็กลงกว่าเดิม และเวอร์ชั่น 3.0 ที่เล็กจิ๋วที่สุด จีโนมของ Syn3.0 มีขนาดเล็กกว่าจีโนมของแบคทีเรีย E. coli ถึง 8 เท่า และมียีนเพียงแค่ 473 ยีนเท่านั้น ทำให้ Syn3.0 ได้ชื่อว่าเป็นเซลล์ที่มีจีโนมเล็กที่สุดที่มนุษย์รู้จัก

ทว่า Syn3.0 ดูจะมีปัญหาเล็กน้อยในกระบวนการแบ่งเซลล์ ทำให้เซลล์ลูกที่เกิดขึ้นนั้นมีขนาดและรูปร่างผิดเพี้ยนไปจากเซลล์ตั้งต้น จอห์นและทีมวิจัยจึงต้องย้อนกลับมาค้นดูใหม่อีกรอบ เป็นไปได้ว่าเขาได้เผลอตัดเอายีนบางตัวที่สำคัญออกไปจากจีโนมของ Syn3.0

เพื่อแก้ปัญหานี้ จอห์นได้อลิซาเบ็ธ สไตรชาลสกี้ (Elizabeth Strychalski) วิศวกรชีวภาพมือฉมังจากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (National Institute of Standards and Technology) สหรัฐอเมริกา เข้ามาช่วยปรับแต่งจนได้ Syn3A แบคทีเรียฝีมือมนุษย์ที่มีจีโนมเล็กที่สุดที่ดำรงชีวิตได้เป็นปกติ

 

ถามว่า Syn3A จัดได้ว่าเป็นเซลล์ที่มินิมัลที่สุดหรือยัง?

ในมุมมองของนักชีววิทยาสังเคราะห์ส่วนใหญ่จะยังพูดเหมือนกันว่า “ยัง”

แน่นอนว่าจอห์นและเครกก็ยังมีแผนจะเดินหน้าต่อเพื่อหาทางสร้างเซลล์เวอร์ชั่นมินิมัลที่มีจีโนมที่เรียบง่าย เพียงพอ และพอเพียง พอดีที่จะอยู่รอดและดำรงเผ่าพันธุ์ได้เป็นปกติต่อไป

แต่ในระหว่างที่กำลังเดินหน้าหาทางสร้าง Synthia เวอร์ชั่น 4 จอห์นได้เชื้อเชิญทีมวิจัยระดับโลกอีกหลายทีมมาร่วมวิจัย Syn3A อย่างทะลุปรุโปร่ง

เขาได้ร่วมก่อตั้งภาคีสร้างเซลล์ หรือ “Build-a-Cell consortium” ซึ่งเป็นภาคีงานวิจัยที่รวบรวมเอาห้องทดลองนับร้อยทั่วโลกที่มีความสนใจและจุดมุ่งหมายเหมือนๆ กันที่จะสร้างเซลล์ที่มีชีวิตขึ้นมาให้ได้จากการสังเคราะห์ด้วยฝีมือมนุษย์ในปี 2017

และหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ฝีมือดีที่เข้ามาร่วมศึกษา Syn3A ก็คือ ไซดา ลูเธย์ ชูลเทน (Zaida Luthey-Schulten) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา แชมเปญ (University of Illinois at Urbana-Champaign) ไซดาเป็นภรรยาของนักชีวฟิสิกส์ชื่อดังเคลาส์ ชูลเทน (Krause Schulten) ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา แชมเปญ (University of Illinois at Urbana-Champaign) หนึ่งในหัวหอกคนสำคัญของวงการการสร้างแบบจำลองระดับโมเลกุลในคอมพิวเตอร์ (molecular simulations)

งานวิจัยของเคลาส์จะเน้นการศึกษาอณูชีวฟิสิกส์เชิงคำนวณ (computational molecular biophysics) ซึ่งถือได้ว่าเป็นงานวิจัยแบบ bottom-up แบบจำลองของเขามักจะเน้นระบบที่เล็กและละเอียด งานของเคลาส์จะเน้นการจำลองแบบพลวัต แบบดูทีละตัว

ทีมของเคลาส์จะสร้างระบบในคอมพิวเตอร์ที่ประกอบขึ้นมาจากโปรตีนทีละตัวหรือเอนไซม์ทีละก้อนในน้ำแล้วจำลองแบบอย่างละเอียด จนสามารถวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของอะตอมทุกอะตอมในโมเลกุลเหล่านั้น (all atom simulation) ซึ่งจะช่วยให้เห็นภาพกลไกการทำงานของโปรตีน เอนไซม์ และโมเลกุลต่างๆ ในเซลล์ได้อย่างลึกซึ้ง

 

ถ้าเปรียบเซลล์เป็นเหมือนภาพจิ๊กซอว์สามมิติขนาดใหญ่ งานของเคลาส์คือการค่อยๆ สร้างชิ้นจิ๊กซอว์ความละเอียดสูง สีชัด ลายเส้นคมทีละชิ้นสำหรับจะนำมาประกอบต่อกันเป็นภาพใหญ่ (ที่ไม่รู้ว่าที่จริงหน้าตาเป็นแบบไหน) ที่จะสะท้อนกระบวนการต่างๆ ภายในเซลล์

ในขณะเดียวกัน ไซดากลับมีความสนใจแบบสลับขั้วกับสามีอย่างสิ้นเชิง งานวิจัยของเธอเป็นแบบ top down งานของเธอคือการสร้างภาพจิ๊กซอว์สามมิติให้เห็นภาพรวมทั้งภาพ แต่เป็นภาพที่ความละเอียดต่ำจนแตกกระจายแบบเห็นเป็นพิกเซลๆ ถ้านึกไม่ออกลองนึกถึงภาพจากเกม Minecraft ดู เพราะภาพเซลล์ของไซดาก็แตกเป็นพิกเซลเป็นกล่องต่อๆ กันแบบนั้นเช่นกัน

แม้จะไม่สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกอะไรได้ แต่การมองเห็นภาพรวมของเซลล์ก็ให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์ ที่ทำให้เราสามารถทำความเข้าใจเซลล์ได้แล้วมากโข อย่างน้อยก็ตำแหน่งและปริมาณภายในเซลล์ ซึ่งข้อมูลเหล่านี้ (อาจจะ) ช่วยอธิบายกลไกเบื้องหลังกระบวนการต่างๆ ของเซลล์ได้

แต่การจะสร้างแบบจำลองที่เหมือนจริง สิ่งที่ทีมไซดาต้องการคือภาพอ้างอิง ภาพเซลล์ Syn3A สามมิติที่สามารถบ่งชี้ตำแหน่งและจำนวนขององค์ประกอบทั้งหมดภายในเซลล์ที่จะทำให้ทีมงานของเธอสร้างแบบจำลองเลียนแบบขึ้นมาได้

และนั่นทำให้ไซดาระลึกถึงอลิซาเบ็ธ วิลล่า (Elizabeth Villa) นักชีวฟิสิกส์ดาวรุ่งจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก อดีตลูกศิษย์หัวแก้วหัวแหวนของเคลาส์ อลิซาเบ็ธ คือหนึ่งในนักชีววิทยาเชิงโครงสร้างที่ร่วมพัฒนาเทคนิคการสไลด์เซลล์ด้วยเลเซอร์เป็นแผ่นบางๆ ด้วยเทคนิคที่เรียกว่า Ion beam milling เพื่อประยุกต์ใช้ในการหาโครงสร้างสามมิติของเซลล์ที่ความละเอียดสูงด้วยเทคนิค electron cryotomography หรือ cryoET ซึ่งถ้าเปรียบก็เหมือนเอาเซลล์มาทำ CT scan ที่ความละเอียดสูงมาก จนสามารถมองเข้าไปเห็นโมเลกุลต่างๆ กระจายอยู่ภายในเซลล์ได้อย่างทะลุปรุโปร่ง

และเมื่อได้รับการติดต่อ อลิซาเบ็ธก็ตอบตกลงแทบจะในทันที

 

Syn3A ถูกเฉือนและส่องอย่างรวดเร็ว ไม่ช้าไม่นาน โครงสร้างสามมิติความละเอียดสูงของเซลล์ Syn3A ก็ถูกสร้างขึ้นมาในคอมพิวเตอร์ด้วย cryoET โครงสร้างนี้ได้กลายเป็นแผนที่ที่ช่วยให้ทีมไซดาสามารถสร้างแบบจำลองสามมิติระดับเซลล์ขึ้นมาได้สำเร็จ แม้จะไม่ได้ละเอียดถึงขนาดเห็นได้ทุกอะตอม ความละเอียดจริงๆ อาจจะดูดีกว่า Minecraft นิดหนึ่ง แต่ทุกองค์ประกอบที่ต้องมีคือมีครบ และกระจายอยู่ในตำแหน่งที่ควรจะเป็นอย่างแม่นยำ

และเมื่อไซดาเริ่มการคำนวณพฤติกรรมต่างๆ จากแบบจำลองเซลล์ Syn3A ของเธอ ผลลัพท์ที่ได้ก็น่าตื่นเต้น

ทุกการทำนาย ทุกการคำนวณดูจะสะท้อนถึงสิ่งที่เกิดขึ้นจริงภายในเซลล์ของ Syn3A จริงๆ ทั้งในแง่ของจำนวนของโปรตีนที่ถูกสร้างขึ้น กระบวนการรีไซเคิลอาร์เอ็นเอ ไปจนถึงระยะการเจริญของเซลล์

“เราได้พัฒนาแบบจำลองจลนศาสตร์และพลศาสตร์สามมิติของเซลล์ที่เรียบง่ายและมีชีวิต แบบจำลองของเราได้เปิดประตูสู่การทำงานภายในของเซลล์ ให้เราได้เห็นว่าองค์ประกอบต่างๆ มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร และเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรบ้างเพื่อตอบสนองกับสัญญาณกระตุ้นจากทั้งภายในและภายนอก แบบจำลองนี้ และอันอื่นๆ ที่ซับซ้อนกว่านี้ที่กำลังจะมาจะช่วยให้เราเข้าใจหลักการพื้นฐานของชีวิต” ไซดากล่าว

และเพื่อทดสอบว่าแบบจำลองนั้นเหมือนจริงแค่ไหน

ไซดากับจอห์นจึงร่วมมือกัน ไซดาได้สั่งให้นักวิจัยของเธอลองใส่ยีนสร้างเอนไซม์ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนส (pyruvate dehydrogenase) ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ช่วยในการหายใจระดับเซลล์ เพิ่มเข้าไปสองยีนในแบบจำลองเซลล์ Syn3A ของเธอ

หลังจากการคำนวณ แบบจำลองของเธอทำนายว่าเซลล์ที่ได้รับยีนเพิ่มเข้าไปจะแบ่งเซลล์เร็วขึ้น 13 เปอร์เซ็นต์

ซึ่งน่าตื่นเต้นมาก เพราะการทดลองใส่ยีนทั้งสองเข้าไปในเซลล์ Syn3A จริงๆ โดยแอนดราส์ คุก (Andras Cook) นักวิจัยจากทีมวิจัยของจอห์นก็ให้ผลแบบเดียวกัน อัตราเร็วของการแบ่งเซลล์ของเซลล์ Syn3A ปกตินั้นจะอยู่ราวๆ 120 นาที แต่ในเซลล์ที่ถูกปรับแต่งนั้น การแบ่งเซลล์เกิดขึ้นสมบูรณ์เสร็จสิ้นภายใน 105 นาที และถ้าคำนวณย้อนดีๆ ก็คือ 12 เปอร์เซ็นต์

ชัดเจนว่าแบบจำลองของไซดาแม่นยำจนน่าขนลุก! ในเวลานี้ทีมวิจัยทั้งของจอห์นและไซดากำลังทดสอบความเหมือนจริงของแบบจำลองเพิ่มเติมอยู่ คงอีกไม่นานเราคงได้รู้ว่า เซลล์ในคอมพ์จะเหมือนกับเซลล์ในธรรมชาติได้มากแค่ไหน แต่สิ่งที่ต้องคำนึงถึงในตอนนี้คือ ถ้าสิ่งที่ภาคีคาดหวังทำได้จริงเมื่อไร จะเกิดอะไรขึ้นบ้าง

อย่าลืมว่าเมื่อใดที่มนุษย์สามารถออกแบบเสกสรรค์เซลล์สิ่งมีชีวิตได้ดั่งใจ เมื่อนั้น มนุษย์จะเล่นบทพระเจ้า และนั่นอาจจะเป็นจุดเริ่มต้นใหม่ของซิงกูลาริตี้ทางเทคโนโลยีที่น่าจับตามองที่สุดของยุคนี้!