ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

วิศวกรรมระดับจีโนม

สู่เทคโนโลยีการออกแบบเซลล์แห่งอนาคต (3)

 

ในปี 2002 นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยรัฐนิวยอร์กที่สโตนีบรูก (State University of New York Strony Brook) เปิดตัววิธีการสังเคราะห์จีโนมของไวรัสโปลิโอด้วยกระบวนการทางเคมีจากรหัสพันธุกรรมที่ดาวน์โหลดมาจากฐานข้อมูลออนไลน์ ในวารสาร Science

แค่มีข้อมูลครบ ทีมวิจัยก็สามารถจัดให้ได้จนจบ เป็นสารพันธุกรรมไวรัสทั้งตัวได้ และพอเอาไปใส่เข้าไปในเซลล์ สารพันธุกรรมที่ว่าได้ให้กำเนิดลูกหลานไวรัสโปลิโอที่ติดเชื้อได้ออกมาเต็มไปหมด ตั้งแต่ก่อนที่โครงการจีโนมมนุษย์จะสำเร็จเสร็จสิ้นเสียด้วยซ้ำ

งานวิจัยนี้สร้างแรงกระเพื่อมใหญ่หลวง เรียกว่าสั่นสะเทือนไปทั้งวงการอณูชีววิทยา

“คุณสร้างไวรัสอะไรก็ได้จากข้อมูลสาธารณะ” เอคคาร์ด วิมเมอร์ (Eckard Wimmer) หัวหน้าทีมวิจัยไวรัสโปลิโอเปิดประเด็น และเพื่อตอกย้ำความดราม่า เอคคาร์ดยังเผยต่ออีกว่า “ในเวลานี้ รหัสพันธุกรรมของไวรัสอีโบลา หวัด ไข้ทรพิษ เอดส์ และอีกสารพัดสารพันนั้นเปิดให้เข้าถึงได้อย่างอิสระในอินเตอร์เน็ต”

ประเด็นของเอคคาร์ดทำให้ผู้คนเริ่มถกเถียงถึงว่า ความสำคัญในการเข้าถึงข้อมูลทางชีววิทยาที่เซนซิทีฟอย่างจีโนมของเชื้อก่อโรครุนแรงผ่านอินเตอร์เน็ตนั้น จำเป็นหรือไม่สำหรับการก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ และมันจะปลอดภัยจริงหรือ ถ้าปล่อยใครไม่รู้มาโหลดไปใช้ได้ตามใจ

“แต่นี่ไม่ใช่อะไรที่จะทำได้ในครัวเรือน” นีล เบอร์รี (Neil Berry) ผู้เชี่ยวชาญไวรัสเอดส์จากสถาบันมาตรฐานและการควบคุมทางชีวภาพแห่งชาติ (National Institute for Biological Standards and Control) ประเทศอังกฤษแย้ง ซึ่งโอเลน คิว (Olen Kew) นักวิจัยไวรัสจากศูนย์ควบคุมโรค สหรัฐอเมริกา (US Center for Disease Control) ก็เห็นด้วย “ยากมหาหินแน่นอน ถ้าจะทำ (การทดลอง) แบบเดียวกันนี้กับไวรัสอื่นที่มีขนาดใหญ่กว่านี้”

แต่จะเสี่ยงแค่ไหน และจะต้องมานั่งประเมินความเสี่ยงอีกรอบหรือไม่ หลังจากที่เทคโนโลยีการเขียนดีเอ็นเอได้พัฒนาอย่างต่อเนื่องมาอีกสองทศวรรษ นั่นไม่ใช่ประเด็น เพราะงานวิจัยสังเคราะห์จีโนมโปลิโอในหลอดทดลองกลายเป็นหนึ่งในงานวิจัยพิสูจน์หลักการ (proof of concept) บ่งชี้ชัดว่า การสร้างสิ่งมีชีวิตขึ้นมาจากจีโนมสังเคราะห์นั้น เป็นไปได้

และนั่นทำให้ทีมวิจัยมากมาย หันมาสนใจศึกษาเทคนิควิศวกรรมจีโนม รวมถึงการสร้างจีโนมสังเคราะห์ขึ้นมาทางเคมี และหนึ่งหัวหอกสำคัญในวงการนี้ก็คือ เจฟ โบเกอ (Jef Boeke) จากมหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกินส์ (Johns Hopkins University) (ปัจจุบัน เจฟย้ายไปอยู่ศูนย์การแพทย์แลงกอน มหาวิทยาลัยนิวยอร์ก (NYU Langone Medical Center))

ในขณะที่เครก เวนเทอร์ (Craig Ventor) พยายามที่จะหาทางสังเคราะห์จีโนมที่เล็กและเรียบง่ายที่สุดของสิ่งมีชีวิต อย่างแบคทีเรียไมโคพลาสมา ที่มียีนเพียงแค่ราวๆ 500 ยีน เจฟพยายามอย่างมากที่จะพัฒนาวิธีการสังเคราะห์จีโนมของสิ่งมีชีวิตจำพวกยูคาริโอต (eukaryote) ที่มีโครงสร้างภายในเซลล์และโครงสร้างทางพันธุกรรมที่ซับซ้อนกว่าแบคทีเรียมาก สิ่งมีชีวิตที่เจฟสนใจจะสร้างจีโนมขึ้นมาใหม่ ก็คือ ยีสต์ขนมปัง (Saccharomyces cerevisiae)

เจฟเรียกโปรเจ็กต์ของเขาว่า Sc2.0 หรือถ้าจะแปลไทยก็น่าจะเป็น “ยีสต์ขนมปัง 2.0”

ยีสต์ขนมปังมีจีโนมขนาดใหญ่ถึง 12 ล้านเบส ใหญ่กว่าแบคทีเรียไมโคพลาสมาที่เครกสังเคราะห์ถึงเกือบ 25 เท่า แยกเป็นโครโมโซม 16 แท่ง และมียีนมากถึงราวๆ 6,000 ยีน

โครงการ Sc2.0 ของเจฟต้องการที่สร้างยีสต์เวอร์ชั่นใหม่ที่มีจีโนมที่กระชับ ไร้ซึ่งรหัสพันธุกรรมที่ซ้ำซ้อนและไม่จำเป็น โดยการออกแบบจีโนมเสียใหม่แบบ bottom-up ไปเรื่อยๆ ทีละน้อยๆ ในแต่ละโครโมโซม ซึ่งชิ้นดีเอ็นเอสังเคราะห์ที่เขาออกแบบมาเพื่อสลับสับเปลี่ยนกับโครโมโซมของยีสต์นั้นจะมีความยาวไม่เกินชิ้นละสามหมื่นเบส

ซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่พบในชิ้นดีเอ็นเอพวกนี้ จะถูกออกแบบมาให้ไม่ส่งผลกระทบอะไรกับลักษณะ (phenotype) การอยู่รอด (fitness) และพฤติกรรม (behavior) ของยีสต์

“หลักสำคัญในการออกแบบของเรา ก็คือ จะไม่พยายามที่จะสร้างความเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่มีโอกาสจะส่งผลเชิงลบต่อการอยู่รอด เพราะผลลัพธ์สะสมของการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยอาจจะส่งผลให้ยีสต์อยู่รอดได้ไม่นาอาจจะแบ่งเซลล์ได้แค่เพียงไม่กี่ครั้ง” เจฟเผย

 

กลยุทธ์แบบค่อยเป็นค่อยไปทีละขั้นเช่นนี้ ถือว่าแยบคาย เพราะจีโนมยีสต์ใหญ่มาก ถ้าเปลี่ยนทีทั้งจีโนมแบบที่เครกทำ – เจฟเรียกกลยุทธ์ของเครกว่า กลยุทธ์โฮมรัน (home-run strategy) คือเล่นใหญ่ เห็นผลชัด – แล้วผลออกมาอธิบายไม่ได้ คือ งานเข้าของแท้ เพราะว่าถ้าเปลี่ยนทีละมากๆ จะมีจุดที่อาจจะเพี้ยนได้หลายจุด แล้วผลที่ได้คือ เซลล์พัง ตาย หรือแบ่งเซลล์ได้ช้าลง และอาจจะไม่รู้ว่าจุดไหนที่เปลี่ยนไป แล้วทำให้พัง

วิธีการของเจฟ นอกจากจะติดตามได้ง่ายแล้ว ยังลงทุนถูกด้วย ลงทุนแค่ทีละสามหมื่นเบส ถ้าเปลี่ยนแล้วเสีย ก็ออกแบบสังเคราะห์แก้ แค่ชิ้นนิดเดียว ไม่จำเป็นต้องสิ้นเปลืองต้นทุนไปไล่ตามหา ว่ายีนไหนหรือชิ้นส่วนไหนที่เปลี่ยนไปแล้วเกิดปัญหาเหมือนกับตอนที่อลิซาเบ็ธ สไตรชาลสกี้ (Elizabeth Strychalski) เสียเวลาไปกับ Syn3.0 (ที่เล่าไปในตอนก่อน)

และที่ชาญฉลาดยิ่งไปกว่านั้นคือ ในปี 2007 เจฟได้เปิดคอร์ส “Build-a-Genome” หรือเรียกสั้นๆ ว่า B-A-G เป็นวิชาเรียน 4 หน่วยกิต ที่มหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกินส์ ให้นักเรียน นักศึกษาและผู้สนใจมาลงทะเบียนเรียนได้เทอมละราวๆ 20 คน

B-A-G มีทั้งพาร์ตเล็กเชอร์ ที่จะเน้นหลักการทางอณูชีววิทยาและชีววิทยาสังเคราะห์ที่สอดแทรกมุมมองผู้ประกอบการเข้าไปด้วย พาร์ตชีวสารสนเทศศาสตร์ (bioinformatics) ที่นักศึกษาจะได้เรียนเกี่ยวกับการออกแบบและปรับปรุงจีโนมยีสต์แบบจริงจังในคอมพิวเตอร์ รวมถึงบู๊ตแคมป์ (boot-camp) ที่นักศึกษาจะต้องลงมือทดลองจริงในแลบ 15-20 ชั่วโมงต่อสัปดาห์ เพื่อออกแบบและสังเคราะห์ชิ้นส่วนดีเอ็นเอของจีโนมยีสต์สังเคราะห์สายสั้นๆ ราวๆ 10,000 เบสที่ถูกต้อง แม่นยำ และใช้ได้จริงในโปรเจ็กต์ Sc2.0

และแม้ว่าในเวลานี้ เจฟ จะไม่ได้อยู่ที่จอห์นส์ ฮอปกินส์แล้ว แต่คอร์ส B-A-G ก็ยังคงอยู่ ที่จริงแล้ว เจริญรุ่งเรืองมากจนมีแฟรนไชส์กระจายสอนในหลายสถาบันทั้งในประเทศสหรัฐอเมริกา อาทิ มหาวิทยาลัยนิวยอร์ก (New York University) มหาวิทยาลัยลาโยลา (Layola University) มหาวิทยาลัยนอร์ธ แคโรไลนา (North Carolina University) วิทยาลัยฮาร์ตวิก (Hartwick College) และในประเทศจีน เช่น ที่มหาวิทยาลัยเทียนจิน (Tianjin University)

เรียกว่ายิงปืนนัดเดียวได้นกสองตัว คือ ได้ทั้งผลงานวิจัยและได้ทั้งสร้างคน เจฟเผยว่าคอร์ส B-A-G นี้ได้สร้างนักชีววิทยาสังเคราะห์มาแล้วนับร้อยในหลายประเทศ แบบจัดหนัก จัดเต็ม

ความสำเร็จของคอร์ส B-A-G คือ แรงผลักดันที่ทำให้โครงการ Sc2.0 เริ่มโด่งดังและเป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์มากหน้าหลายตาจนกลายมาเป็นความร่วมมือระดับนานาชาติ ที่มีนักวิจัยปวารณาตัวเข้าร่วมหัวจมท้ายด้วยจาก 11 มหาวิทยาลัย ใน 5 ประเทศ เพื่อสร้างจีโนมสังเคราะห์ของยีสต์ที่ออกแบบในคอมพิวเตอร์ให้สำเร็จให้ได้

 

และในปี 2017 เจฟและทีมงานจากมหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกินส์ ก็ได้สร้างยีสต์เวอร์ชั่น 2.0 ที่ประกอบไปด้วยโครโมโซมสังเคราะห์มากถึง 6 แท่งขึ้นมาได้สำเร็จ และได้เผยแพร่ผลงานวิจัยออกมาในวารสาร Science

จีโนมยีสต์เวอร์ชั่นใหม่นี้ มีขนาดเล็กกว่าจีโนมของยีสต์ขนมปังทั่วไปถึง 8 เปอร์เซ็นต์ และมีการแก้ไขอย่างมหาศาลถึงราวๆ 1.1 ล้านเบส มีการจัดเรียงลำดับยีนใหม่ ย้ายยีนสร้าง tRNA ไปอยู่บนโครโมโซมใหม่ (neochromosome) ลบบริเวณของดีเอ็นเอที่ซ้ำซ้อนและไม่สำคัญออก เปลี่ยนรหัสหยุดการสร้างโปรตีน (Stop codon) ที่เคยเป็น TAG ให้กลายเป็น TAA ทั้งหมด อีกทั้งยังวางระบบในการแก้ไขยีนและการเหนี่ยวนำวิวัฒนาการโดยการเติมส่วนของดีเอ็นเอที่เรียกว่า loxPsym

อย่างที่บอกไปก่อนหน้านี้ เจฟเน้นย้ำมากว่า หลักที่เขาใช้การออกแบบจีโนมยีสต์ขนมปังเวอร์ชั่น 2.0 นี้จะเน้นแนวมินิมัลที่ไม่ส่งผลต่อการอยู่รอด เพื่อให้ชัดเจนว่าสายพันธุ์ยีสต์ที่ดีไซน์ได้มานั้นจะไม่ตายหรือค่อยๆ ตายหายไปในไม่กี่รุ่น แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเขาจะไม่สนใจในแง่ของความหลากหลายของจีโนม และการเติมลำดับดีเอ็นเอ loxPsym เข้าไปคือกุญแจสำคัญที่ช่วยให้เขาสามารถเหนี่ยวนำวิวัฒนาการและสร้างความหลากหลายของจีโนมยีสต์สังเคราะห์ได้ดังประสงค์

และในปี 2018 เจฟและทีมก็ได้พัฒนาเทคนิคการเหนี่ยวนำการวิวัฒนาการในหลอดทดลองขึ้นมาเรียกว่า “Synthetic Chromosome Rearrangement and Modification by loxP-mediated Evolution” ที่เขาเรียกสั้นๆ ว่า SCRaMbLE

เทคนิค SCRaMble นี้จะช่วยให้เขาสร้างยีสต์สังเคราะห์ที่มีจีโนมผิดเพี้ยนไปแบบแปลกๆ แต่ไม่ตายขึ้นมาได้มากมาย ซึ่งอาจจะนำไปสู่สายพันธุ์ยีสต์เจ๋งๆ ที่อาจมีประโยชน์ในเชิงอุตสาหกรรม เช่น ยีสต์ที่สามารถโตได้ในน้ำตาลแปลกๆ เช่น ไซโลส หรือยีสต์ที่สามารถผลิตสารออกฤทธิ์ อย่างเช่น ยาปฏิชีวนะเพนนิซิลินได้ ไปจนถึงยีสต์เจเนอเรชั่นใหม่ที่สามารถผลิตเชื้อเพลิงได้ในปริมาณมาก

แม้ว่าตอนนี้ โครงการยีสต์สังเคราะห์ ยังไม่สมบูรณ์ แต่ทางทีมวาดหวังไว้ว่าอีกไม่นาน ยีสต์สังเคราะห์เวอร์ชั่น 3.0 จะสำเร็จลุล่วง และคราวนี้จะไม่ใช่แค่บางส่วนของจีโนมที่ถูกสังเคราะห์มาเหมือนเวอร์ชั่น 2.0 แต่จะเป็นทั้ง 16 โครโมโซม! (ตอนแรก โครงการนี้กะว่าจะปิดจ๊อบเรียบร้อยในปลายปี 2020 แต่ตอนนี้ล่าช้ากว่ากำหนด)

ส่วนคำถามที่ว่า จีโนมยีสต์สังเคราะห์จะมาแรงและพลิกโฉมวงการเทคโนโลยีชีวภาพไปมากแค่ไหนนั้น คงต้องรอดูต่อไป…