ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

วิศวกรรมไมโครไบโอตา

: เทคโนโลยีการแก้ไขสังคมจุลินทรีย์

 

ไฟร้ายจากโควิดยังไม่จาง แต่มหันภัยอีกอย่างกำลังมา!

หนึ่งในความท้าทายระดับโลก (global challenge) ที่หลายประเทศกำลังพยายามหาทางจัดการก็คือปัญหาเชื้อแบคทีเรียดื้อยา (antimicrobial resistance)

ดูเหมือนว่ายิ่งยาปฏิชีวนะได้รับความนิยมมากขึ้น โอกาสที่จะพบเชื้อดื้อยาก็เพิ่มทวีสูงขึ้นเท่านั้น เพราะยิ่งมีการใช้ยาเยอะ โอกาสในการรั่วไหลของยาออกสู่สิ่งแวดล้อมก็จะยิ่งเพิ่มสูงขึ้น ที่สำคัญ ผู้ป่วยบางคนใช้ยาอย่างพร่ำเพรื่อ แถมในภาคการเกษตรยังมีการเอายาปฏิชีวนะไปใช้ในการเลี้ยงสัตว์เศรษฐกิจ หรือแม้แต่เอาไปฉีดเข้าต้นพืชเพื่อกันโรค ซึ่งทำให้ตัวยากระจายไปทั่วในสิ่งแวดล้อม

และเมื่อมีการกระจายปนเปื้อน แบคทีเรียและจุลินทรีย์ในธรรมชาติก็จะโดนอานิสงส์ของฤทธิ์ยาไปด้วยตามระเบียบ มากบ้าง น้อยบ้าง แล้วแต่พื้นที่

สำหรับพวกที่โดนหนักและตายสิ้น อันนี้ไม่ใช่ปัญหา

แต่พวกที่โดนบ้าง เจ็บจริงแต่ยังไม่ถึงตาย พวกนี้น่ากลัว เพราะคำกล่าวที่ว่า “อะไรที่ไม่ฆ่าคุณ จะทำให้คุณแข็งแกร่งขึ้น” นั้นใช้ได้ในกรณีนี้

โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพวกแบคทีเรียและจุลินทรีย์ที่ถ้าได้รับยาเป็นเวลานาน จะตายก็ไม่ตาย จะโตก็ไม่ค่อยโต แต่ถ้ามันแบ่งเซลล์ออกลูกออกหลานได้ ลูกหลานบางเซลล์ก็อาจจะเกิดการสะสมการกลายพันธุ์จนอุบัติเป็นสายพันธุ์ดื้อยาที่ขึ้นมาได้

สายพันธุ์พวกนี้ บางตัวสามารถดื้อยาได้แทบทุกขนาน จนได้ชื่อว่าเป็น ซูเปอร์บั๊ก (superbug)

ซูเปอร์บั๊ก เป็นปัญหาสาธารณสุขสำคัญของทุกประเทศ เพราะถ้ายาใช้ไม่ได้สักขนาน ติดเชื้อเมื่อไร โอกาสรอดคงยาก

ในปัจจุบัน มีหลายเทคโนโลยีที่น่าสนใจในการควบคุมและบรรเทาการติดเชื้อแบคทีเรียดื้อยา ส่วนใหญ่จะเป็นการควบคุมโดยชีววิธี อาทิ ใช้ไวรัสฆ่าแบคทีเรียที่เรียกว่าแบคเทริโอเฟจ (bacteriophage) มาฆ่าซูเปอร์บั๊ก หรือใช้สังคมแบคทีเรียในร่างกายที่เรียกว่าไมโครไบโอตาเป็นตัวคุมเกมคอยกดไม่ให้พวกซูเปอร์บั๊กโต

และถ้ามองในภาพใหญ่ สังคมจุลินทรีย์ไม่ได้มีแค่ในร่างกาย แต่ในสิ่งแวดล้อมก็ใช่ด้วย การควบคุมการกระจายของซูเปอร์บั๊กจึงเป็นอะไรที่ต้องมองทั้งภาพเล็กในระดับบุคคล และภาพใหญ่ในระดับนิเวศน์

จินตนาการว่าถ้าโครงสร้างในสังคม (ของจุลินทรีย์) มันดี มีแต่จุลินทรีย์ที่ดี ที่คอยควบคุมหรือกดให้จุลินทรีย์ไม่ดีให้ไม่มีโอกาสได้เติบโตสร้างปัญหา ไม่ว่าจะอยู่ในร่างกาย หรือในสิ่งแวดล้อม ปัญหาก็จะไม่เกิด

แต่คำถามคือโครงสร้างสังคม แบบไหนจึงจะเรียกว่าดี และแบบไหนจึงจะเรียกว่าไม่ดี?

ประเด็นนี้ตอบยาก เพราะแค่การศึกษาโครงสร้างของสังคมจุลินทรีย์นั้นก็ไม่ใช่เรื่องง่ายแล้ว เพราะไม่ใช่ว่าจุลินทรีย์ทุกตัวจากร่างกาย หรือสิ่งแวดล้อมจะสามารถนำมาเพาะเลี้ยงขึ้นได้ในห้องทดลอง บางชนิดต้องการสารอาหารจำเพาะ บางชนิดจำเป็นต้องอยู่อาศัยดำรงชีวิตร่วมกับแบคทีเรียอื่นๆ แบบพึ่งพากันและกัน

ด้วยเหตุนี้ การเข้าใจสังคมของจุลินทรีย์จึงถือเป็นงานที่ยากมหาหิน

เพราะที่จริงแล้ว ไม่ว่าจะพยายามถึงเพียงไร นักวิจัยก็ยังสามารถเพาะเลี้ยงแบคทีเรียจากธรรมชาติได้ในห้องทดลองได้เพียงหยิบมือ แค่ไม่ถึง 1 เปอร์เซ็นต์ของจุลินทรีย์ทั้งหมด

ซึ่ง 1 เปอร์เซ็นต์ ถ้านับจริงๆ ก็ต้องบอกว่าเป็นส่วนน้อยในสังคม และอาจจะไม่สามารถสะท้อนให้เห็นถึงโครงสร้างในสังคมที่แท้จริงด้วย

 

จิลเลี่ยน แบนฟิลด์ (Jill Banfield) นักวิจัยจุลชีววิทยาธรณีจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์ (Lawrence Berkeley National Laboratory) และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (University of California Berkeley) มองเรื่องนี้เป็นความท้าทาย โดยส่วนตัว จิลให้ความสนใจกับสังคมของจุลินทรีย์เป็นพิเศษ เธอคือหนึ่งในผู้บุกเบิกเทคนิคเพื่อหาลำดับของดีเอ็นเอในสังคมจุลินทรีย์ในสิ่งแวดล้อม (community sequencing) ที่เรียกว่า “เมตาจีโนมิกส์ (metagenomics)”

จิลได้ตะลุยร่วมผลักดันและพัฒนาเทคนิคเมตาจีโนมิกส์นี้มานานถึง 15 ปีแล้ว

สิ่งที่เมตาจีโนมิกส์ให้ก็คือแหล่งข้อมูลทางพันธุกรรมของสังคมจุลินทรีย์จริงๆ ที่ไปเก็บมาจากธรรมชาติ และไม่สำคัญว่าเชื้อจะสามารถเลี้ยงให้เติบโตหรือไม่ในจานเพาะเลี้ยง ตราบใดที่มีดีเอ็นเอของเชื้ออยู่ ข้อมูลสารพันธุกรรมของพวกมันก็จะยังคงอยู่ด้วยเช่นกัน การมีอยู่ของดีเอ็นเอนี้ทำให้การทำฐานข้อมูลลำดับพันธุกรรมของจุลินทรีย์ทั้งหมดที่พบในสิ่งแวดล้อมนั้นเกิดขึ้นได้

และถ้ามองว่าข้อมูลที่ได้จากเมตาจีโนมิกส์นั้นคือข้อมูลพันธุกรรมทั้งหมดของทั้งพวกที่เลี้ยงได้ 1 เปอร์เซ็นต์ และพวกที่เลี้ยงไม่ขึ้นอีก 99 เปอร์เซ็นต์

นั่นหมายความว่าในแหล่งข้อมูลนี้ ยังมีอะไรอีกมากมายที่เราไม่รู้ ซึ่งข้อมูลที่ได้จากพวก 99 เปอร์เซ็นต์นั้นรวมถึงจีโนมของเชื้อจุลินทรีย์ที่เราไม่รู้จักมาก่อน ยีนใหม่ๆ แปลกๆ ที่อาจจะมีประโยชน์ โปรตีนที่สามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีที่เราไม่รู้จัก สารออกฤทธิ์ใหม่ๆ ที่อาจจะมีประโยชน์ในการรักษาโรคแปลกๆ หรือแม้แต่ยาปฏิชีวนะใหม่ๆ ที่มาจากเชื้อที่เราไม่เคยเลี้ยงได้และอาจไม่เคยรู้จักมาก่อนเลยก็เป็นได้

 

“ในมุมของระบบนิเวศน์โลก เมตาโบลิซึ่มของสัตว์นั้นเป็นเรื่องที่น่าเบื่อ พวกสัตว์ก็แค่กินแล้วก็หายใจเข้าไปก็แค่นั้น แต่พวกสิ่งมีชีวิตขนาดจิ๋วสามารถมีการเผาผลาญพลังงานที่แปลกและหลากหลายอย่างไม่น่าเชื่อ พวกมันคือกลจักรสำคัญที่ทำให้การหมุนเวียนสารอาหารในโลกนั้นเกิดขึ้นได้ จุลินทรีย์บางชนิดอาจจะมีความสามารถในการสลายก๊าซมีเทนที่เป็นก๊าซเรือนกระจก ในขณะที่บางชนิดอาจจะสามารถเปลี่ยนไนโตรเจนในดินให้อยู่ในรูปแบบที่พืชสามารถเอาไปใช้ต่อได้ และถ้าเรารู้จักกับพวกมันให้ดีกว่านี้ เราก็อาจจะใช้ลองพิจารณาเอาความสามารถแปลกๆ ในการย่อยสลายสารแปลกๆ ของพวกมันมาใช้เพื่อลดก๊าซเรือนกระจก ปรับปรุงคุณภาพดิน ลดต้นทุนการทำฟาร์ม หรือแม้แต่เอามาจับคาร์บอนออกจากชั้นบรรยากาศ หรืออาจจะเอามาทำอะไรที่มากกว่านั้นก็ยังเป็นไปได้” สเปนเซอร์ ไดมอนด์ (Spencer Diamond) นักวิจัยหลังปริญญาเอกหนุ่มจากทีมจิล ผู้มีเคราอันดกดำกล่าว

ในปี 2019 สเปนเซอร์ได้ประกอบร่างข้อมูลพันธุกรรมนับหมื่นจีโนม จากสิ่งมีชีวิตกว่าแปดร้อยสายพันธุ์จากดินที่เก็บมาจากทุ่งหญ้าทางตอนเหนือของแคลิฟอร์เนีย

ในมุมของสเปนเซอร์ เขามองว่าแม้ในเวลานี้เราจะสามารถนำเอาเมตาจีโนมิกส์มาใช้เพื่อจำแนกชนิด ไปจนถึงระบุบทบาทของจุลินทรีย์ที่พวกเขาสนใจว่ากำลังทำอะไรอยู่ในสิ่งแวดล้อมได้ค่อนข้างชัดเจน แต่เราก็ทำได้แค่นั้น ได้แค่ข้อมูล ยังทำการทดลองเพื่อพิสูจน์อะไรเป็นชิ้นเป็นอันไม่ได้

“เรายังแค่ทำตัวเหมือนนักสำรวจธรรมชาติ แค่ไปที่สิ่งแวดล้อมที่เราสนใจแล้วก็หาว่าเกิดอะไรขึ้นในสิ่งแวดล้อมนั้น” สเปนเซอร์กล่าว เขาอยากศึกษาให้รู้จริงว่ามันมีอะไรเกิดขึ้นบ้างกันแน่ในสังคมของจุลินทรีย์ในธรรมชาติที่เขาไปเก็บมา

สเปนเซอร์ไม่อยากจะเป็นแค่นักสำรวจอีกต่อไป แต่อยากทดลองอะไรกับสังคมจุลินทรีย์ด้วย แต่ปัญหาก็คือถ้าเลี้ยงยังไงก็ไม่ขึ้น แล้วจะหาวิธีทดลองกันยังไงดี

 

สเปนเซอร์เริ่มคิดถึงเทคโนโลยีการแก้ไขจีโนม CRISPR/Cas9 และความเป็นไปได้ที่จะเอาเทคโนโลยี CRISPR มาใช้เพื่อแก้ไขยีนในระดับสังคม (community editing) เขาเริ่มปรึกษาจิล และกระตุ้นให้จิลตื่นเต้น

และเมื่อจิลสนใจ เธอจึงเริ่มคิดที่จะหาผู้เชี่ยวชาญในเทคโนโลยีมาร่วมงานด้วย ไม่กี่วันต่อมา จิลก็เริ่มแลกเปลี่ยนไอเดียกับเจนนิเฟอร์ ดาอ์ดนา (Jennifer Doudna) นักอณูชีววิทยารางวัลโนเบล ที่เป็นหนึ่งในผู้ที่คิดค้นเทคโนโลยีการแก้ไขจีโนมด้วย CRISPR/Cas9 ซึ่งก็ทำงานอยู่ที่เบิร์กลีย์ด้วยเช่นกัน

เจนนิเฟอร์ตอบตกลง ก่อนจะมอบหมายนักวิจัยหลังปริญญาเอกในทีมของเธอ 2 คน เบนจามิน รูบิน (Benjamin Rubin) และแบรดี เครสส์ (Brady Cress) ให้ทำหน้าที่ในการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ขึ้นมาให้สำเร็จ

ทีมสามหนุ่ม สเปนเซอร์ เบนจามิน และแบรดีจึงได้เริ่มรวมตัว เปิดวงสนทนา พวกเขาไม่ได้มองไปที่ CRISPR/Cas9 ที่เป็นเอนไซม์หลักที่ดาอ์ดนาค้นพบ แต่กลับไปสนใจเอนไซม์แก้ไขพันธุกรรมอีกกลุ่มที่เรียกว่า Cascade (ซึ่งประกอบไปด้วยโปรตีน Cas อีกสามตัว คือ Cas6 Cas7 และ Cas8)

Cascade จะต่างกับ Cas9 ตรงที่ Cascade แม้จะเข้าไปจับกับดีเอ็นเอเป้าหมายที่มีลำดับตรงกับอาร์เอ็นเอไกด์ (Guide RNA) ได้เช่นเดียวกับ Cas9 แต่ Cascade จะไม่ตัดดีเอ็นเอเป้าหมาย แต่จะเข้าจับกับเอนไซม์ทรานสโพเซส (transposase) ที่จะการสอดแทรกยีนปรสิตที่เรียกว่าทรานสโพซอน (transposon) หรือยีนโดด (Jumping gene) เข้าไปในจีโนมตรงตำแหน่งจำเพาะที่ Cascade จับ และเมื่อไม่มีการตัดดีเอ็นเอ ก็เป็นไปได้ว่า Cascade อาจจะทำงานได้แม่นยำกว่า Cas9

เมื่อคิดได้แล้ว ว่าจะใช้ Cascade สามหนุ่มสามมุมก็แยกทีม

เบนจามินกับสเปนเซอร์ไปพัฒนากรรมวิธีในการระบุว่าแบคทีเรียชนิดไหนบ้างที่จะโดนแก้ไขจีโนมได้ และจีโนมแบบไหนที่จะไม่โดนแก้

และในเมื่อรู้ว่าการทำงานของเอนไซม์ตระกูล Cascade นั้นจำเป็นต้องใช้ทรานสโพเสส เบนจามินกับสเปนเซอร์เลยทดลองพัฒนาเทคนิค ET-Seq หรือ Environmental Transformation Sequencing เพื่อทดลองกระตุ้นการแทรกทรานสโพซอนเข้าไปในจีโนมของแบคทีเรียในสังคมจุลินทรีย์ที่เขาสนใจ

ถ้าทรานสโพซอนสามารถแทรกเข้าไปในจีโนมของแบคทีเรียชนิดไหนได้ ชนิดนั้นก็จะถูกแก้ไขได้ แต่ถ้าจีโนมของแบคทีเรียชนิดไหนที่ทรานสโพซอนเข้าไม่ได้ การแก้ไขจีโนมก็จะไม่เกิดในแบคทีเรียนั้น

ในขณะเดียวกัน เพื่อให้การทดลองทำได้ง่ายขึ้น แบรดีก็ได้พัฒนา Cascade เวอร์ชั่นใหม่ ที่ง่ายและสะดวกมากยิ่งขึ้นในการจัดการ เรียกว่า DART (DNA-editing All-in-one RNA-guided Transposase) เพื่อนำส่งยีนที่ต้องการเข้าไปในสังคมจุลินทรีย์

และเพื่อทดสอบระบบ พวกเขา ได้ลอง DART และ ET-Seq ให้ใกล้เคียงความเป็นจริงมากที่สุด ทีมวิจัยก็เลยไปหาตัวอย่างดินมาทดลอง และในตัวอย่างดิน พวกเขาก็สามารถแก้ไขยีนในแบคทีเรีย 5 ชนิดได้จาก 9 ชนิดได้เป็นผลสำเร็จ ซึ่งก็น่าสนใจแล้ว แต่ที่น่าสนใจที่สุดก็คือ พวกเขาเริ่มทดลองใหม่กับสังคมจุลินทรีย์จากอุจจาระเด็กทารก

ในตอนเริ่มเพาะเลี้ยง สังคมจุลินทรีย์ของอุจจาระเด็กจะมีจุลินทรีย์อยู่ราวๆ 14 ชนิด แต่ในการทดลองนี้ เขาต้องการจะแก้ไขแบคทีเรีย E. coli ที่จำเพาะและอยากที่จะแก้ไขแค่ยีนที่เกี่ยวข้องกับการก่อโรคเท่านั้น ซึ่งพวกเขาก็ทำได้สำเร็จ แถมยังสามารถติดตามและศึกษาเรื่องความเหมาะสมในการอยู่รอดของยีน (gene fitness) ได้อีกด้วย

และนี่คือความว้าวซี่อย่างมาก สำหรับการทดลองนี้

 

ในเวลานี้ ทางทีมเผยว่าพวกเขากำลังสนใจจะแก้ไขสังคมของแบคทีเรียในรากพืชที่จะช่วยกระตุ้นให้พืชเติบโตได้ไว

และอาจจะเอาเทคโนโลยีนี้ไปใช้ต่อในการทดลองเพื่อให้เข้าใจกลไกการควบคุมและบทบาทของยีนต่างๆ ในสังคมจุลินทรีย์ที่เกี่ยวกับการปล่อยก๊าซเรือนกระจกมีเทน หรือแม้แต่เพื่อจะไปปรับเปลี่ยนแก้ไจแบคทีเรียบางชนิดในสังคมให้ทั้งสังคมสามารถช่วยกันและกันทำอะไรบางอย่างที่พวกมันไม่เคยทำได้ อาทิ สังคมย่อยขยะพลาสติก เป็นต้น

ยังอดคิดไม่ได้นะครับว่าถ้าเราสามารถลบเอายีนที่ดื้อยาทั้งหมด ออกไปจากสังคมจุลินทรีย์ได้จริง จะเกิดอะไรขึ้นกับมวลมนุษยชาติ แค่คิดก็สนุกแล้ว

เพราะนี่จะเป็นทางออกของการจัดการเชื้อดื้อยาที่ยั่งยืนก็เป็นได้