ทุกปีผลผลิตการเกษตรทั้งโลกเสียไปกับศัตรูพืชเกือบ 40% รวมมูลค่ากว่าสองแสนล้านเหรียญสหรัฐ

นับแต่เราเริ่มลงหลักปักฐานเพาะปลูกเมื่อหลายพันปีก่อน การระบาดและการควบคุมศัตรูพืชเป็นหนึ่งในปัจจัยชี้ขาดความรุ่งเรืองหรือล่มสลายของอาณาจักร ทุพภิกขภัยจากผลผลิตตกต่ำ ความอดอยากและสงครามที่ตามมาคร่าชีวิตผู้คนนับล้านมาตลอดประวัติศาสตร์ของมนุษย์

ส่วนการเกษตรยุคใหม่ก็ยังต้องใช้สารเคมีอันตรายปีละหลายล้านตันในศึกยืดเยื้อกับศัตรูพืชที่ยังไม่เห็นวี่แววชนะขาด

พืชตามธรรมชาติมีระบบภูมิคุ้มกันไว้รับมือกับศัตรูของพวกมัน ไม่ว่าจะเป็นไวรัส แบคทีเรีย รา แมลง ไปจนถึงพืชปรสิต แต่พืชเกษตรที่เราผสมคัดเลือกพันธุ์ไว้กินไว้ใช้มักจะสูญเสียความสามารถเหล่านี้บางส่วนไป

ล่าสุดทีมวิจัยของ Sophien Kamoun จาก Sainsbery Lab แห่งเมือง Norwich ประเทศอังกฤษ คิดค้นวิธีอัพเกรดระบบภูมิคุ้มกันพืชโดยหยิบยืมกลไกจากระบบภูมิคุ้มกันของสัตว์ตระกูลอูฐและอัลปากา (Camelid) ระบบภูมิคุ้มกันแบบผสมผสานนี้อาจจะเป็นเครื่องมือชนิดใหม่ที่เกษตรกรจะใช้รับมือกับศัตรูพืชในอนาคต

ศัตรูพืชหลายชนิดเริ่มการรุกรานด้วยการฉีดโปรตีนออกฤทธิ์ (effector) เข้าสู่เซลล์พืช

โปรตีนพวกนี้เปรียบเสมือน “อาวุธ” ที่เข้าไปบีบบังคับกลไกต่างๆ ในเซลล์พืชให้ยอมจำนน มอบทรัพยากรอาหาร เปลี่ยนแปลงรูปร่างการทำงานให้เอื้อต่อการเพิ่มจำนวนและแพร่ระบาดของศัตรูพืชไปยังเซลล์พืชหรือต้นพืชอื่นๆ ต่อ

หนึ่งในกลไกหลักที่พืชใช้รับมือ effector พวกนี้คือระบบที่ชื่อว่า NLR ซึ่งทำหน้าที่เหมือน “เครื่องสแกนอาวุธ” คอยตรวจสอบ effector ที่อาจถูกลักลอบส่งเข้ามาในเซลล์ ถ้าตรวจเจอมันก็จะส่งสัญญาณเตือนให้เซลล์หยุดทำงาน ทำลายตัวเองทิ้ง พร้อมกับสร้างผนังกั้นการระบาดของศัตรูพืชสู่เนื้อเยื่อส่วนอื่น

 

NLR ต้องตรวจจับ effector ด้วยความแม่นยำสูงต้องระวังสุดขีดไม่ส่งสัญญาณเตือนซี้ซั้วจนเซลล์ดีๆ ถูกทำลายไป

ข้อจำกัดตรงนี้ทำให้ศัตรูพืชสามารถวิวัฒนาการ effector หน้าตาแปลกๆ ใหม่ๆ ที่ NLR เดิมไม่รู้จัก ฝั่งพืชเองก็ต้องวิวัฒนาการ NLR แบบใหม่ๆ มาไล่ตามตรวจ effector ตัวใหม่ๆ ให้ทัน

การแข่งวิวัฒนาการไล่กันไปไล่กันมาอย่างดุเดือดแบบนี้ทำให้ในธรรมชาติมี effector และ NLR ที่หลากหลายมาก ความหลากหลายของ NLR ในพืชธรรมชาติช่วยการันตีว่าไม่ว่าศัตรูพืชจะสร้าง effector พิสดารขนาดไหนมาก็คงยังมีพืชบางต้นในประชากรที่สามารถรับมือมันและอยู่รอดดำรงเผ่าพันธุ์ต่อไปได้

แต่สำหรับพืชเกษตรที่มนุษย์เราคัดเลือกสายพันธุ์มาดิบดีไม่ว่าจะเพราะให้ผลผลิตสูง ปลูกง่ายหรือรสชาติอร่อย มักจะมีความหลากหลายทางพันธุกรรมต่ำเพราะมาจากพ่อพันธุ์แม่พันธุ์แบบเดียวกัน ความหลากหลายของ NLR ก็ต่ำไปด้วย

ถ้าศัตรูพืชเกิดวิวัฒนาการ effector ใหม่ๆ ที่เลี่ยงมันได้ขึ้นมาก็มีแนวโน้มจะระบาดหนักจนตายหมู่กันหมด ครั้นจะรอให้พืชเกษตรพวกนี้วิวัฒนาการ NLR ขึ้นมาใหม่ก็คงไม่ทันการณ์

นักวิจัยด้านโรคพืชก็เลยมาคิดกันว่าเราน่าจะช่วยพืชด้วยการวิศวกรรม NLR ขึ้นมาใหม่ อาจจะใช้การตัดต่อยีนหรือเร่งการกลายพันธุ์ให้ได้ NLR เพิ่มหลายๆ แบบ จากนั้นก็เอามาผสมคัดเลือกจนได้แบบที่ตรวจจับ effector ของโรคที่กำลังระบาดได้

ปัญหาคือวิธีการนี้ยุ่งยากมากกว่าจะได้ NLR ซักตัวที่จำเพาะต่อ effector ซักแบบ

ทีมวิจัยของ Kamoun เกิดปิ๊งไอเดียว่าจริงๆแล้วมีกลไกภูมิคุ้มกันอีกแบบที่ปรับตัวได้โคตรไว จะเชื้อโรคหรือสิ่งแปลกปลอมอะไรมาก็พัฒนาวิธีจัดการมันได้หมด

ราวๆ 450 ล้านปีก่อนสัตว์มีกระดูกสันหลังวิวัฒนาการระบบภูมิคุ้มกันแบบจำเพาะ (adaptive immunity) ที่สามารถเรียนรู้และจดจำหน้าตาของเชื้อโรคหรือสิ่งแปลกปลอมได้แทบไม่จำกัด

การที่เราไม่ป่วยด้วยโรคเดิมๆ บางโรคซ้ำหรือการที่วัคซีนช่วยปกป้องเราจากโรคได้ก็เกิดจากระบบภูมิคุ้มกันแบบนี้

Adaptive immunity ทำงานโดยอาศัยหลักวิวัฒนาการ แต่เป็นวิวัฒนาการของประชากรเซลล์ภูมิคุ้มกันที่ในร่างกายของสัตว์ตัวหนึ่ง (หรือมนุษย์คนหนึ่งๆ) แทนที่จะเป็นวิวัฒนาการที่เกิดขึ้นในระดับประชากรของสิ่งมีชีวิต

กลไกนี้เริ่มจากการที่เซลล์ต้นกำเนิดเซลล์ภูมิคุ้มกันสามารถสลับสับเปลี่ยนชิ้นส่วนดีเอ็นเอของมันบางตำแหน่งได้จนออกมาเป็นเซลล์ภูมิคุ้มกันที่มีพันธุกรรมต่างกันเป็นล้านๆ แบบในร่างกายสิ่งมีชีวิตตัวเดียวกัน ดีเอ็นเอบริเวณที่ถูกสลับสับเปลี่ยนตำแหน่งนี้ถูกแสดงออกมาเป็นกลไกตรวจจับสิ่งแปลกปลอมที่ผิวเซลล์ภูมิคุ้มกัน ถ้าเชื้อโรคหรือสิ่งแปลกปลอมตัวไหนดันมาจับเข้ากับกลไกนี้ เซลล์ภูมิคุ้มกันเวอร์ชั่นนั้นๆ ก็จะถูกคัดเลือกให้ออกไปทำงาน แบ่งตัวเพิ่มจำนวน และผลิตอาวุธต่างๆ มาต่อกรกับผู้รุกราน

การสร้างความหลากหลายและการคัดเลือกซ้ำๆ แบบนี้ทำให้เราได้เซลล์ภูมิคุ้มกันที่ปรับตัวแม่นยำขึ้นเรื่อยๆ กับสิ่งแปลกปลอมต่างๆ ที่เข้ามา

“แอนติบอดี้ (antibody)” คือชิ้นโปรตีนอาวุธที่ถูกผลิตจากเซลล์ภูมิคุ้มกันกลุ่มนี้ มันสามารถเข้าไปจับกับสิ่งแปลกปลอมได้อย่างเจาะจง ตรึงไว้กับที่ไม่ให้ขยับไปก่อเรื่องที่ไหน พร้อมกับเรียกเซลล์และกลไกภูมิคุ้มกันอื่นมาจัดการเก็บกวาดให้เรียบร้อย ด้วยกลไกสลับสับเปลี่ยนชิ้นดีเอ็นเอข้างต้นทำให้เราสร้าง antibody ได้หลากหลายแทบไม่จำกัดแบบสำหรับสิ่งแปลกปลอมแทบทุกอย่าง

นักชีวเคมีและชีวภูมิคุ้มกันเริ่มศึกษาหลักการทำงาน โครงสร้าง และกลไกการผลิต antibody มาตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ยี่สิบ เทคนิคการคิดแยกและวิศวกรรมเซลล์ภูมิคุ้มกันเดี่ยวๆ ที่สามารถผลิต antibody ที่จำเพาะต่อเป้าหมายเดียว (monoclonal antibody) ถูกพัฒนาขึ้นช่วง 1970s และกลายเป็นจุดเริ่มต้นของการประยุกต์ใช้ antibody อย่างกว้างขวางทั้งในวงการแพทย์และงานวิจัยพื้นฐาน

เราสามารถเพาะเลี้ยงเซลล์หรือใช้สัตว์ทดลองผลิต antibody ต่อเป้าหมายได้หลากหลาย ทำเซรุ่ม ทำยาต้านมะเร็งแบบมุ่งเป้าหลายชนิดที่เริ่มมีวางขายแล้วในท้องตลาด

นอกจากการประยุกต์ใช้ในงานภูมิคุ้มกันแล้วความเจาะจงและความยืดหยุ่นต่อการวิศวกรรมของ antibody ยังทำให้เราสามารถเอามันมาเป็นตัวตรวจจับโมเลกุลที่เราสนใจ และทำเป็นชุดตรวจต่างๆ ด้วยการเอา antibody ไปเชื่อมต่อกับกลไกทางเคมีหรือไฟฟ้าให้เราอ่านค่าเป็นสีหรือสัญญาณต่างๆ ได้

 

ทีมวิจัยของ Kamoun ทดลองเชื่อมต่อระบบ antibody เข้ากับระบบ NLR ในเซลล์พืช โดยเลือกใช้ antibody จิ๋ว (nanobody) ที่ได้ปรับเปลี่ยนมาจาก antibody ของสัตว์ตระกูลอูฐซึ่งมีขนาดและความซับซ้อนของโมเลกุลต่ำกว่า antibody ของสัตว์กลุ่มอื่นมาก ยีน nanobody ถูกเชื่อมต่อกับยีน NLR จากข้าว

จากนั้นชิ้นยีนลูกผสม ก็ถูกเอาไปทดสอบการทำงานในต้นยาสูบ สำหรับเวอร์ชั่นทดลองนี้ nanobody ที่ตัดต่อใส่ลงไปถูกวิศวกรรมให้มีเป้าหมายเป็นยีนเรืองแสงเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษา

ใบยาสูบที่ถูกวิศวกรรมนี้สามารถตอบสนองอย่างจำเพาะต่อโปรตีนเรืองแสง หรือเชื้อไวรัสก่อโรคพืชที่ถูกวิศวกรรมให้มียีนเรืองแสงนี้ บริเวณที่ได้รับเชื้อถูกกระตุ้นให้ทำลายตัวเองแบบจำเพาะพื้นที่ ส่วนปริมาณอนุภาคไวรัสก็ลดลงกว่าในการทดลองชุดควบคุมอย่างชัดเจน

การทดลองนี้ยังไม่ได้แสดงการต่อต้านไวรัสก่อโรคพืชหรือศัตรูพืชอื่นตามธรรมชาติด้วยการตอบสนองต่อ effector โดยตรง แต่ก็ได้พิสูจน์ว่าเราสามารถวิศวกรรม NLR ให้ตอบสนองต่อโปรตีนแปลกปลอมชนิดใหม่ (ในที่นี้คือโปรตีนเรืองแสง) ได้สำเร็จ

 

ความน่าทึ่งของงานนี้คือความยืดหยุ่นของระบบภูมิคุ้มกันตามธรรมชาติที่ทำให้มันง่ายต่อการวิศวกรรม กลไกจากสิ่งมีชีวิตที่ห่างกันนับพันล้านปีของวิวัฒนาการ (อย่าง “ข้าว” และ “อูฐ”) สามารถเชื่อมต่อทำงานร่วมกันได้ ด้วยองค์ความรู้ที่เรามีอยู่มหาศาลเกี่ยวกับการวิศวกรรม antibody น่าจะทำให้เราสามารถอัพเกรดเปลี่ยนเป้าหมายสำหรับ NLR ได้อย่างรวดเร็ว

เพื่อรับมือศัตรูพืชใหม่ๆ โดยไม่ต้องรอกระบวนการวิวัฒนาการที่เชื่องช้าของพืช

ขีดจำกัดของระบบสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติถูกตีกรอบไว้ด้วยเส้นประวัติศาสตร์ของวิวัฒนาการ แต่ด้วยความสามารถในการคิดนอกกรอบของมนุษย์และเครื่องมือที่เราสร้างขึ้นจะทำให้เราสามารถข้ามขีดจำกัดตรงนี้และใช้ประโยชน์จากกลไกที่มีอยู่อย่างหลากหลายที่ธรรมชาติได้มอบให้เราไว้

 

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022