เซลล์มนุษย์กว้างประมาณ 10 ไมครอน เล็กกว่าเม็ดทรายละเอียดราวๆ 10 เท่า ร่างกายมนุษย์มีเซลล์ประมาณ 30 ล้านล้านเซลล์ มากกว่าจำนวนดาวทั้งกาแล็กซีทางช้างเผือกประมาณ 100 เท่า

แต่ละเซลล์คือเมืองขนาดจิ๋ว

เยื่อหุ้มเซลล์เป็นกำแพงกั้นเขตแดน

นิวเคลียสเป็นศูนย์บัญชาการภายในบรรจุ “ดีเอ็นเอ” สารพันธุกรรมที่เปรียบดั่งธรรมนูญกำหนดระเบียบวิธีการบริหารเมืองในสถานการณ์ต่างๆ

“โปรตีน” ร่วมหมื่นชนิดรวมกันหลายสิบล้านโมเลกุลคือแรงงานที่คอยซ่อม สร้าง ประกอบ สังเคราะห์ ย่อยสลาย และดูแลรับผิดชอบอีกหลายพันหลายหมื่นหน้าที่ให้เซลล์ยังคงดำรงสภาพปกติอยู่ได้

ส่วน “อาร์เอ็นเอ” ก็คือไปรษณีย์นำโองการคำสั่งจากดีเอ็นเอมาถึงโปรตีน คอยกำหนดว่า ณ เวลานี้สถานการณ์นี้เซลล์ของเราเซลล์นี้ต้องการโปรตีนชนิดใดมากแค่ไหน

สำหรับนักชีววิทยาระดับของอาร์เอ็นเอชนิดต่างๆ บอกเราว่าเมืองขนาดจิ๋วทำอะไรอยู่ สงบสุขดีหรือเกิดวิกฤตอะไร กำลังต่อเติมหรือยุบทำลายกิจการงานด้านไหน หรือเซลล์ใดกำลังคิดคดก่อกบฏเป็นเนื้องอกมะเร็ง ฯลฯ

ข้อมูลพวกนี้เราก็รู้ได้จากการเอาไปรษณีย์ผู้นำสารเหล่านี้มาศึกษาสอบสวน

สำหรับนักเทคโนโลยีชีวภาพถ้าอยากบังคับสั่งการให้เซลล์ทำงานตามใจเราต้องการก็อาจจะใช้อาร์เอ็นเอนำทางไป แทนที่โปรตีนจะถูกสร้างมาทำงานแค่ตามคำสั่งผ่านอาร์เอ็นเอ (ไปรษณีย์) จากศูนย์บัญชาการกลาง (นิวเคลียส) อาร์เอ็นเอที่เราส่งเข้าเซลล์ก็สามารถเข้าไปแทรกแซงเสริมคำสั่งตรงนี้ด้วย การวิศวกรรมรักษาเซลล์ด้วยอาร์เอ็นเอใช้หลักการนี้ รวมไปถึง “อาร์เอ็นเอวัคซีน” ที่เราหลายคนได้มีโอกาสใช้ไปแล้วช่วงโควิดระบาด

ไม่ว่าเราจะอยากศึกษาเซลล์หรืออยากวิศวกรรมเซลล์ ความสามารถพาอาร์เอ็นเอเข้าออกเยื่อหุ้มเซลล์ (พาตัวไปรษณีย์เข้าออกกำแพงเมือง) เป็นเทคนิคพื้นฐานที่สำคัญ

และจะยิ่งเจ๋งเข้าไปอีกถ้าเราทำสิ่งเหล่านี้ได้โดยการทำงานของเซลล์ไม่ได้รับผลกระทบเดือดร้อนอะไร

 

เทคนิคการศึกษาอาร์เอ็นเอที่ใช้กันทั่วไปต้องทำให้เซลล์แตกเพื่อสกัดอาร์เอ็นเอออกมาศึกษา (เปรียบเหมือนการระเบิดกำแพงเมืองทิ้งเพื่อเอาไปรษณีย์มาสอบสวน)

เราไม่สามารถใช้เทคนิคพวกนี้ติดตามศึกษาความเปลี่ยนแปลงของระดับอาร์เอ็นเอในเซลล์เป็นๆ ต่อเนื่องไปเรื่อยๆ ได้ คงจะดีกว่ามากถ้าเราสามารถทำให้เซลล์ทยอยส่งอาร์เอ็นเอออกมาให้เราได้ศึกษาแต่โดยดี

ทีมวิจัยของไมเคิล เอโลวิตซ์ (Micheal Elowitz) จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (Caltech) เพิ่งรายงานการประดิษฐ์ระบบการขนส่งอาร์เอ็นเอแบบใหม่เมื่อสัปดาห์ก่อนในวารสารวิชาการชั้นนำอย่าง Cell

ระบบขนส่งที่ว่านี้ได้แรงบันดาลใจมาจากกลไกขนส่งอาร์เอ็นเอของไวรัส ปรสิตระดับเซลล์ที่ถูกวิวัฒนาการคัดเลือกมาเพื่องานจารกรรมในสเกลนาโนโดยเฉพาะ

ไวรัสเป็นอนุภาคขนาดเล็กราวๆ หลักสิบถึงหลักร้อยนาโนเมตรเล็กว่าเซลล์ทั่วไปเป็นร้อยเท่า

ไวรัสตามธรรมชาติดำรงอยู่และแพร่พันธุ์ได้ด้วยการลักลอบเข้าไปในเซลล์เหยื่อ จากนั้นก็ไปหลอกใช้กลไกในเซลล์ให้ช่วยก๊อบปี้เพิ่มจำนวนไวรัสออกมาเป็นพันๆ ตัว ก่อนที่ไวรัสเกิดใหม่พวกนี้จะพากันอพยพย้ายถิ่นไปหาเซลล์เหยื่ออื่นๆ ต่อไป

ไวรัสบางชนิดใช้อาร์เอ็นเอเป็นสารพันธุกรรมแทนที่จะเป็นดีเอ็นเอแบบเซลล์สิ่งมีชีวิตไป

ดังนั้น พวกมันก็เลยมีกลไกสำหรับบรรจุอาร์เอ็นเอเป็นอนุภาคไวรัส กลไก (หลอกให้เซลล์ให้) ส่งอนุภาคไวรัสที่สร้างเสร็จแล้วออกมา และกลไก (หลอกเซลล์เหยื่อรายต่อไปให้) นำอนุภาคไวรัสเข้าไปใหม่

ถ้าเปรียบเซลล์เป็นเมือง ไวรัสก็คือจารชนที่แอบปีนเข้าๆ ออกๆ กำแพงเมืองได้สบายโดยเซลล์อาจจะแทบไม่รู้ตัว

กลไกที่ไวรัสใช้บรรจุ ส่งออก และนำเข้าอาร์เอ็นเออาศัยโปรตีนเป็นเครื่องมือหลัก โปรตีนจากไวรัสพวกนี้บางชนิดเมื่อถูกสังเคราะห์ขึ้นในเซลล์สามารถประกอบร่างกันอัตโนมัติเป็นอนุภาคไวรัส ระหว่างการประกอบก็สามารถจะดึงอาร์เอ็นเอของไวรัสมาบรรจุไว้ภายใน ขณะที่โปรตีนอื่นๆ ถูกใช้สำหรับหลอกเซลล์ในกระบวนการส่งออกและนำเข้าอาร์เอ็นเอ

ทั้งหมดทั้งมวลนี้เกิดขึ้นด้วยคุณสมบัติทางเคมีของชิ้นโปรตีนล้วนๆ แม้ตัวไวรัสเองจะไร้ชีวิตจิตใจ

นวัตกรรมที่ทีมของเอโลวิทซ์คิดค้นคือการวิศวกรรมโปรตีนพวกนี้ให้บรรจุ ส่งออกและนำเข้าอาร์เอ็นเอที่เราสนใจ แทนที่จะเป็นอาร์เอ็นเอสารพันธุกรรมตามธรรมชาติของไวรัส

อาร์เอ็นเอประกอบขึ้นจากนิวคลีโอไทด์ที่เรียงต่อกันเป็นสายยาว

ลำดับของนิวคลีโอไทด์บันทึกเนื้อหาสาระข้อมูลพันธุกรรมของอาร์เอ็นเอสายนั้นๆ เหมือนกับตัวหนังสือที่เรียงต่อกันเป็นประโยคข้อความ

บางลำดับนิวคลีโอไทด์บนอาร์เอ็นเอยังมีหน้าที่ระบุด้วยว่าอาร์เอ็นเอสายนั้นๆ จะต้องถูกส่งไปทำอะไรที่ไหนต่อ

ในกรณีของอาร์เอ็นเอไวรัสจะมีลำดับนิวคลีโอไทด์ที่คอยชี้เป้าให้โปรตีนไวรัสบรรจุมันเข้าไปในอนุภาคไวรัสก่อนเพื่อจะได้ถูกนำส่งออกจากเซลล์ เราเรียกลำดับนิวคลีโอไทด์ชุดนี้ว่าฉลากส่งออก (export tag)

ถ้าเปรียบอาร์เอ็นเอเป็นไปรษณีย์ส่งจดหมาย export tag ก็คือรหัสไปรษณีย์ที่ระบุว่าจดหมายนี้ต้องถูกบรรจุเข้ากล่องพัสดุและส่งข้ามกำแพงเมืองออกไปนอกเซลล์โน่น

ดังนั้น ถ้าเราเอา export tag ไปติดกับอาร์เอ็นเออะไรก็ได้ที่เราสนใจในเซลล์ ขณะเดียวกันก็ผลิตโปรตีนไวรัสในเซลล์เดียวกันด้วย โปรตีนก็จะประกอบร่างเป็นไวรัสพร้อมบรรจุอาร์เอ็นเอที่เราติด export tag ไว้ ส่งกลับออกมาจากเซลล์

ไอเดียการขนส่งอาร์เอ็นเอเข้าออกเซลล์ด้วย export tag และโปรตีนจากไวรัสไม่ใช้เรื่องใหม่ แต่ที่ผ่านมามีข้อจำกัดสำคัญหลายอย่างที่ทีมวิจัยของเอโลวิตซ์เข้ามาอัพเกรดแก้ไขสำเร็จในงานนี้

ข้อจำกัดแรกคือเรื่องความเจาะจง (specificity) ในการขนส่ง อนุภาคจากโปรตีนไวรัสให้อาร์เอ็นเอติด export tag ถูกบรรจุและขนส่งออกนอกเซลล์ได้เป็นร้อยๆ เท่าของอัตราปกติตามธรรมชาติ แต่มันก็มักจะบรรจุและขนส่งอาร์เอ็นเออื่นๆ ในเซลล์มั่วๆ ติดมาด้วย (ในอัตรานี่ช้ากว่าแต่ก็เป็นร้อยเท่าของอัตราปกติเช่นกัน)

ทีมวิจัยของเอโลวิตซ์วิศวกรรมโปรตีนไวรัสเสียใหม่เพื่อลดปัญหานี้

หนึ่งในเวอร์ชั่นที่ดีที่สุดใช้โปรตีนลูกผสมระหว่างโปรตีนจากไวรัสเอดส์ (HIV gag) และไวรัสกินแบคทีเรียชนิด MS2 (MCP) โปรตีนจาก HIV ทำหน้าที่เป็นโครงประกอบอนุภาคไวรัสในเซลล์ ส่วนชิ้นโปรตีนจาก MS2 ที่สามารถจับกับ export tag ได้แม่นยำกว่า มั่วจับน้อยกว่าทำหน้าที่ดึงอาร์เอ็นเอมาบรรจุในหีบห่ออนุภาคไวรัส

ทีมวิจัยยังได้วิศวกรรมกำจัดคุณสมบัติการจับอาร์เอ็นเอของ HIV gag อย่างระมัดระวังไม่ให้ส่งผลต่อการสร้างอนุภาคไวรัสเพื่อลดปัญหาการมั่วจับอาร์เอ็นเอลงอีก

ระบบนี้สามารถบรรจุและส่งออกอาร์เอ็นเอติด export tag ได้ดีกว่าการส่งออกตามธรรมชาติถึงสองร้อยกว่าเท่าขณะที่การส่งออกอาร์เอ็นเอไม่ติด export tag แทบตรวจไม่เจอเลย

แม้ว่าระบบบรรจุและส่งออกอาร์เอ็นเอนี้จะใช้การได้แล้ว แต่ด้วยความที่โครงโปรตีนที่เป็นหีบห่อสำหรับบรรจุมีต้นกำเนิดจากไวรัส (HIV gag) ทำให้มันค่อนข้างเปราะบางต่อการเอาไปวิศวกรรม การจะไปปรับแก้หรือต่อเติมโครงสร้างต่างๆ ในอนาคตทำได้ยาก มีโอกาสสูงที่กลไกการประกอบหีบห่อบรรจุอาร์เอ็นเอจะพัง

ปัญหานี้เป็นเรื่องปกติของการเอาโปรตีนจากธรรมชาติมาใช้เพราะมันถูกวิวัฒนาการคัดเลือกมาเพื่อความอยู่รอด ไม่ได้ถูกออกแบบมาให้มนุษย์เอาไปใช้งานได้ง่ายๆ

ปัญหาอีกอย่างคือความที่มันเป็นโปรตีนไวรัสเวลาเอาไปใช้จริงในร่างกายก็มีโอกาสสูงที่มันจะกระตุ้นภูมิคุ้มกันจนเกิดแพ้อักเสบถึงตายได้

ทีมวิจัยเอโลวิตซ์ก็เลยลองมองหาหีบห่อแบบใหม่จากโปรตีนสังเคราะห์มาลงเอยที่ระบบ Enveloped Protein Nanocages (EPNs) ผลงานชิ้นโบแดงเจ้าพ่อวงการวิศวกรรมโปรตีนอย่างเดวิด เบเกอร์ (David Baker) จากมหาวิทยาลัยวอชิงตัน (University of Washington)

กลางปี 2016 ทีมของเบเกอร์ใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ออกแบบโปรตีนสังเคราะห์ที่สามารถประกอบร่างกันเองเป็นกล่องกลวงๆ (EPNs) ทรงสิบสองหน้า (dodecahedral) ขนาด 25 นาโนเมตร แต่ละกล่องประกอบจากโปรตีนหน่วยย่อยซ้ำๆ กัน 60 ชิ้น

ด้วยความที่โปรตีนกล่องนี้ถูกออกมาใหม่ตั้งแต่ต้นไม่ได้หยิบยืมจากโปรตีนธรรมชาติทำให้เรารู้รายละเอียดโครงสร้าง คุณสมบัติต่างๆ ของมันแทบจะทุกซอกทุกมุม แถมรูปแบบการจัดเรียงแต่ละหน่วยย่อยก็ถูกออกแบบมาให้ง่ายและทนทานต่อการปรับแก้ต่อเติม

ปลายปีเดียวกันอีกทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยยูทาห์ (University of Utah) เอางานนี้ไปต่อยอดโดยสามารถวิศวกรรมเซลล์มนุษย์ให้สังเคราะห์ EPNs ขึ้นมาได้ นอกจากนั้น ยังต่อเติมใส่ชิ้นส่วนโปรตีนเล็กๆ จาก HIV เข้าไป (p6) ให้เจ้ากล่อง EPNs นี้ถูกบรรจุซ้อนอยู่ในอนุภาคไขมันนาโน (lipid vesicle) ขนาด 110 นาโนเมตรที่เซลล์หลั่งออกมาอยู่แล้วตามธรรมชาติ

ในงานวิจัยชิ้นล่าสุดทีมของเอโลวิตซ์เอาระบบ EPNs มาใช้บรรจุอาร์เอ็นเอส่งออก ชิ้นอาร์เอ็นเอที่สนใจถูกติดด้วย export tag ส่วนระบบบรรจุและส่งออกเป็นโปรตีนลูกผสมจากทั้ง EPNs ดั้งเดิมและส่วนที่ MCP ที่ไว้เกาะกับ export tag อาร์เอ็นเอส่งออกถูกบรรจุในกล่องโปรตีนจาก EPNs ซึ่งก็ถูกบรรจุอยู่ในอนุภาคไขมันนาโนอีกชั้น

ด้วยความที่ EPNs ถูกปรับแก้ต่อเติมได้ง่ายทีมวิจัยก็สามารถสลับสับเปลี่ยนชิ้นส่วนต่างๆ เพื่อหาดีไซน์ที่บรรจุและส่งออกอาร์เอ็นเอได้เร็วที่สุดและจำเพาะเจาะจงที่สุด

 

ทีมของเอโลวิตซ์สาธิตหลายตัวอย่างการประยุกต์ใช้ระบบบรรจุและนำส่งอาร์เอ็นเอที่พัฒนาขึ้นมาใหม่นี้

ตัวอย่างหนึ่งคือการติดตามการเปลี่ยนแปลงประชากรเซลล์ด้วยการติดตั้งลำดับนิวคลีไทด์ที่ทำหน้าที่เป็นบาร์โค้ดระบุเซลล์ต้นกำเนิดของอาร์เอ็นเอ เซลล์แต่ละเซลล์ผลิตอาร์เอ็นเอที่มีบาร์โค้ดต่างๆ กันและส่งออกมาในสิ่งแวดล้อมรอบๆ

ดังนั้น เราสามารถใช้การวัดปริมาณอาร์เอ็นเอที่มีบาร์โค้ด จากการเก็บตัวอย่างในสิ่งแวดล้อม (ด้วยเทคนิคที่มีอยู่เดิมแล้วเช่น RNA-seq) และคำนวณกลับไปเป็นจำนวนเซลล์ต้นทาง ด้วยวิธีนี้เราสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงประชากรเซลล์ได้โดยไม่ต้องไปรบกวนเซลล์โดยตรง

ข้อมูลนี้มีประโยชน์มากในการศึกษาการกลาย การเพิ่มจำนวน และวิวัฒนาการของเซลล์มะเร็งหรือเซลล์ต้นกำเนิดที่อยู่ลึกลงในเนื้อเยื่อร่างกายจนเราไม่สามารถใช้กล้องจุลทรรศน์ส่องนับจำนวนเซลล์ตรงๆ ได้

ทีมวิจัยสังเกตว่าระบบบรรจุและนำส่งนี้บรรทุกเอาอาร์เอ็นเออื่นๆ ในเซลล์ (ที่ไม่ได้ติด export tag) ติดไปด้วย แม้จะมีปริมาณน้อยมากๆ แต่สัดส่วนปริมาณอาร์เอ็นเอนี้ก็ถูกสุ่มมาอย่างดีเป็นตัวแทนของระดับอาร์เอ็นเอต่างๆ ในเซลล์

ดังนั้น การติดตั้งระบบบรรจุและนำส่งนี้ทำเราสามารถศึกษากิจกรรมและการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ในเซลล์เป็นๆ (พูดอีกอย่างคือเราสามารถลักพาตัวไปรษณีย์จากในกำแพงเมืองมาสอบสวนโดยไม่ต้องทุบเมืองทิ้งแล้ว)

อีกการประยุกต์ใช้ที่ทีมวิจัยสาธิตว่าด้วยการขนส่งอาร์เอ็นเอจากเซลล์หนึ่งสู่อีกเซลล์ ทีมวิจัยวิศวกรรมเซลล์แสดงออกยีนเรืองแสงหรือยีนผลิตเอนไซม์ปรับแก้ดีเอ็นเอ ให้เซลล์บรรจุข้อมูลจากยีนพวกนี้ในรูปแบบอาร์เอ็นเอในหีบห่อนาโนจากโปรตีนและไขมันที่ว่าไปข้างต้น จากนั้นก็ส่งออกไปใช้งานในเซลล์ข้างเคียง การประยุกต์ใช้แนวนี้น่าจะมีประโยชน์มากสำหรับงานเซลล์บำบัด (cell therapy) โดยเราอาจจะสามารถฝังเซลล์ตัวปล่อยพัสดุอาร์เอ็นเอนี้ไว้ในร่างกายให้มันผลิตอาร์เอ็นเอมารักษาโรคในเซลล์ข้างเคียง

ทีมวิจัยยังแสดงหลักฐานเพิ่มเติมว่าอาร์เอ็นเอที่บรรจุหีบห่อนาโนแบบนี้ทดทานต่อสภาพแวดล้อมโดยเฉพาะการย่อยสลายจากเอนไซม์ที่พบในเลือดหรือสารคัดหลั่ง ดังนั้น ไม่ว่าจะเป็นงานฝั่งศึกษา (ปริมาณอาร์เอ็นเอที่เซลล์ต่างๆ ผลิต) หรือรักษา (ส่งอาร์เอ็นเอเข้าเซลล์ปลายทาง) ในร่างกายมนุษย์หรือสัตว์ อาร์เอ็นเอที่ถูกบรรจุ ส่งออก และนำเข้าด้วยวิธีนี้น่าจะอยู่ได้นานพอใช้การได้

งานจารกรรมระดับนาโนนี้น่าจะช่วยให้เราเรียนรู้ ไขความลับและควบคุมหัวเมืองเล็กๆ ระดับนับล้านล้านเมืองที่เรียกว่าเซลล์ภายในร่างกายของเรา

 

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022