ทางเดินอาหารของมนุษย์มีความยาวเกือบ 10 เมตร พื้นที่รวมกว่า 30 ตารางเมตร หรือราวๆ ครึ่งหนึ่งของพื้นที่สนามแบดมินตันมาตรฐาน จากปากถึงรูทวาร ทางเดินอาหารคืออาณาเขตในร่างกายที่เปิดตรงสู่โลกภายนอก

ทางเดินอาหารไม่เพียงมีหน้าที่ย่อยและดูดซึมสิ่งที่เรากินเข้าไป แต่โมเลกุล ฮอร์โมน และสารออกฤทธิ์อีกสารพัดชนิดจากเนื้อเยื่อทางเดินอาหารและจุลินทรีย์ร่วมอาศัยยังมีอิทธิพลต่อแทบทุกระบบอื่นๆ ในร่างกายตั้งแต่ภูมิคุ้มกันไปจนถึงประสาทและสมอง

การศึกษาความเปลี่ยนแปลงทางเคมีในทางเดินอาหาร ณ ช่วงเวลาต่างๆ ช่วยให้เราเข้าใจกลไกความสัมพันธ์เหล่านี้รวมทั้งวินิจฉัยและทำนายความเสี่ยงการเกิดโรค

วิธีที่เราหลายคนน่าจะคุ้นเคยที่สุดคือการตรวจอุจจาระ แต่ข้อจำกัดคือวิธีนี้ไม่สามารถบอกผลแบบเรียลไทม์

นอกจากนี้ โมเลกุลที่สำคัญหลายตัวมีความเสถียรต่ำ กว่าจะรอจนกากอาหารกลายเป็นอุจจาระให้เราเก็บส่งแล็บตรวจก็สลายตัวไปหมดแล้ว

โมเลกุลความเสถียรต่ำพวกนี้หลายตัวอยู่ในกลุ่มอนุมูลอิสระที่มักเป็นสัญญาณความผิดปกติของทางเดินอาหาร อย่างเช่น อาการอักเสบจากการติดเชื้อหรือสารเคมีบางอย่าง

ดังนั้น ถ้าเราสามารถวัดระดับโมเลกุลพวกนี้ในทางเดินอาหารเราก็สามารถวินิจฉัยและติดตามการเกิดโรคในกลุ่มนี้ได้

จุลินทรีย์ตามธรรมชาติมีระบบเซ็นเซอร์ตรวจจับโมเลกุลต่างๆ ในสิ่งแวดล้อมเพื่อให้พวกมันได้เลือกปรับตัวตอบสนองอย่างเหมาะสมกับสถานการณ์

เซ็นเซอร์พวกนี้เป็นวัตถุดิบชั้นดีให้นักชีวสังเคราะห์เอามาประดิษฐ์ต่อยอดเป็นระบบตรวจจับและวัดระดับโมเลกุลต่างๆ ที่ระบบเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์หรือเคมียังตรวจไม่ได้

ทีมวิจัยของทิม ลู (Tim Lu) จาก MIT ใช้หลักการนี้สร้างเซ็นเซอร์ขึ้นมาสี่ตัวสำหรับตรวจจับโมเลกุลความเสถียรต่ำสี่ชนิดคือ ไนตริกออกไซด์ (NO), ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2), ไทโอซัลเฟต (TS) และเททระไทโอเนต (TT)

โมเลกุลสี่ชนิดนี้เป็นสัญญาณเริ่มต้นของกระบวนการอักเสบในลำไส้ (Inflammatory Bowel Disease, IBD)

เซ็นเซอร์พวกนี้ตามธรรมชาติเป็นชุดยีนที่ถูกกระตุ้นให้แสดงออกเมื่อแบคทีเรียเจอกับโมเลกุลต่างๆ ข้างต้นในสิ่งแวดล้อม เมื่อชุดยีนเซ็นเซอร์แสดงออกก็จะไปเปิดการทำงานของยีนอื่นๆ ปลายทางให้เซลล์แบคทีเรียตอบสนองต่อโมเลกุลแต่ละชนิดได้อย่างถูกต้อง

ดังนั้น ถ้าเราเอาเฉพาะชุดยีนเซ็นเซอร์พวกนี้มาตัดต่อเชื่อมกับยีนผลิตโปรตีนเรืองแสง (fluorescent protein) แล้วใส่ในแบคทีเรียจากนั้นก็เอาแบคทีเรียที่วิศวกรรมแล้วนี้ใส่ไปในทางเดินอาหาร เราก็สามารถใช้ระดับการเรืองแสงของแบคทีเรียบอกระดับของโมเลกุลต่างๆ ที่เราจะตรวจวัด

ปัญหาของไอเดียนี้คือแสงที่แบคทีเรียไม่มีทางจะสว่างพอทะลุไส้ออกมาให้เราเห็นข้างนอก หรือถ้าจะรอให้แบคทีเรียออกมากับอุจจาระก่อนแบคทีเรียก็คงหยุดเรืองแสงแล้วเนื่องจากโมเลกุลตัวกระตุ้นสลายหายไปหมดแล้ว

ทีมวิจัยแก้ปัญหาด้วยสองแนวทาง

แนวทางแรกคือให้วิศวกรรมให้แบคทีเรีย “จำ” เหตุการณ์ที่มันเจอกับโมเลกุลเป้าหมายเอาไว้ก่อนรอให้เราศึกษาภายหลัง

อีกแนวทางคือติดระบบสื่อสารไร้สายเพิ่มเข้าไปให้สัญญาณเรืองแสงจากแบคทีเรียถูกส่งออกมาข้างนอกได้แบบเรียลไทม์

สำหรับแนวทางแรกทีมวิจัยติดตั้งหน่วยความจำระดับดีเอ็นเอ (DNA memory) ลงไประหว่างระบบยีนเซ็นเซอร์กับยีนผลิตโปรตีนเรืองแสง หน่วยความจำนี้ประกอบด้วยชิ้นดีเอ็นเอที่สามารถพลิกเปลี่ยนทิศทางไปมาได้สองด้าน และยีนผลิตเอนไซม์สำหรับพลิกชิ้นดีเอ็นเอนี้ ถ้าเซ็นเซอร์ตรวจจับโมเลกุลได้ก็จะไปเปิดการแสดงออกของเอนไซม์ที่มาพลิกชิ้นดีเอ็นเอ ดีเอ็นเอที่ถูกพลิกแล้วสามารถไปเปิดการแสดงออกของยีนผลิตโปรตีนเรืองแสงอีกที

ชิ้นดีเอ็นเอที่ถูกพลิกจะคงสภาพอยู่แบบนั้นแม้ว่าโมเลกุลตัวกระตุ้นจะไม่อยู่แล้ว ดังนั้น เราสามารถใช้การเรืองแสงของเซลล์บอกได้ว่าแบคทีเรียดังกล่าว “เคย” ผ่านสภาวะแวดล้อมที่มีโมเลกุลตัวกระตุ้นมาก่อนหรือไม่

ทีมวิจัยทดสอบระบบแบคทีเรีย (Escherichia coli สายพันธุ์ Nissle 1917 ที่นิยมใช้ในงานโพรไบโอติก) ติดเซ็นเซอร์เสริมหน่วยความจำในหนูทดลอง เหนี่ยวนำการอักเสบในทางเดินอาหารหนูด้วยสารเคมีหรือการผ่าตัด ระดับทีมวิจัยพิสูจน์ได้ว่าการเรืองแสงของแบคทีเรียใช้บอกสภาวะการอักเสบในลำไส้

นอกจากนี้ การปรับระดับความไวของตัวเซ็นเซอร์ยังช่วยให้ทีมวิจัยบอกระดับความรุนแรงของการอักเสบได้อีกด้วย

ส่วนแนวทางที่สองทีมวิจัยต่อยอดจากงานที่เคยทำก่อนหน้านี้ ผสมผสานระหว่างงานพันธุวิศวกรรมแบคทีเรียและแคปซูลอิเล็กทรอนิกส์ แบคทีเรียทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับโมเลกุลที่เราสนใจและเปลี่ยนเป็นสัญญาณแสง ส่วนแคปซูลอิเล็กทรอนิกส์เป็นทั้งภาชนะบรรจุแบคทีเรีย รับสัญญาณแสงจากแบคทีเรียและส่งคลื่นวิทยุทะลุลำไส้และช่องท้องออกมาให้ทีมวิจัยได้ศึกษาจากภายนอก

ห้าปีก่อน (2018) ทีมวิจัยเดียวกันนี้สร้างแคปซูลอิเล็กทรอนิกส์บรรจุแบคทีเรียตรวจจับฮีโมโกลบินซึ่งสามารถใช้วินิจฉัยอาการตกเลือดในทางเดินอาหาร ฮีโมโกลบินมีความเสถียรค่อนข้างสูงเทียบกับโมเลกุลสี่ตัวที่ทีมวิจัยต้องการตรวจจับในงานวิจัยนี้

นอกจากนั้น แคปซูลอิเล็กทรอนิกส์จากงานก่อนมีขนาดปริมาตรกว่า 9 ลูกบาศก์เซนติเมตรซึ่งยังถือว่าใหญ่เกินกว่าจะกลืนลงทางเดินอาหารไปอย่างปลอดภัยได้

ทีมวิจัยปรับระบบแบคทีเรียเซ็นเซอร์ความจำจากที่เล่าไปข้างต้น หน่วยความจำไม่ต้องใช้แล้วเพราะสัญญาณแสงจะถูกอ่านโดยตรงในทางเดินอาหาร ส่วนระบบเรืองแสงก็เปลี่ยนจากการใช้ยีนผลิตโปรตีนเรืองแสง (fluorescent protein) เป็นชุดยีนผลิตเอนไซม์ที่ทำปฏิกิริยาได้แสงออกมาโดยตรง (bioluminescent) แบบเดียวกับแสงหิ่งห้อยไม่ต้องอาศัยแหล่งกำเนิดแสงจากภายนอก

แคปซูลอิเล็กทรอนิกส์เวอร์ชั่นใหม่ถูกย่อส่วนลงมาเหลือปริมาตรแค่ 1.4 ลูกบาศก์เซนติเมตร ส่วนบรรจุแบคทีเรียมีผนังกันแบคทีเรียรั่วไหลสู่ทางเดินอาหารและปกป้องแบคทีเรียจากสภาวะกรดระหว่างที่แคปซูลเดินทางผ่านกระเพาะอาหาร ขณะเดียวกันผนังก็ยอมให้โมเลกุลต่างๆ ที่เราสนใจตรวจจับผ่านเข้ามาถึงแบคทีเรียได้

เซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์บนแคปซูล (CMOS-integrated photodiotes) รับสัญญาณแสงจากแบคทีเรียส่งเป็นสัญญาณวิทยุไร้สายออกมาภายนอกสู่ตัวรับที่เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์หรือสมาร์ตโฟน ระบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดถูกออกแบบมาให้ประหยัดพลังงานที่สุดสามารถทำงานอยู่ได้ถึงหนึ่งเดือนด้วยแบตเตอรี่ขนาดเท่าเหรียญเล็กๆ

ทีมวิจัยเอาระบบนี้ไปลองทดสอบสำเร็จแล้วในทางเดินอาหารหมู สามารถตรวจจับและรายงานการอักเสบผ่านสัญญาณโมเลกุลเคมีอย่างน้อยสองชนิดคือไนตริกออกไซด์และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์

ยังมีระบบยีนที่เป็นเซ็นเซอร์ในธรรมชาติอีกเป็นพันเป็นหมื่นชนิดที่นักชีวสังเคราะห์อาจจะเอามาประยุกต์ใช้ตรวจวัดโมเลกุลสารพัดอย่างที่เราสนใจ ขณะที่ความก้าวหน้าด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์น่าจะทำให้เราย่อขนาด ยืดเวลาใช้งานและเพิ่มฟังก์ชั่นของตัวแคปซูลขึ้นไปได้อีกเยอะ

การผสานกันระหว่างงานชีววิทยาและงานดิจิทัลจะช่วยให้เราศึกษาทุกรายละเอียดในร่างกายเราได้ทุกที่ทุกเวลาในอนาคตอันใกล้นี้

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022