Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

 

คนขายพลั่วแห่งยุคตื่นทองไบโอเทค ตอนที่ 2

(ซีรีส์ประวัติศาสตร์อุตสาหกรรมไบโอเทคตอนที่ 14)

 

ย้อนไปช่วงปี 1950s โครงสร้างเกลียวคู่ของดีเอ็นเอเป็นที่ปรากฏ และกลไกพื้นฐานในการแสดงออกของยีนเริ่มถูกเปิดเผย ในเซลล์สิ่งมีชีวิตข้อมูลพันธุกรรมในยีนบนลำดับเบสของดีเอ็นเอต้องถูกถอดรหัส (transcribe) ออกมาเป็นลำดับเบสของอาร์เอ็นเอ จากนั้นก็ถูกแปลรหัส (translate) ออกมาเป็นลำดับอะมิโนของโปรตีน

ดังนั้น ลำดับเบสบนดีเอ็นเอ (DNA sequence) เป็นตัวกำหนดลำดับอะมิโนบนโปรตีน (protein sequence) ซึ่งก็จะเป็นตัวกำหนดรูปร่าง คุณสมบัติ และหน้าที่ต่างๆ ของโปรตีนนั้นอีกที

ช่วงยุค 1960s รหัสพันธุกรรม (genetic codon) ถูกไขกระจ่าง นั่นแปลว่าถ้าเรารู้ DNA sequence ก็จะบอกได้ว่าหลังถอดและแปลรหัสแล้วจะได้ Protein sequence อะไร

หรือถ้าเรารู้ Protein sequence เราก็บอกได้ว่า DNA sequence ที่เป็นต้นทางของมันควรจะหน้าตาแบบไหน

งานพันธุวิศวกรรมช่วงยุค 1970s ของบริษัท Genentech และทีมวิจัยอื่นๆ บอกเราว่าเราสามารถตัดต่อโยกย้ายดีเอ็นเอข้ามสิ่งมีชีวิตได้ หรือจะเอาดีเอ็นเอที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นมาในห้องแล็บด้วยกระบวนการทางเคมีใส่ลงเซลล์สิ่งมีชีวิตก็ได้

ดีเอ็นเอนี้สามารถเข้าไปกลมกลืนเป็นส่วนหนึ่งของดีเอ็นเอธรรมชาติ ถูกก๊อบปี้เพิ่มจำนวน (DNA replication) ไปพร้อมกับเซลล์ ถูกถอดและแปลรหัสออกมาเป็นโปรตีนได้ไม่ต่างจากดีเอ็นเอในธรรมชาติ

ดังนั้น ถ้าเราอยากผลิตโปรตีนอะไรเจ๋งๆ ขายได้แพงๆ เราก็แค่ตัดต่อเอาดีเอ็นเอต้นทางของมันไปใส่ในเซลล์ที่เลี้ยงง่ายๆ โตเร็วๆ อย่างพวกแบคทีเรียอย่าง E.coli ให้มันทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตโปรตีนให้เรา Genentech เล่นมุขนี้จนผลิตได้โปรตีนอย่างฮอร์โมนอินซูลินออกมาขายจนร่ำรวย (อ่านเพิ่มเติมตอนที่แล้ว)

ปัญหาคือจะเล่นมุขนี้ได้เราต้อง

1) รู้ว่าโปรตีนที่เราสนใจผลิตมี protein sequence อะไร?

2) สามารถสังเคราะห์ดีเอ็นเอที่มี DNA sequence แบบดีเอ็นเอต้นทางของโปรตีนนั้นๆ ได้

นี่คือความสำคัญของพลั่วสองอันแรกแห่งยุคตื่นทองไบโอเทคคือ เทคโนโลยีอ่านลำดับอะมิโนในโปรตีน (protein sequencing) และเทคโนโลยีเขียนลำดับเบสดีเอ็นเอ (DNA synthesis)

กรณีของ Genentech โชคดีที่ protein sequence ของอินซูลินเป็นที่รู้กันอยู่แล้วในเวลานั้นหลังจากทีมวิจัยอื่นๆ ศึกษามานานหลายปี ส่วนเรื่องสังเคราะห์ดีเอ็นเอก็ได้ทีมผู้ชำนาญระดับโลกจาก City of Hope มาช่วย กระนั้นก็ยังต้องทำงานกันหามรุ่งหามค่ำนับเดือนกว่าจะได้ดีเอ็นเอสังเคราะห์สายสั้นๆ มา

จะดีกว่าไหมถ้าเรามีเครื่องมือที่กดปุ่มปุ๊บก็อ่านลำดับอะมิโนในโปรตีนที่เราสนใจออกมาได้เลย หรือกดอีกปุ่มก็สังเคราะห์ดีเอ็นเอพร้อมให้เราไปตัดต่อทำพันธุวิศวกรรม?

เล่าถึงตรงนี้ต้องแนะนำตัวละครเพิ่มอีกสี่คน

Frederick Sanger นักชีวเคมีชาวอังกฤษ, Pehr Edman นักชีวเคมีชาวสวีเดน, Leroy Hood แพทย์นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน และ Marvin Caruthers นักเคมีสังเคราะห์ชาวอเมริกัน

 

ย้อนไปช่วงปี 1944 Frederick Sanger ในวัย 26 ปีทำงานเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกอยู่มหาวิทยาลัย Cambridge ด้วยประสบการณ์วิจัยจากสมัยทำวิทยานิพนธ์เกี่ยวกับกรดอะมิโน Sanger ได้รับโจทย์ให้หาลำดับอะมิโนในโปรตีนอินซูลินจากวัว หนึ่งในโปรตีนบริสุทธิ์ไม่กี่ชนิดที่สามารถหาซื้อได้ตามร้านขายยาทั่วไป

โปรตีนเป็นโพลิเมอร์ที่ประกอบจากกรดอะมิโนหลายชนิดเรียงต่อเป็นสายยาว เหมือนลูกปัดหลากสีขนาดจิ๋วร้อยกันบนเส้นด้าย ขนาดของมันเล็กเกินกว่าที่ตาหรือแม้แต่กล้องจุลทรรศน์ที่ดีที่สุดจะมองเห็น หรือถ้าจะย่อยสลายอะมิโนออกมาวิเคราะห์ทางเคมีก็จะบอกได้แค่ว่ามีอะมิโนอะไรบ้าง ไม่ได้บอกว่ามันเรียงลำดับยังไง

Sanger คิดค้นเทคนิคทางเคมีที่ใช้หาชนิดอะมิโนแค่ตัวเดียวบนปลายข้างหนึ่งของโปรตีนสำเร็จ จากนั้นก็ใช้ชุดเอนไซม์ที่สามารถตัดสายโปรตีนระหว่างคู่อะมิโนที่จำเพาะต่างๆ กัน โปรตีนที่ถูกตัดด้วยเอนไซม์แต่ละชนิดก็สามารถถูกเอามาหาชนิดของอะมิโนตรงปลายได้อีก

ด้วยวิธีนี้เราสามารถใช้ข้อมูลการตัดด้วยเอนไซม์บวกข้อมูลชนิดอะมิโนตรงปลายหลังการตัดเอามาปะติดปะต่อกันจนสามารถบอกชนิดอะมิโนทั้งหมดบนสายโปรตีนได้

Sanger ใช้เวลาลองผิดลองถูก พัฒนาเทคนิค ปะติดปะต่อข้อมูลอยู่ถึง 7 ปีกว่าจะรู้ลำดับอะมิโนทั้ง 51 ตัวของอินซูลินวัว มันกลายเป็นโปรตีนชนิดแรกของโลกที่ถูกอ่านลำดับอะมิโนสำเร็จ Sanger ในวัย 33 ปีตีพิมพ์งานวิจัยชิ้นสำคัญนี้ในปี 1951 เทคนิคของเขาถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการศึกษาโปรตีนอื่นๆ จนเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1958 ด้วยวัยเพียง 40 ปีเท่านั้น

ในช่วงเวลาไล่เลี่ยกัน Pehr Edman นักวิจัยหนุ่มอีกท่านจากสวีเดนก็พยายามพัฒนาวิธีหาลำดับอะมิโนของโปรตีนเช่นกัน เทคนิคของ Edman สามารถใช้บอกชนิดอะมิโนตรงสุดปลายสายโปรตีนได้เช่นเดียวกับเทคนิคของ Sanger แต่จุดต่างสำคัญคือด้วยวิธีของ Edman นี้เราสามารถปลดอะมิโนตรงสุดปลายสายออกไปและเอาโปรตีนส่วนที่เหลือมาหาชนิดอะมิโนตรงสุดปลายสายด้วยหลักการเดิมซ้ำอีกเรื่อยๆ หลายรอบ

ดังนั้น วิธีของ Edman (เรียกอีกชื่อว่า “Edman Degradation”) จึงเรียบง่ายกว่าของวิธี Sanger มากเพราะเราสามารถ “อ่าน” ลำดับอะมิโนจากตรงปลายสายมาได้เลยตรงๆ ทีละตัว

 

Edman ตีพิมพ์รายละเอียดเทคนิคของเขาหลังจาก Sanger สองปี แต่ก็ได้ต่อยอดเทคนิคนี้ไปไกลยิ่งกว่า

สิบกว่าปีหลังจากนั้น Edman ซึ่งได้ย้ายมานำทีมวิจัยโปรตีนอยู่ที่ St Vincent’s Institute of Medical Research (SVI) ออสเตรเลีย และได้ประดิษฐ์ต้นแบบ “เครื่องอ่านลำดับอะมิโนอัตโนมัติ (automated protein sequencer หรืออีกชื่อเล่นว่า Sequenator)” เครื่องแรกของโลกจนตีพิมพ์งานวิจัยนี้ในปี 1967

เครื่อง Sequenator ของ Edman สามารถอ่านลำดับอะมิโนจากโปรตีนขนาด 60 อะมิโนออกมาได้รวดเดียวเสร็จสมบูรณ์ภายในเวลาแค่หนึ่งชั่วโมงเท่านั้น

Edman ยืนกรานไม่จดสิทธิบัตรสิ่งประดิษฐ์ชิ้นนี้ เปิดให้ทีมวิจัยทั่วโลกเอาแบบไปสร้างใช้กันเองตามใจชอบ บริษัทขายเครื่องมือวิทยาศาสตร์สัญชาติอเมริกันชื่อดังอย่าง Beckman Spinco เอาแบบของ Edman ไปต่อยอดและผลิตเครื่อง Sequenator ออกมาขายดิบขายดีตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษที่ 1970s

 

สําหรับวงการไบโอเทคแล้วอุปกรณ์อย่าง Sequenator ไม่ใช่แค่พลั่วแต่อาจจะเปรียบเหมือนรถขุดแบ๊กโฮเลยด้วยซ้ำ งานศึกษาโครงสร้างโปรตีนจากที่เคยใช้คนทั้งทีมทำกันเป็นปีก็ลดลงเหลือแค่ใช้แรงงานคนคนเดียวในเวลาไม่กี่สัปดาห์

อีกไม่นานหลังจากนั้น เจ้าพ่อแห่งการประดิษฐ์อุปกรณ์วิจัยอัตโนมัติ (automation) จาก Caltech จะเอาไอเดียของ Sequenator ต่อยอดไปอีกขั้น สู่ทั้งงานสังเคราะห์และอ่านลำดับสายโปรตีนและดีเอ็นเอ เรื่องราว “Leroy Hood” แพทย์นักประดิษฐ์ผู้ที่ได้ชื่อว่าเป็นบิดาแห่งงาน Systems Biology กับ “Marvin Caruthers” นักเคมีสังเคราะห์ที่ทำให้เรามีดีเอ็นเอใช้กันถึงทุกวันนี้

ติดตามต่อตอนหน้า

 

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022