Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

 

ขุมทรัพย์บนลำดับเบส (2)

(ซีรีส์ประวัติศาสตร์อุตสาหกรรมไบโอเทคตอนที่ 24)

 

ข้ามมาที่ฝั่งอเมริกา ทีมของ Walter Gilbert จากมหาวิทยาลัย Harvard (ทีมเดียวกับที่แข่งทำอินซูลินและอินเตอร์เฟียรอนกับทีม Genentech ที่เราอ่านไปหลายตอนก่อน) คิดค้นอีกวิธีสำหรับอ่านลำดับเบสดีเอ็นเอ

วิธีของ Gilbert ไม่ได้ใช้เอนไซม์สังเคราะห์ดีเอ็นเอแต่ใช้กระบวนการทางเคมีตัดสายดีเอ็นเอแบบจำเพาะชนิดเบส ดีเอ็นเอที่มีลำดับเบสต่างกันก็จะถูกตัดที่ต่างตำแหน่งกัน และได้ชิ้นดีเอ็นเอออกมาขนาดต่างกัน ข้อมูลความยาวดีเอ็นเอขนาดต่างๆ ที่ได้จากการตัดนี้สามารถใช้บอกลำดับเบสของดีเอ็นเอตั้งต้นได้เช่นกัน

วิธีนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ “Maxam-Gilbert Sequencing” (Alan Maxam เป็นลูกศิษย์ของ Gilbert ที่คิดงานนี้) ตีพิมพ์ในปี 1977 เช่นกัน

และเคลมว่าสามารถอ่านลำดับเบสได้คราวละกว่า 100 เบส แถมยังเรียบง่ายกว่าวิธีของ Sanger เสียอีก

แต่ในปี 1977 อีกเช่นกัน Sanger ก็ตีพิมพ์งานวิจัยอีกชิ้นที่ต่อยอดมาจาก “Plus and Minus Technique” วิธีใหม่นี้ยังคงใช้การสังเคราะห์ดีเอ็นเอด้วยเอนไซม์ แต่เพิ่มการใช้นิวคลิโทไทด์พิเศษ (ddNTP) ที่สามารถหยุดการสังเคราะห์สายดีเอ็นเอได้แม่นยำกว่าเดิม ด้วยหลักการนี้ Sanger สามารถอ่านลำดับเบสไปได้ถึงคราวละ 80-200 เบสหรือไปได้ถึง 300 เบสในบางครั้ง

Sanger เรียกวิธีนี้ว่า “Chain Termination Sequencing” แต่หลายคนรู้จักมันในชื่อ “Sanger Sequencing” กลายเป็นวิธีการหลักที่นักชีวโมเลกุลใช้อ่านลำดับเบสดีเอ็นเอไปอีกหลายสิบปี และยังคงเป็นมาตรฐานอ้างอิงในการอ่านลำดับเบสดีเอ็นเอในปัจจุบัน

ปี 1980 เพียงสามปีหลังจาก “Maxam-Gilbert Sequencing” และ “Sanger Sequencing” ได้รับการตีพิมพ์ Gilbert และ Sanger ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีจากผลงานพัฒนาเทคนิคอ่านลำดับเบสนี้

Sanger กลายเป็นนักวิจัยเพียงหนึ่งในห้าคนในประวัติศาสตร์ที่ได้รางวัลโนเบลถึงสองครั้ง และเป็นคนเดียวที่ได้สาขาเคมีทั้งสองครั้ง

อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าจะเป็นเทคนิคของ Gilbert หรือของ Sanger ในเวลานั้นยังคงเป็นเทคนิคเฉพาะทางที่ต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญ ทำงานกันในกลุ่มวิจัยสเกลเล็กๆ กว่าจะตัดหรือสังเคราะห์ดีเอ็นเอแต่ละขั้น กว่าจะเอาชิ้นดีเอ็นเอมาหาขนาดในวุ้นเจล กว่าจะเอาข้อมูลขนาดมาปะติดปะต่อกันเป็นลำดับเบสทั้งหมดของดีเอ็นเอ

ยุคจีโนมจะเริ่มต้นขึ้นไม่ได้เลยถ้าเทคนิคเหล่านี้ยังไม่ถูกเอามาทำให้เรียบง่าย อัตโนมัติ สำเร็จรูป กดปุ่มเดียวจบ ฯลฯ

ต่อจากนี้เป็นส่วนของเจ้าพ่อแห่งเครื่องมือและการทำอัตโนมัติ Leroy Hood จากมหาวิทยาลัย Caltech และบริษัท Applied Biosystems (ABI)

 

“ถ้าอยากทำวิจัยด้านชีววิทยาจงเลือกหัวข้อวิจัยที่อยู่สุดพรมแดนขององค์ความรู้ และถ้าอยากไปอยู่สุดพรมแดนขององค์ความรู้ก็จงประดิษฐ์เครื่องมือใหม่ๆ ที่ไขความลับของข้อมูลในสิ่งมีชีวิต” Hood จำคำสอนของอาจารย์ได้ขึ้นใจ

ทีมของ Hood ประดิษฐ์เครื่องอ่านลำดับอะมิโนบนโปรตีน (protein sequencer) สำเร็จในปี 1980

และอีกสองปีถัดมาก็ต่อยอดเป็นผลิตภัณฑ์ตัวแรกของ ABI บริษัทขายเครื่องมือวิทยาศาสตร์ที่เขาร่วมก่อตั้ง

ในช่วงเวลาไล่เลี่ยกันก็ไปร่วมมือกับนักสังเคราะห์ดีเอ็นเออย่าง Marvin Caruthers ประดิษฐ์เครื่องสังเคราะห์ดีเอ็นเอ (DNA synthesizer) ออกมาวางขายผ่าน ABI อีกเช่นกัน

แนวคิดหลักของ Hood ก็คือไปหาเทคนิคแล็บสำคัญๆ ที่คนใช้อยู่ตอนนั้น แล้วก็สร้างระบบอัตโนมัติขึ้นมาครอบไว้ซะ ทำให้มันง่าย เร็ว แม่นยำ สำเร็จรูป ทุกคนเข้าถึงได้

เทคนิคอ่านลำดับอะมิโนคิดค้นโดย Pehr Edman, เทคนิคสังเคราะห์ดีเอ็นเอคิดค้นโดย Marvin Caruthers แต่ก็ได้ทีมของ Hood และ ABI ทำเครื่องออกมาขายได้

เรื่องการอ่านลำดับเบสดีเอ็นเอก็เช่นกัน

ทีมของ Hood ที่ Caltech เริ่มทดลองประดิษฐ์เครื่องอ่านลำดับเบสดีเอ็นเออัตโนมัติ (DNA sequencer) ตั้งแต่ปลาย 1970s ลองทั้งเวอร์ชั่นที่ใช้เทคนิคของ Maxam-Gilbert และของ Sanger

เขาเล่าว่า DNA sequencer เป็นงานหินที่สุดแล้วในบรรดาเครื่องมือทั้งหมดที่ประดิษฐ์ขึ้นตอนอยู่ Caltech

 

ทีมงานมาลงเอยใช้เทคนิคของ Sanger ซึ่งทำอัตโนมัติได้ง่ายกว่า ไอเดียสำคัญ ได้แก่

(1) การเปลี่ยนจากการวัดขนาดดีเอ็นเอบนเจลแผ่นใหญ่บนสนามไฟฟ้า เป็นเจลที่บรรจุในหลอดบางๆ (capillary electrophoresis) นอกจากประหยัดเจล ดีเอ็นเอ และพื้นที่แล้ว ยังทำให้เพิ่มความละเอียดและวัดขนาดดีเอ็นเอได้หลายๆ ตัวอย่างพร้อมกัน

(2) การใช้นิวคลิโอไทด์ติดสารเรืองแสงเพื่อหยุดการสังเคราะห์และตรวจจับดีเอ็นเอบนเจลเรืองแสงสี่สีสำหรับเบสสี่แบบ วิธีนี้ทำให้สามารถอ่านลำดับเบสทั้งสี่ชนิดในหลอดเดียว แทนที่จะต้องแยกกันสี่หลอดเหมือนเวอร์ชั่นดั้งเดิม

(3) ระบบเลเซอร์อ่านตำแหน่งดีเอ็นเอและคอมพิวเตอร์ประมวลผลออกมาเป็นลำดับเบสได้เลย แทนที่จะต้องให้นักวิจัยไปส่องเจลวัดตำแหน่งเองให้ยุ่งยาก

Hood เล่าว่าไอเดียพวกนี้จริงๆ เรียบง่ายมาก ทีมงานคิดออกในครึ่งวัน ส่วนที่ยากคือรายละเอียดการออกแบบเครื่อง และปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ให้มันทำงานประสานกันได้ราบรื่น

ทีมงานปลุกปล้ำกับรายละเอียดพวกนี้อยู่หลายปี ผลงานวิจัยต้นแบบ DNA Sequencer เครื่องแรกของโลกตีพิมพ์ในวารสาร Nature ในปี 1986 และ ABI ก็ออกเวอร์ชั่นพร้อมวางขาย (Model 370A DNA sequencing System) ในปีถัดมา

ต้นทศวรรษที่ 1980s ก่อนที่เครื่อง DNA Sequencer จะออกตลาดก็มีหลายทีมวิจัยเริ่มทำงานอ่านดีเอ็นเอจากจีโนมกันบ้างแล้ว แต่ทำกันไปช้าๆ ตามกำลังที่จำกัด

จีโนมของไวรัสกินแบคทีเรียชนิด Lambda และชนิด T7 ขนาดจีโนม 40,000-50,000 เบส (ใหญ่กว่า PhiX174 เกือบสิบเท่า) ถูกอ่านลำดับเบสสำเร็จช่วงปี 1982-1983

นอกจากนี้ ยังมีจีโนมไวรัสอีสุกอีใสขนาดกว่า 100,000 เบส, จีโนมแบคทีเรีย Escherichia coli ขนาดหลายล้านเบส หรือแม้แต่จีโนมหนอน Caenorhabditis elegans ขนาดหลายสิบล้านเบสที่เริ่มมีคนอ่านลำดับเบสไปบ้างบางส่วน

 

เทรนด์การศึกษาจีโนมที่กำลังก่อตัวขึ้นบวกกับข่าวความสำเร็จของทีม Hood ในการสร้างเครื่อง DNA sequencer ทำให้นักวิจัยหลายคนเริ่มฝันไปไกลว่าอีกไม่นานเราน่าจะอ่านลำดับเบสของจีโนมมนุษย์ได้ จีโนมที่คาดกันว่าขนาดถึงราวๆ สามพันล้านเบส ใหญ่กว่าทุกจีโนมที่เคยอ่านสำเร็จกันมาหลายหมื่นเท่า

หนึ่งผู้ฝันไกลนี้ Robert L. Sinsheimer คืออดีตอาจารย์จาก Caltech อีกคนที่ย้ายไปเป็นอธิการบดีของ University of California, Santa Cruz (UCSC) เมื่อไม่กี่ปีก่อน

UCSC เป็นมหาวิทยาลัยน้องใหม่สุดของเครือมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียในเวลานั้น Sinsheimer นักชีวโมเลกุลที่ติดตามเทรนด์จีโนมมาอย่างใกล้ชิดวาดฝันว่า ถ้าแคมปัส UCSC จะจารึกชื่อไว้ในฐานะมหาวิทยาลัยวิจัยแนวหน้า มหาวิทยาลัยก็ควรจะต้องมีเมกะโปรเจ็กต์สะเทือนโลกสักโครงการหนึ่ง อภิมหาโปรเจ็กต์ระดับเดียวกับโครงการระเบิดนิวเคลียร์ (Manhattan project) ที่แคมปัสลูกพี่อย่าง University of California, Berkeley เป็นหนึ่งในโต้โผใหญ่

24 พฤษภาคม 1985 Sinsheimer จัดเวิร์กช็อปเชิญ 12 ยอดฝีมือด้านจีโนมแห่งยุคจากทั่วโลกรวมทั้ง Hood และ Gilbert มาร่วมระดมความคิดกับนักวิจัยที่ UCSC วาดเมกะโปรเจ็กต์ชิ้นแรกในประวัติศาสตร์วงการชีววิทยา

“The Human Genome Project”

ติดตามต่อตอนหน้าครับ

 

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022