ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ

 

ไขปริศนา ‘โมเลกุลแรกแห่งชีวิต’

 

บางคำถามที่เรียบง่าย ก็อาจจะตอบได้ไม่ง่ายอย่างที่คิด!

ในปัจจุบัน ด้วยเทคโนโลยีทางอณูชีววิทยาที่พัฒนาไปอย่างก้าวกระโดด ความเข้าใจในเคมีของชีวิตนั้นก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว และเมื่อนักวิจัยเริ่มสามารถควบคุมลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตให้เป็นไปได้ตามประสงค์

ชีวิตในสายตาพวกเขา ก็เริ่มที่จะกลายเป็นอะไรที่ควบคุมได้ ไม่ต่างไปจากปฏิกิริยาเคมีในหลอดทดลอง ในเวลานี้ นักชีวสังเคราะห์บางพวกเริ่มมองชีวิตเป็นถุงของสารชีวเคมีไปแล้วก็มี

อย่างทีมวิจัยของเจฟ โบเก (Jef Boeke) ที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์ก (New York University) ที่พยายามเขียนจีโนมของยีสต์ขึ้นมาใหม่ ที่ตอนนี้ทำสำเร็จไปแล้วกว่าครึ่ง

ทีมวิจัยของวอลเลซ มาร์แชล (Wallace Marshall) และเวนเดล ลิม (Wendell Lim) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก (University of California San Francisco) ที่พยายามที่จะปรับแต่งเซลล์เวอร์ชั่น 2.0 ให้มีคุณสมบัติตามที่พวกเขาต้องการด้วยวิธีการสังเคราะห์ทางชีวเคมี

และทีมจากสถาบันวิจัยเจ เครก เวนเทอร์ (J Craig Ventor Institute) ที่ศึกษาการสร้างจีโนมสังเคราะห์ในแบคทีเรีย Synthia จนในตอนนี้ แทบจะออกแบบเซลล์กันเองได้แล้ว

ทว่า คำถามทีเรียบง่ายที่ว่า “ชีวิตแรกอุบัติขึ้นมาบนโลกนี้ได้อย่างไรนั้น?” ยังคงเป็นปริศนาที่ยังไม่มีคำตอบ

คําถามนี้ คือหนึ่งในประเด็นถกเถียงเผ็ดร้อนที่คั่งค้างมาเนิ่นนานในวงการชีววิทยา เพราะถ้าอิงกันตามทฤษฎีแบบจ๋าๆ แล้ว แนวคิดอะไรต่อมิอะไรหลายๆ อย่างเกี่ยวกับเรื่องนี้นั้นมันไม่ลงตัวอย่างรุนแรง

และหลายอย่างก็ยังไม่มีคำอธิบายอะไรที่ฟังดูเข้าท่า

สิ่งหนึ่งที่ชัดเจนคือ ถ้า “ชีวิตแรก” จะสืบต่อเผ่าพันธุ์ของพวกมันได้ พวกมันต้องมีสารพันธุกรรม และเพื่อที่จะดำรงอยู่และขยายเผ่าพันธุ์ของพวกมันได้บนโลกใบนี้ สารพันธุกรรมแรกแห่งชีวิตจะต้องมีคุณสมบัติสำคัญอย่างน้อยสองประการ

หนึ่ง คือ ต้องป็นต้นแบบ (self templating) ในการส่งต่อข้อมูลไปยังรุ่นต่อไปได้

และ สอง ต้องมีคุณสมบัติเป็นเอนไซม์ที่สามารถเร่งปฏิกิริยาในการก๊อปปี้ตัวเองได้ (self replication)

เพราะถ้าพวกมันเป็นต้นแบบในการคัดลอกตัวเองไม่ได้ การส่งต่อข้อมูลทางพันธุกรรมไปสู่รุ่นต่อไปก็อาจจะไม่เกิดขึ้น เพราะเมื่อไม่มีต้นแบบของรหัสพันธุกรรม การก๊อปปี้ก็จะเกิดขึ้นแบบมั่วซั่ว ผิดเพี้ยน จนท้ายที่สุด จะไม่มีการส่งต่อรหัสพันธุกรรมที่เป็นอัตลักษณ์ของตัวมันเองไปรุ่นต่อไป

และหากไม่มีคุณสมบัติเป็นเอนไซม์ที่สามารถเร่งปฏิกิริยาในการคัดลอกตัวเอง โอกาสที่พวกมันจะก๊อบปี้ตัวเองและเพิ่มจำนวนได้ในสิ่งเเวดล้อมนั้นก็จะแทบไม่มี การที่พวกมันจะแผ่กระจายขยายขนาดเผ่าพงศ์พันธุ์ไปทั่วจนเกิดวิวัฒนาการเป็นสิ่งมีชีวิตสารพัดนั้นก็คงแทบจะเป็นไปไม่ได้

แต่ก่อนที่จะไปไขปริศนาโลกแตกที่ว่าชีวิตนั้นเกิดขึ้นมาได้อย่างไร มีหนึ่งคำถามที่ต้องตอบให้ได้ก่อน ก็คือ โมเลกุลแรกแห่งชีวิตนั้นคืออะไร?

คำถามนี้ตอบยาก เพราะมันขัดกับหลักการหลายๆ อย่างที่นักชีววิทยาทั่วไปเชื่อกัน

 

ถ้าว่ากันตามทฤษฎีหลักมูลเรื่องการถ่ายทอดข้อมูลทางชีวภาพที่เรียกว่า Central Dogma ที่ว่าข้อมูลจากสารพันธุกรรม “ดีเอ็นเอ” จะถูกถอดรหัส (transcription) ไปเป็นสารตัวกลางที่เรียกว่า “อาร์เอ็นเอ” และจะถูกแปลรหัส (translation) ไปเพื่อสร้างเป็น “โปรตีน” เพื่อทำงานจิปาถะภายในเซลล์เพื่อให้ชีวิตดำรงอยู่ได้แล้ว

“โมเลกุลแรกแห่งชีวิต” ก็น่าที่จะเป็น “ดีเอ็นเอ”

ดีเอ็นเอ ประกอบขึ้นมาด้วยรหัสเป็นเบสสี่ตัว A T C G มีจุดเด่นคือเป็นสารพันธุกรรมสายคู่ที่เกาะเกี่ยวกันอย่างสวยงามเป็นโครงสร้างบันไดเวียนเกลียวคู่ แต่ละขั้นของบันไดคือคู่เบสที่จับกันอยู่อย่างจำเพาะเจาะจง เรียกว่าเบสคู่สม โดยเบส A จับกับเบส T และเบส C ก็จับกับเบส G ได้อย่างพอดิบพอดี

และด้วยโครงสร้างแบบนี้ สองสายของดีเอ็นเอที่อยู่คู่กันจะเป็นต้นแบบของกันและกันเสมอ ทว่า ด้วยโครงสร้างที่เกี่ยวกระหวัดรัดกันเป็นเกลียวคู่… ดีเอ็นเอก็เลยไม่มีโครงสร้างอะไรอื่นทางเคมีที่น่าสนใจ และไม่มีคุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาชีวเคมีใดๆ

ซึ่งหมายความว่าไม่ว่าจะทำยังไง พวกมันไม่น่าจะก๊อบปี้ตัวเองได้ด้วยตัวมันแอง…

 

ซึ่งถ้ามองต่างมุม อีกโมเลกุลหนึ่งที่น่าสนใจที่จะเป็นว่าที่โมเลกุลแรกแห่งชีวิตก็คือ “โปรตีน” เพราะทำงานได้สารพัด

โมเลกุลของโปรตีนที่ประกอบกันขึ้นมาจากกรดอะมิโนที่มีคุณสมบัติทางเคมีที่แตกต่างกัน 20 ชนิดที่ม้วนพับกันอย่างซับซ้อนเป็นสามมิติ เกิดเป็นโครงสร้างที่ทำงานแทบทุกอย่างภายในเซลล์ และเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมีได้อีก รวมทั้งปฏิกิริยาในการสร้างโปรตีนด้วย…

แม้จะเป็นแคนดิเดตที่ดูพอจะเป็นไปได้ ถ้ามองในแง่คุณสมบัติของเอนไซม์ แต่ทว่าโปรตีนนั้นกลับไม่มีกลไกอะไรที่จะถ่ายทอดรหัสพันธุกรรมจากรุ่นสู่รุ่นเลยแม้แต่น้อย ซึ่งทำให้สมมุติฐานที่ว่าโปรตีนนั้นอาจจะเป็นโมเลกุลแรกแห่งชีวิตนั้นตกไปอย่างน่าเสียดาย

“โมเลกุลแรกของชีวิตอาจจะเป็นอาร์เอ็นเอก็เป็นได้” อเล็กซานเดอร์ ริช (Alexander Rich) นักชีวฟิสิกส์ชื่อดังจากเอ็มไอที ตั้งสมมุติฐานเกี่ยวกับกำเนิดของสารพันธุกรรมขึ้นมาในปี 1962 ในบทความเรื่อง “On the problems of evolution and biochemical information transfer”

ซึ่งฟังดูน่าสนใจ เพราะแม้จะเป็นแค่สารตรงกลางที่ในสิ่งมีชีวิตทั่วไป เป็นแคนดิเดตนอกสายตา ทำหน้าที่แค่เหมือนกับเป็นตัวสารที่ส่งผ่านจากดีเอ็นเอเพื่อสั่งสร้างโปรตีน เสร็จแล้วก็ถูกทำลายไป แต่ทว่าอาร์เอ็นเอกลับมีคุณสมบัติทุกอย่างครบถ้วนที่จะเป็น “โมเลกุลแรกแห่งชีวิต”

แม้จะอยู่เป็นสายเดี่ยว อาร์เอ็นเอมีคุณสมบัติเบสคู่สม เบส A จับกับเบส U และเบส C จับกับเบส G ไม่ต่างกันกับกลไกการจับคู่ในสายดีเอ็นเอ และนั่นหมายความว่าพวกมันสามารถเป็นต้นแบบเพื่อก๊อบปี้ตัวเองได้ ไม่ต่างไปจากดีเอ็นเอเช่นกัน

และที่น่าสนใจยิ่งกว่าคืออาร์เอ็นเอนั้น ไม่ได้พันกันเป็นเกลียวคู่เหมือนดีเอ็นเอ แต่อยู่กันเป็นสายเดี่ยวๆ ที่ม้วนพับกันเองเป็นโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อนไม่ต่างจากโปรตีน

 

“บางที อาร์เอ็นเอ อาจจะมีคุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาได้ก็เป็นได้” คาร์ล วูเซ (Carl Woese) เจ้าพ่ออาร์เคีย (Archaea – แบคทีเรียโบราณ) จากมหาวิทยาลัย อิลลินอยด์ (University of Illinois Urbana Champaign) ฟรานซิส คริก (Frances Crick) หนึ่งในคู่หูดูโอที่ค้นพบโครงสร้างของดีเอ็นเอ และเลสลีย์ ออร์เจล (Leslie Orgel) ผู้บุกเบิกการศึกษากำเนิดของชีวิต จากสถาบันวิจัยซอล์ก (Salk Institute for Biological Studies) ตั้งสมมุติฐานขึ้นมาในปี 1967

และไม่กี่ปีหลังจากนั้น โทมัส เช็ก (Thomas Cech) จากมหาวิทยาลัยโคโลราโด (University of Colorado) ก็ค้นพบอาร์เอ็นเอที่สามารถเร่งปฏิกิริยาทางเคมีและมีคุณสมบัติเป็นเอนไซม์ได้จริงๆ… ฉีกตำราชีวเคมีสมัยนั้นที่ว่าเอนไซม์ต้องเป็นโปรตีนเท่านั้นจนขาดวิ่นไม่เหลือชิ้นดี

เขาเรียกอาร์เอ็นเอที่มีคุณสมบัติเป็นเอนไซม์ว่า “ไรโบไซม์ (ribozyme)”

 

หลังจากการค้นพบไรโบไซม์ ทุกอย่างก็เริ่มกระจ่างขึ้น และนั่นเป็นแรงบันดาลใจทำให้วอลเทอร์ กิลเบิร์ต (Walter Gilbert) สรุปรวบยอดไอเดียจากของทุกคนรวมกันแล้วเสนอเป็นสมมุติฐานใหม่ขึ้นมาเรียกว่า “RNA World Hypothesis” ที่ว่าอาร์เอ็นเอที่ก๊อบปี้ตัวเองได้เป็นโมเลกุลแรกแห่งชีวิตที่เป็นจุดเริ่มต้นของการวิวัฒนาการของสารพันธุกรรมบนโลก…ตั้งแต่ก่อนที่ดีเอ็นเอและโปรตีนจะมามีเอี่ยวด้วย

ไอเดียค่อนข้างชัด ภาพเริ่มเห็นแจ่มกระจ่าง แต่อาร์เอ็นเอเร่งปฏิกิริยาก๊อบปี้ตัวเองได้อย่างไรนั้นยังไม่มีใครเคยรู้

และเพื่อศึกษากลไกการก๊อบปี้ตัวเองของอาร์เอ็นเอ…ทีมวิจัยของมหาวิทยาลัยอาร์ฮุส (Aarhus University) และจากห้องทดลองอณูชีววิทยา ภาคีวิจัยการแพทย์ เคมบริดจ์ (Laboratory of Molecular Biology, Medical Research Council, Cambridge) ได้จำลองแบบการวิวัฒน์ของอาร์เอ็นเอไรโบไซม์ในหลอดทดลองจนสามารถสร้างไรโบไซม์ที่ก๊อบปี้อาร์เอ็นเอสายยาวได้เป็นผลสำเร็จ

และเพื่อทำความเข้าใจกลไก การเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมีของไรโบไซม์ ทีมวิจัยตัดสินใจที่จะเดินหน้าศึกษาโครงสร้างของไรโบไซม์ที่สามารถก๊อบปี้อาร์เอ็นเอได้นี้ด้วยเทคนิคจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเย็นยิ่งยวด (Cryogenic Electron Microscopy)

และในเดือนมกราคม ปี 2024 พวกเขาก็เผยแพร่การค้นพบของพวกเขาออกมาในวารสาร Proceeding of National Academy of Sciences of America นำเสนอโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อนของไรโบไซม์ที่ทำให้วงการการศึกษาการกำเนิดของสิ่งมีชีวิตนั้นสะท้านสะเทือน

เพราะงานนี้นอกจากจะเปิดโอกาสให้เราเข้าใจกำเนิดของชีวิตแรกของโลกได้อย่างลึกซึ้งมากยิ่งขึ้นแล้ว ยังอาจจะนำไปสู่การสร้างเทคโนโลยีในการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาหรือคะตะลิสต์ใหม่ๆ จากอาร์เอ็นเอที่จะเป็นคุณูปการอย่างมหาศาลกับวงการเทคโนโลยีชีวภาพอีกด้วย…

แต่จะวิวัฒน์ไปได้ไกลแค่ไหน คงต้องติดตามต่อไป…

 

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022