ยีสต์ หนอน และแมลงวัน ตอนที่ 2/3 (ประวัติศาสตร์อุตสาหกรรมไบโอเทคตอนที่ 47)

ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

 

ยีสต์ หนอน และแมลงวัน ตอนที่ 2/3

(ประวัติศาสตร์อุตสาหกรรมไบโอเทคตอนที่ 47)

 

“ไม่ต้องสงสัยเลยว่าผู้ชนะรางวัลโนเบลลำดับสี่ในปีนี้คือ Caenohabditis elegans”

– Sydney Brenner (Nobel Lecture : “Nature’s Gift To Science”)

 

ปี2002 Sydney Brenner, John E. Sulston และ Robert Horvitz ร่วมรับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาและการแพทย์ ด้วยผลงานค้นพบ “การควบคุมการแสดงออกของยีนในการพัฒนาอวัยวะและการตายของเซลล์”

ส่วนผู้รับรางวัลอันดับสี่ที่ Brenner พูดถึงเป็นหนอนตัวกลม สิ่งมีชีวิตต้นแบบ (model organism) ที่นักวิจัยทั้งสามท่านใช้เวลาครึ่งค่อนชีวิตศึกษา มันคือสัตว์ที่มนุษย์เรารู้จักดีที่สุด มีทั้งแผนที่ตำแหน่งโครงสร้างเซลล์ทุกเซลล์ของมันในร่างกาย มีทั้งแผนที่จีโนมที่ถูกอ่านรหัสสมบูรณ์ก่อนสัตว์ชนิดไหนๆ ในโลก บทเรียนจาก C.elegans ยังสอนเราเกี่ยวกับการสร้างและรักษาสังคมนักวิจัยที่เปิดกว้าง ร่วมมือประสานงานกันเหนียวแน่น จนกลายมาเป็นต้นแบบการจัดการโครงการที่ใหญ่กว่า การเมืองดุเดือดกว่าอย่างโครงการจีโนมมนุษย์

ศาสตร์ในวิชาชีววิทยาเริ่มต้นจากการศึกษาลักษณะใหญ่ๆ ที่สังเกตง่ายของสิ่งมีชีวิตอย่างกายวิภาค สรีรวิทยา พฤติกรรม ตามมาด้วยสิ่งที่นามธรรมหน่อยอย่างพันธุศาสตร์ (ในยุคที่เรายังไม่รู้กลไกเบื้องหลัง ทำได้แค่สังเกตแบบแผนการถ่ายทอดลักษณะ) ส่วนศาสตร์อย่างเซลล์วิทยา ชีวเคมีและชีวโมเลกุลเพิ่งมาช่วงร้อยกว่าปีมานี้ตอนที่เรามีเครื่องมืออย่างกล้องจุลทรรศน์และเทคนิคการวิเคราะห์เคมีต่างๆ ให้เราตรวจวัดสิ่งที่เล็กเกินกว่าตาเห็น

คำถามสำคัญคือเราจะเอาศาสตร์เหล่านี้มาร้อยเรียงเป็นภาพเดียวกันได้อย่างไร โมเลกุลและปฏิกิริยาเคมีที่เรียบง่ายไร้ชีวิตจะมาอธิบายการทำงานส่งถ่ายพันธุกรรม การทำงานของเซลล์ ไปจนถึงการประสานงานระหว่างเซลล์เป็นสิ่งมีชีวิตที่มีร่างกายและพฤติกรรมซับซ้อนได้อย่างไร

Brenner นักชีววิทยาชาวแอฟริกาใต้พยายามตอบคำถามนี้ตั้งแต่เมื่อกว่าเจ็ดทศวรรษที่แล้ว

Cr. ณฤภรณ์ โสดา

Brenner เกิดปลายทศวรรษที่ 1920s วัยไล่เลี่ยกับ James Watson และทำงานอยู่ที่ Cambridge ในช่วงเวลาใกล้เคียงกัน (1950s-1970s) เขาเป็นหนึ่งในคนแรกๆ ของโลก ที่ได้เห็นโมเดลเกลียวคู่ดีเอ็นเอของ Watson-Crick ในปี 1953 และได้ใช้เวลาอีกทศวรรษหลังจากนั้นร่วมบุกเบิกศาสตร์ใหม่ที่ชื่อว่า “ชีววิทยาโมเลกุล”

“ชีววิทยาโมเลกุล (molecular biology)” เชื่อมโยง “พันธุศาสตร์ (genetics)” เข้ากับ “ชีวเคมี (biochemistry)” นักชีววิทยาโมเลกุลพยายามอธิบายว่ารูปแบบการถ่ายทอดและแสดงออกพันธุกรรมที่นักพันธุศาสตร์ศึกษามานั้นเกิดจากโมเลกุลอะไรที่นักชีวเคมีรู้จักและโมเลกุลพวกนี้มีกลไกทำงานประสานกันอย่างไร

Brenner ร่วมค้นพบองค์ประกอบและหลักการทำงานของ mRNA, tRNA, genetic code ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการแสดงออกข้อมูลพันธุกรรมที่ส่งทอดมาในดีเอ็นเอสู่โปรตีน Brenner ศึกษาสิ่งเหล่านี้โดยใช้แบคทีเรียและไวรัสกินแบคทีเรีย (phage) เป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบ แบคทีเรียและไวรัสเลี้ยงง่าย โตเร็ว ดัดแปลงพันธุกรรมง่าย กลไกการแสดงออกยีนไม่ซับซ้อน และที่สำคัญคืออ่านผลได้ง่าย

หนึ่งยีนแสดงออกมาเป็นหนึ่งโปรตีน (เช่น เอนไซม์ย่อยสลายยาปฏิชีวนะ เอนไซม์เผาผลาญ/สังเคราะห์อาหาร โปรตีนโครงสร้างไวรัส ฯลฯ) อ่านผลออกมาได้เป็นหนึ่งลักษณะชัดๆ (เช่น ความสามารถในการดื้อยา ความสามารถในการใช้สารอาหาร หรือการสร้างอนุภาคไวรัส)

Sydney Brenner สร้างหนอน C.elegans พันธุ์กลายและแผนที่ยีน เพื่อใช้เป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบชนิดใหม่
Cr. ณฤภรณ์ โสดา

หลังจากไขปริศนาชีวโมเลกุลจนพอใจแล้ว Brenner มองหาโจทย์ที่ท้าทายขึ้น เขาตั้งคำถามต่อว่าปรากฏการณ์ในสเกลเล็กจิ๋วระดับชีวโมเลกุลจะไปเชื่อมโยงอธิบายปรากฏการณ์ในสเกลใหญ่สุดอย่างการเปลี่ยนแปลงทางกายวิภาค สรีรวิทยา และพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์อย่างมนุษย์ได้อย่างไร?

Brenner มองว่าการจะเริ่มตอบคำถามนี้อย่างน้อยเขาต้องการแผนที่สำคัญสองฉบับ : แผนที่ของยีนทุกยีนบนจีโนมและแผนที่ของเซลล์ทุกเซลล์บนร่างกาย นอกจากนี้ ยังต้องรู้เซลล์ว่าแต่ละเซลล์กำเนิดขึ้น ไปจัดเรียงตัวถูกที่ถูกตำแหน่ง และทำงานร่วมกันจนกลายเป็นสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์แบบได้อย่างไร?

ร่างกายมนุษย์มีเซลล์ประมาณสามสิบล้านล้านเซลล์ ระบบอวัยวะที่ซับซ้อนที่สุดอย่างระบบประสาทและสมองมีเซลล์อยู่แสนล้านเซลล์ แม้แต่สิ่งมีชีวิตต้นแบบด้านพันธุศาสตร์ที่นิยมสมัยนั้นอย่างแมลงวัน Drosophila melanogaster ก็มีเซลล์ประสาทอยู่ราวแสนเซลล์ มากเกินกว่าที่ใครจะทำแผนที่ไหว

Brenner หาสิ่งมีชีวิตต้นแบบตัวใหม่ที่เรียบง่ายยิ่งกว่าแมลงวัน แต่มีระบบอวัยวะต่างๆ ครบถ้วนเหมือนสัตว์ชั้นสูงโดยเฉพาะระบบประสาท เขาลงเอยที่ C.elegans หนอนตัวกลมขนาดเพียงหนึ่งมิลลิเมตร มีเซลล์ทั้งร่างกายโดยประมาณแค่หลักร้อยหลักพันเซลล์ เป็นเซลล์ประสาทราวๆ สามร้อยเซลล์ วงจรชีวิตก็สั้นเพียงสามวันครึ่งต่อรุ่น แถมยังลำตัวโปร่งใสสามารถส่องเห็นเครื่องใน เนื้อเยื่อ ลงไปถึงระดับเซลล์แต่ละเซลล์ได้โดยไม่ต้องผ่าชำแหละ

ต้นทศวรรษที่ 1960s Brenner ประกาศตั้งเป้าจะเข้าใจทุกแง่มุมของชีววิทยาทุกแขนงตั้งแต่ชีวโมเลกุลและพันธุศาสตร์ไล่ขึ้นไปจนถึงกายวิภาค สรีรวิทยาและพฤติกรรมของหนอนชนิดนี้

ตัวอย่างปกจดหมายข่าว Worm Breeder’s Gazette ของเหล่านักวิจัย C.elegans
Cr. The Worm Breeder’s Gazette, http://wbg.wormbook.org/

งานของ Brenner เริ่มตั้งแต่การศึกษาแผนที่ยีน เข้าใช้สารเคมีเหนี่ยวนำให้ C.elegans กลายพันธุ์จนมีลักษณะกายวิภาคหรือพฤติกรรม (เช่น รูปแบบการเลื้อย) ที่สังเกตได้ต่างๆ กันไป แล้วก็นำพันธุ์กลายพวกนี้มาผสมข้ามกันไปมา (C.elegans ปกติเป็น hermaphrodite มีสองเพศในตัวเดียว) ติดตามแบบแผนการถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรมคล้ายกับที่ Gregor Mendel ทำเมื่อร้อยปีก่อน แต่ในขณะที่ถั่วลันเตาของ Mendel ใช้เวลาหลายสัปดาห์กว่าจะออกเมล็ด หนอนของ Brenner ใช้เวลาแค่สามวันครึ่งเท่านั้น ความรู้เรื่องโครโมโซมยังทำให้ Brenner สามารถใช้แบบแผนการถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรมนี้ระบุว่ายีนไหนบ้างถ่ายทอดไปด้วยกันและน่าจะอยู่บนโครโมโซมเดียวกันในตำแหน่งใกล้กัน

Brenner ก้มหน้าก้มตาซุ่มทำงานนี้ไปเงียบๆ ร่วมสิบปีก็ได้ฤกษ์เปิดตัว C.elegans ในฐานะสิ่งมีชีวิตต้นแบบตัวใหม่ให้โลกรู้จัก ปี 1974 Brenner ตีพิมพ์งานวิจัยในหัวข้อ “The Genetics of Caenohabditis elegans” รายงานการค้นพบ C.elegans พันธุ์กลาย 300 ประเภท พร้อมกับแผนที่ยีนอีก 100 ยีนงานวิจัยชิ้นนี้ยังเล่าถึงหลักการคิดเกี่ยวกับการศึกษาพันธุศาสตร์ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์และรายละเอียดเทคนิคการทำงานกับ C.elegans มันกลายเป็นหนึ่งในงานวิจัยที่ได้รับการอ้างอิงสูงสุดในวงการอีกกว่าสองทศวรรษหลังจากนั้น

ทั้งขอบเขตงาน ขนาดทีมงาน และจำนวนผู้สนใจจะใช้ C.elegans เป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบขยายตัวออกไปอย่างรวดเร็ว ประมาณกันว่าช่วงต้นทศวรรษที่ 1990 มีทีมที่ใช้ C.elegans กว่า 100 ทีมทั่วโลก

สมาคม C.elegans ตีพิมพ์จดหมายข่าวชื่อว่า Worm Breeder’s Gazette ตั้งแต่ปี 1975 เป็นสื่อกลางให้บรรดาทีมวิจัยที่ทำงานกับหนอนตัวนี้ได้แชร์ไอเดีย เทคนิค และผลการทดลองสดๆ ร้อนๆ ที่ยังไม่ได้ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการอย่างเป็นทางการ เพื่อให้ทุกคนทำงานได้เร็วขึ้นและซ้ำซ้อนกันน้อยลง วัฒนธรรมเปิดกว้างแบบนี้เป็นเรื่องใหม่ในวงการวิชาการที่ต่างคนต่างจะแย่งกันเป็นเจ้าแรกที่ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานเด็ด

วัฒนธรรมสมานสามัคคีแบบนี้น่าจะเกิดขึ้นได้เพราะแทบทุกทีมวิจัย C.elegans ในตอนนั้นล้วนแต่เกี่ยวดองเคยเป็นลูกศิษย์ ลูกน้อง หรือเพื่อนร่วมงานของ Brenner ไม่ทางตรงก็ทางอ้อม สมาคมนักวิจัย C.elegans กลายเป็นสมาคมวิจัยที่สนิทสนมเหนียวแน่นกันที่สุดแห่งหนึ่งของวงการชีววิทยา