Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

 

กำเนิดอุตสาหกรรมพืช GMO (2)

(ซีรีส์ประวัติศาสตร์อุตสาหกรรมไบโอเทค ตอนที่ 54)

 

ธุรกิจฝั่งเคมีการเกษตร (agrochemical industry) ไปไกลกว่าธุรกิจฝั่งเมล็ดพันธุ์มากและถูกครอบครองโดยบริษัทเคมีภัณฑ์ยักษ์ใหญ่ที่เก่าแก่ไม่กี่เจ้า

บริษัทพวกนี้เติบโตมาจากธุรกิจเคมีอุตสาหกรรม ปิโตรเลียม และเภสัชกรรมตั้งแต่ช่วงศตวรรษที่ 19 ยกตัวอย่างเช่น Royal Dutch/Shell, ICI, Upjohn, Sandoz, Ciba-Geigy, Bayer, BASF ฯลฯ จากนั้นก็เอาฐานเทคโนโลยีที่มีมาใช้กับการผลิตปุ๋ยและยากำจัดศัตรูพืชสอดรับกับการปฏิวัติเขียว (green revolution)

ช่วงต้นถึงกลางศตวรรษที่ 20 การทำเกษตรแปลงใหญ่ การใช้เครื่องจักรกล ระบบชลประทาน เมล็ดพันธุ์คุณภาพสูง และเคมีการเกษตรส่งเสริมกันและกันจนพาให้ธุรกิจกลุ่มนี้ใหญ่โตจนเป็นบริษัทข้ามชาติระดับโลก

พอถึงทศวรรษที่ 1970 ธุรกิจฝั่งเคมีการเกษตรมีแนวโน้มจะถึงจุดอิ่มตัว ประกอบกับในปี 1970 สหรัฐมีการออก Plant Variety Protection Act (PVPA) ปกป้องการถือสิทธิในพันธุ์พืชใหม่ของผู้พัฒนาพันธุ์ บริษัทเคมีการเกษตรรายใหญ่ก็พากันขยายตลาดเข้ามาสู่อุตสาหกรรมเมล็ดพันธุ์ด้วย โดยเข้าไปไล่ซื้อกิจการบริษัทเมล็ดพันธุ์รายย่อยๆ ที่เกิดมาช่วงต้นศตวรรษที่ 20 จนเกือบหมด

บริษัทใหญ่พวกนี้ทุนหนากระเป๋าหนักสามารถอัดฉีดเงินวิจัยลงไปในการพัฒนาเมล็ดพันธุ์ได้แทบไม่อั้น

อย่างไรก็ตาม จนถึงสิ้นทศวรรษที่ 1970s ในขณะที่วงการไบโอเทคเริ่มบูมจากการพัฒนาเทคนิคตัดต่อดีเอ็นเอในแบคทีเรีย เราก็ยังไม่สามารถจะไปวิศวกรรมปรับเปลี่ยนดีเอ็นเอในพืชโดยตรงได้

พืชเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ที่โครงสร้างซับซ้อน การจะพันธุวิศวกรรมพืชทั้งต้นได้เราต้องสามารถเอาดีเอ็นเอเอาเอนไซม์และเครื่องมือปรับแต่งพันธุกรรมอะไรต่อมิอะไรยัดใส่เข้าเซลล์ทะลุถึงนิวเคลียสเพื่อไปฝังยีนที่เราสนใจไว้ในจีโนม จากนั้นก็แยกเอาเฉพาะเซลล์พืชที่วิศวกรรมสำเร็จออกมาเลี้ยงให้กลับเป็นพืชที่สมบูรณ์เต็มต้นอีกครั้ง

งานนี้จึงโหดหินกว่าการเอาดีเอ็นเอวงกลมๆ หรือ “พลาสมิด” (plasmid) เข้าออกเซลล์แบคทีเรียมาก

จุดเริ่มต้นของการพันธุวิศวกรรมพืชมีที่มาจากศาสตร์อีกแขนงที่ดูไม่ค่อยเกี่ยวกันเท่าไหร่ว่าด้วยพยาธิวิทยาของพืช (plant pathology)

วิทยาศาสตร์ของโรคพืชถูกพัฒนาขึ้นมาคู่ขนานกับทฤษฎีเชื้อโรค (germ theory) ในมนุษย์และสัตว์ตั้งแต่ช่วงศตวรรษที่ 19 การประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์และเทคนิคคัดแยกเชื้อทำให้เราสามารถศึกษาจุลินทรีย์ที่เล็กเกินกว่าตามองเห็นได้

Erwin F. Smith นักวิจัยจากกระทรวงเกษตรสหรัฐช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ถึงต้นศตวรรษที่ 20 ได้รับการยกย่องว่าเป็นบิดาแห่งแบคทีเรียในพืช (Father of phytobacteriology) Smith รายงานการศึกษาแบคทีเรียก่อโรคพืชกว่าร้อยสายพันธุ์ หนึ่งในนั้นคือแบคทีเรียชนิด Agrobacterium tumefaciens ที่ก่อให้เกิดโรคปุ่มปมในกิ่งก้าน ลำต้นและรากพืชหลายชนิด (crown gall disease)

A. tumefaciens มีสถานะเป็นเพียงหนึ่งในแบคทีเรียก่อโรคพืชมาหลายสิบปีจนกระทั่งช่วงต้นทศวรรษที่ 1950s Armin Braun นักวิจัยโรคพืชอีกท่านตั้งข้อสังเกตถึงคุณสมบัติประหลาดของเนื้อเยื่อปุ่มปมจากแบคทีเรียนี้

เนื้อเยื่อดังกล่าวสามารถเจริญบนอาหารเพาะเลี้ยงไปได้โดยไม่ต้องเติมฮอร์โมนพืชซึ่งปกติต้องใช้ในการกระตุ้นการแบ่งเซลล์ และแม้จะกำจัด A. tumefaciens ทิ้งไปแล้วเนื้อเยื่อพืชที่เคยติดเชื้อก็ยังคงสภาพและโตต่อไปเรื่อยๆ ได้เป็นปีไม่แก่ไม่ตาย

Braun สรุปว่า A. tumefaciens น่าจะต้องให้ “อะไรบางอย่าง” ที่มอบความเป็นอมตะให้เซลล์พืชพวกนี้ในระหว่างกระบวนการติดเชื้อ

และ “อะไรบางอย่าง” ที่ว่าจะต้องสามารถก็อบปี้เพิ่มจำนวนตัวเองได้ไม่ถูกเจือจางไปเมื่อเซลล์พืชแบ่งตัวเพิ่มจำนวน

 

การค้นพบของ Braun เป็นเรื่องใหม่มากในบริบทของประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ยุคนั้น

เราเพิ่งค้นพบว่าดีเอ็นเอคือสารพันธุกรรมที่สามารถส่งถ่ายระหว่างเซลล์แบคทีเรียได้ไม่ถึงหนึ่งทศวรรษก่อนหน้า

ส่วนการค้นพบโครงสร้างดีเอ็นเอ กลไกการแสดงของยีน พลาสมิด และเซลล์มะเร็งอมตะจากมนุษย์ที่เพาะเลี้ยงไปได้เรื่อยๆ (HeLa cell) ก็เพิ่งเกิดขึ้นในทศวรรษที่ 1950s เดียวกันนี้

ดังนั้น ไม่แปลก Braun และนักวิจัยร่วมยุคยังคิดไม่ออกว่าเกิดอะไรขึ้นระหว่าง A. tumefaciens และเซลล์พืชกันแน่

ล่วงเลยมาถึงปี 1970 George Morel นักวิจัยชาวฝรั่งเศสค้นพบว่าเซลล์เนื้องอกพืชจาก A. tumefaciens สามารถผลิตโมเลกุลอาหารในกลุ่ม opine (โมเลกุลลูกผสมระหว่างกรดอะมิโนและน้ำตาล) ที่เนื้อเยื่อพืชปกติผลิตไม่ได้

ที่น่าสนใจคือชนิดของ opine ที่ผลิตไม่ได้ขึ้นอยู่กับชนิดของพืชแต่ขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ของ A. tumefaciens

การค้นพบนี้ทำให้ Morel เสนอว่าแบคทีเรีย A. tumefaciens น่าจะส่งดีเอ็นเอที่มียีนผลิต opine ของตัวเองเข้าไปในเซลล์พืช เมื่อเซลล์พืชที่กลายเป็นเนื้องอกก็สังเคราะห์ opine ออกมาให้ A. tumefaciens ใช้ประโยชน์

ข้อเสนอของ Morel ไม่ค่อยได้รับการยอมรับในแวดวงวิชาการ จนถึงเวลานั้นเราเคยเห็นแต่ตัวอย่างการส่งถ่ายดีเอ็นเอระหว่างแบคทีเรียด้วยกัน

มันฟังดูเหลือเชื่อเกินไปที่แบคทีเรียจะสามารถส่งดีเอ็นเอไปแสดงออกได้ในเซลล์พืชสิ่งมีชีวิตต่างอาณาจักรที่ห่างไกลกันเป็นพันล้านปีในทางวิวัฒนาการ

 

ปีถัดมาอีกทีมวิจัยจากสหรัฐรายงานว่า ถ้าเอา A. tumefaciens ตัวที่ก่อโรคปุ่มปมเนื้องอกในพืชมาเลี้ยงที่อุณหภูมิสูงซักระยะมันจะสูญเสียความสามารถก่อโรคไป

ส่วนอีกทีมวิจัยจากออสเตรเลียค้นพบว่าถ้าเอา A. tumefacians ตัวก่อโรคมาเลี้ยงร่วมกับตัวไม่ก่อโรค มันจะสามารถถ่ายทอดความสามารถในการก่อโรคให้กันได้ด้วย

หลักฐานพวกนี้บ่งชี้ว่า “อะไรบางอย่าง” ที่เกี่ยวข้องกับการเกิดปุ่มปมนี้น่าจะอยู่บน “พลาสมิด” ชิ้นดีเอ็นเอนอกโครโมโซมที่ในเวลานั้นรู้กันว่าสามารถส่งถ่ายระหว่างแบคทีเรียด้วยกันได้ และสูญหายไปได้ถ้าเจอความร้อน

อย่างไรก็ดี สมมุติฐานดังกล่าวก็ยังพิสูจน์ไม่ได้ง่ายๆ หลายทีมวิจัยพยายามตรวจจับดีเอ็นเอของ A. tumefacians ในเซลล์เนื้องอกพืชแต่ก็ไม่เจอ

ครั้นจะพยายามสกัดพลาสมิดจากเซลล์ A. tumefacians ออกมาศึกษาก็สกัดไม่ได้อีก

ปี 1974 ทีมวิจัยของ Jeff Schell และ Marc van Montagu จาก University of Ghent ประเทศเบลเยียมสกัดพลาสมิดจาก A. tumefacians สำเร็จ

พลาสมิดนี้มีขนาดหลายร้อยกิโลเบสใหญ่กว่าพลาสมิดที่รู้จักกันทั่วไปในขณะนั้นหลายสิบเท่า

ดังนั้น ไม่แปลกที่ก่อนหน้านี้จะไม่มีใครสกัดพลาสมิดนี้ออกมาได้ด้วยเทคนิคทั่วไปที่เหมาะกับพลาสมิดขนาดเล็ก

พลาสมิดขนาดยักษ์นี้พบได้เฉพาะใน A. tumefacians สายพันธุ์ก่อโรค เป็นอีกหนึ่งหลักฐานสำคัญว่ามันคือตัวต้นเหตุของปุ่มปมเนื้องอกในพืช

Schell และ Montagu ตั้งชื่อพลาสมิดนี้ว่า Tumor inducing (Ti) Plasmid

 

ปี1974 ยังเป็นปีเกิดของเทคโนโลยีดีเอ็นลูกผสมเมื่อ Herbert Boyer แห่ง UCSF และ Stanley Cohen แห่ง Stanford ตีพิมพ์ผลงานตัดต่อโคลนชิ้นดีเอ็นเอใส่พลาสมิดด้วยเอนไซม์ตัดจำเพาะและส่งเข้าไปเพิ่มจำนวนแบคทีเรีย

ผลงานนี้นำมาสู่การเริ่มต้นของอุตสาหกรรมไบโอเทคยุคใหม่และการกำเนิดของบริษัท Genentech

ในปีเดียวกันนี้ Schell และ Montagu จัดงานประชุมวิชาการที่เบลเยียมว่าด้วยการโคลนนิ่งดีเอ็นเอและอ่านลำดับเบส ได้บรรดาตัวพ่อของวงการอย่าง Frederick Sanger, Walter Gilbert, Herbert Boyer และ Stanley Cohen มาร่วมงาน

Montagu เล่าว่างานประชุมครั้งนั้นและคอนเนกชั่นกับเหล่านักวิจัยชั้นนำในวงการไบโอเทคเหล่านี้ช่วยให้งานของทีมเขาที่ Ghent ก้าวกระโดดไปไกล

การค้นพบพลาสมิด Ti และความเข้าใจในกลไกการส่งดีเอ็นเอของ A. tumefacians เมื่อมาผนวกกับความสามารถในการโคลนนิ่งตัดต่อยีนใส่พลาสมิดตามใจก็น่าจะเปิดทางให้เราสามารถพันธุวิศวกรรมพืชได้

 

ข้ามมาที่ฝั่งสหรัฐ Mary-Dell Chilton จาก University of Washington, Seattle รวมทีมนักวิจัยศึกษากลไกโรคปุ่มปมมาตั้งแต่ต้น 1970s พยายามพัฒนาวิธีตรวจจับดีเอ็นเอของ A. tumefacians ในเนื้อเยื่อพืชมาหลายปี การค้นพบพลาสมิด Ti และเทคนิคการตัดต่อดีเอ็นเอช่วยให้ทีม Chilton ยืนยันการมีอยู่ของชิ้นดีเอ็นเอที่ถูกส่งถ่ายเข้าเซลล์พืชได้สำเร็จ และยังค้นพบอีกว่าไม่ใช่ทั้ง Ti พลาสมิดที่ถูกส่งไปแต่เป็นดีเอ็นเอบริเวณเล็กๆ (ต่อมาเรียกว่า T-DNA) ที่อยู่ระหว่างลำดับเบสจำเพาะที่จะถูกส่งเข้าฝังอยู่จีโนมพืช Chilton ตีพิมพ์งานวิจัยนี้ในปี 1977

ช่วงกลางถึงปลายทศวรรษที่ 1970s ทีม Schell-Montagu แห่ง Ghent และทีม Chilton แห่ง Seattle กลายเป็นคู่แข่งสำคัญในการไขปริศนารายละเอียดกลไกที่พลาสมิด Ti นำส่งชิ้นดีเอ็นเอเข้าสู่เซลล์พืชซึ่งจะนำไปสู่การพันธุวิศวกรรมพืชต่อไป

ต้นทศวรรษที่ 1980 มีอย่างน้อยสี่ทีมวิจัยชั้นนำของโลกแข่งกันเป็นเจ้าแรกในการพัฒนาพืชปรับแต่งพันธุกรรม การแข่งขันที่ดุเดือดและก้าวกระโดดของเทคโนโลยีในช่วงสั้นๆ สิบปีมานี้ไม่พ้นสายตาของบริษัทยักษ์ใหญ่ด้านเคมีภัณฑ์การเกษตรและเมล็ดพันธุ์ที่กำลังหาช่องทางดิสรัปต์ตัวเองตามอุตสาหกรรมยาไปติดๆ

 

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022