ปฏิบัติการณ์แก้ไขจีโนม มันสำปะหลังและอ้อย (3)

ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

 

ปฏิบัติการณ์แก้ไขจีโนม

มันสำปะหลังและอ้อย (3)

 

เทคโนโลยีแก้ไขจีโนมเปรียบเหมือนยางลบและดินสอที่ช่วยเราไปแก้ข้อความในสมุดแห่งชีวิตของเซลล์ที่เรียกว่าดีเอ็นเอ

แต่ก่อนจะลงไปแก้เราต้องรู้เป้าหมายก่อนว่าเราควรจะลงไปแก้คำใด ประโยคไหน ตรงหน้าที่เท่าไหร่

ดังนั้น งานวิจัยส่วนแรกที่สำคัญมากคือการตอบคำถามว่า “จีโนมตรงส่วนไหนทำหน้าที่อะไร?”

เช่น ถ้าเราอยากได้มันสำปะหลังที่ทนแล้ง ให้ผลผลิตแป้งเยอะ เราก็ต้องรู้ว่า ตรงไหนบ้างในจีโนมที่เกี่ยวข้องกับความทนแล้ง หรือการสะสมแป้งในหัวมัน

คำถามพวกนี้ตอบได้โดยใช้ศาสตร์ที่เรียกว่าชีววิทยาระบบ (systems biology)

นักชีววิทยาระบบศึกษาว่าในจีโนมของพืชที่เราสนใจมียีนอะไรอยู่บ้าง จากนั้นก็ใช้แบบจำลองในคอมพิวเตอร์ทำนายว่ายีนเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กันแบบไหน ยีนแต่ละตัวแสดงออกเมื่อไหร่ในสภาวะใด และส่งผลต่อลักษณะปรากฏไม่ว่าจะเป็นความทนแล้ง ทนโรค ผลผลิตสูง ฯลฯ

ลักษณะบางอย่าง เช่น การผลิตไซยาไนด์ในมันสำปะหลัง อาจจะเกี่ยวข้องกับยีนแค่ตัวเดียว แบบนี้ก็จะหาง่ายหน่อย

ขณะที่ลักษณะอย่างอื่น เช่น ความทนแล้งหรือปริมาณผลผลิต มักจะเกี่ยวข้องกับยีนหลายตัวแต่ละตัวมีบทบาทมากน้อยต่างกัน แบบนี้งานก็จะยากกว่าเยอะ

ยิ่งจีโนมใหญ่และซับซ้อน การจะหาเป้าหมายก็ยิ่งทำได้ยาก จีโนมมันสำปะหลังมีโครโมโซมสองชุด ขนาดจีโนมอยู่ที่ราว 700 ล้านเบส ในขณะที่จีโนมอ้อยมีโครโมโซมถึง 10-12 ชุด ขนาดจีโนมประมาณหมื่นล้านเบส

ผลลัพธ์ของงานวิจัยส่วนแรกจะทำให้เราสามารถออกแบบ (design) ได้ว่าเราควรไปแก้จีโนมตรงไหนอย่างไรบ้าง

Cr ณฤภรณ์ โสดา

หลังจากออกแบบแล้วขั้นตอนที่สองก็คือการสร้าง (build) ต้นพืชแบบที่เราต้องการออกมา เครื่องมือปรับแก้จีโนมอย่าง CRISPR/Cas มีบทบาทสำคัญตรงนี้แต่ก็ไม่ใช่ทั้งหมด เครื่องมือปรับแก้จีโนมพวกนี้เป็นโมเลกุลพวกโปรตีนและอาร์เอ็นเอที่ต้องเข้าไปทำงานในนิวเคลียสของเซลล์ ปกติแล้วต้องเริ่มจากการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืชที่สนใจให้ได้ก่อน

จากนั้นหาทางนำส่งเครื่องมือปรับแก้จีโนมเข้าไป ค้นหาว่าเนื้อเยื่อชิ้นไหนที่ปรับแก้สำเร็จ จากนั้นก็เหนี่ยวนำให้เนื้อเยื่อเจริญกลับมาเป็นต้นพืชให้ได้

ขั้นตอนย่อยๆ พวกนี้ยากง่ายต่างกันไปในพืชแต่ละชนิด

ในมันสำปะหลังทีมวิจัยนานาชาติจากสหรัฐ เบลเยียม และยูกันดาทดลองใช้ CRISPR/Cas แก้ไขจีโนมสำเร็จเป็นครั้งแรกตั้งแต่ปี 2017 แต่เป้าหมายครั้งนั้นเป็นเพียงยีนสังเคราะห์รงควัตถุ (phy) ซึ่งเมื่อกำจัดไปแล้วจะได้เนื้อเยื่อพืชสีขาวซีดสังเกตง่ายในการทดลอง

ปีถัดมาทีมวิจัยจากสวิตเซอร์แลนด์และเบลเยียมรายงานการแก้ไขยีนเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างแป้งในมันสำปะหลัง นอกจากนี้ ก็ยังมีตัวอย่างทีมวิจัยจากเคนยาใช้การแก้ไขจีโนมกำจัดยีนที่เกี่ยวข้องกับการผลิตไซยาไนด์และการเสื่อมสภาพหลังการเก็บเกี่ยว

ส่วนในอ้อย ทีมวิจัยจากเกาหลีและสหรัฐเริ่มทดลองใช้ TALEN (เครื่องมือปรับแก้จีโนมยุคก่อน CRISPR/Cas) ตั้งแต่ปี 2016 กำจัดยีนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ลิกนินเพื่อให้ได้อ้อยที่เหมาะกับการผลิตไบโอเอทานอล

ทีมวิจัยจากสหรัฐรายงานการใช้ CRISPR/Cas สำเร็จในอ้อยครั้งแรกตอนปี 2021 โดยเป็นการทดสอบการกำจัดยีนที่เกี่ยวข้องผลิตรงควัตถุหลังจากนั้นไม่กี่เดือนก็รายงานการแก้ไขยีนให้ได้อ้อยต้านยาปราบวัชพืช

และได้อ้อยที่เพิ่มการสะสมไขมันที่ใบในปีถัดมา

นักชีววิทยาระบบใช้แบบจำลองในคอมพิวเตอร์ช่วยเราออกแบบ (design) ควรจะแก้ไขยีนไหนให้ได้ลักษณะอะไร
Cr. ณฤภรณ์ โสดา

แม้จะมีหลายตัวอย่างรายงานความสำเร็จในการแก้ไขจีโนมออกมาแล้ว แต่รายละเอียดเทคนิคก็ไม่ได้ง่ายต้องอาศัยความชำนาญเฉพาะ ปัญหาสำคัญอีกอย่างคือในขั้นตอนการส่งเครื่องมือปรับแก้จีโนมเข้าเซลล์นั้นงานที่ผ่านมาทั้งหมดในพืชสองชนิดนี้ส่งเครื่องมือเข้าไปในรูปแบบดีเอ็นเอ (เพื่อให้แสดงออกเป็นโปรตีนและอาร์เอ็นเอที่จะทำงานแก้ไขจีโนมในเซลล์ทีหลัง) ซึ่งจะตกค้างเป็นดีเอ็นเอแปลกปลอมอยู่ในจีโนมพืช ดังนั้น ก็จะกลายเป็นว่าพืชที่แก้ไขจีโนมนี้ยังคงเป็นจีเอ็มโอตามนิยามกฎหมายตอนนี้

วิธีแก้ปัญหานี้มีหลักๆ สองทาง

ทางแรก คือส่งเครื่องมือแก้ไขจีโนมเข้าไปในรูปแบบโปรตีนและอาร์เอ็นเอซึ่งจะสลายตัวไปเองตามธรรมชาติไม่ตกค้างแบบดีเอ็นเอ แต่การนำส่งวิธีนี้ประสิทธิภาพต่ำกว่าการส่งด้วยดีเอ็นเอมากแถมยังคัดเลือกยากว่าเซลล์ไหนปรับแก้สำเร็จแล้ว

ทางที่สอง ก็คือยังส่งเครื่องมือแก้ไขจีโนมในรูปแบบดีเอ็นเอเข้าไปแต่ว่าหาทางกำจัดมันออกภายหลัง สำหรับพืชบางชนิดที่สายพันธุ์ค่อนข้างบริสุทธิ์เราสามารถใช้การผสมพันธุ์พืชไปมาเรื่อยๆ จนดีเอ็นเอตกค้างหลุดหายไปเอง

แต่สำหรับมันสำปะหลังและอ้อยการผสมพันธุ์ไปเรื่อยแบบนี้จะทำให้พันธุ์เพี้ยนได้ง่าย

สรุปก็คือไม่ว่าจะส่งเครื่องมือแก้ไขจีโนมในรูปแบบไหน เราก็น่าจะต้องพัฒนาเทคโนโลยีฐานตัวใหม่เพื่อให้สามารถปรับแก้จีโนมได้อย่างมีประสิทธิภาพและไม่เหลือดีเอ็นเอตกค้าง

กระบวนการแก้ไขยีนพืชโดยทั่วไปเริ่มตั้งแต่การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ ปรับแต่งดีเอ็นเอแล้วเหนี่ยวนำกลับมาเป็นต้นพืชใหม่
Cr ณฤภรณ์ โสดา

ในส่วนกลไกการแก้ไขจีโนมงานในอ้อยถือเป็นงานระดับปราบเซียน ทั้งนี้เป็นเพราะว่าอ้อยมีจีโนมในเซลล์หนึ่งๆ ถึง 10-12 ชุดขณะที่สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่รวมทั้งมนุษย์และมันสำปะหลังมีแค่สองชุด การจะแก้ให้ครบทุกชุดพร้อมกันเป็นเรื่องยาก ถ้าแก้ได้แค่บางชุดก็อาจจะไม่ได้ลักษณะที่ต้องการและมีโอกาสที่เซลล์จะแก้จีโนมคืนเป็นแบบเก่า

หลังจากออกแบบและสร้างต้นพืชปรับแก้จีโนมสำเร็จแล้ว ขั้นสุดท้ายซึ่งมักจะกินเวลายาวนานและใช้แรงงงานที่สุดก็คือการทดสอบและเรียนรู้ (Test & Learn) เกี่ยวกับต้นพืชพันธุ์ใหม่ที่เราได้มา

ตั้งแต่ทดสอบในห้องแล็บ จากนั้นก็ไปเรือนกระจก ไปจนถึงบนแปลงปลูกจริงในพื้นที่เปิด

ลักษณะบางอย่างอาจจะทดสอบง่ายและรวดเร็ว เช่น การผลิตไซยาไนด์ (ในมันสำปะหลัง) เราสามารถจะตรวจจากเนื้อเยื่อได้เลยตั้งแต่ต้นยังอ่อน

ความทนเค็มทนแล้งทดสอบได้โดยตรงด้วยการเลือกสภาพพื้นที่ปลูกแล้วดูการรอดและเติบโต ฯลฯ

ในทางกลับกันลักษณะอย่างอื่นอย่างปริมาณผลผลิตเรามักจะต้องรอติดตามผลหลายเดือนจนสิ้นสุดรอบการเพาะปลูกกว่าจะรู้ว่าได้ผลผลิตเพิ่มตามที่คาดไว้หรือไม่

ลักษณะอย่างความต้านทานโรคพืชทดสอบยากตรงที่เราต้องควบคุมตัวแปรละเอียดมากทั้งปริมาณเชื้อ ระยะเวลาการติดเชื้อ และสภาวะแวดล้อมอื่นๆ ที่อาจจะส่งผลต่อความรุนแรงของโรค

นอกจากนี้ การทดสอบศัตรูพืชยังมีกฎระเบียบควบคุมเข้มงวดเพื่อป้องกันการแพร่ระบาดจากพื้นที่ทดสอบ

ความยากง่ายในการทดสอบพันธุ์พืชใหม่เกี่ยวข้องกับลักษณะพืชที่เราต้องการ
Cr.ณฤภรณ์ โสดา

การดำเนินการตั้งแต่ขั้น Design ถึง Build และจบที่ Test & Learn คาดว่าจะใช้เวลาไม่ต่ำกว่า 3-5 ปีสำหรับการพัฒนาหนึ่งสายพันธุ์ใหม่ออกมาให้เกษตรกรได้ใช้

ดังนั้น แผนการที่เราเสนอคือต้องทำสามขั้นตอนนี้คู่ขนานกันไปมีหลายสายพันธุ์ที่ต้องพัฒนาขึ้นไล่ตามต่อเนื่องกันมา

เช่น ในปีแรกขณะที่ทีมทำงาน Design ค้นหายีนเป้าหมายยีนใหม่ๆ ที่เกี่ยวข้องกับลักษณะที่เราต้องการ

ทีม Build ก็เริ่มก็สร้างต้นพืชจากโดยใช้ข้อมูลยีนเป้าหมายที่พอรู้อยู่เดิมแล้วจากงานวิจัยก่อนหน้า

ทีม Test & Learn ก็อาจจะเริ่มทดสอบเก็บข้อมูลสายพันธุ์ (จากการผสมคัดเลือกแบบดั้งเดิม) ที่มีอยู่ตอนนี้ก่อน

พอขึ้นปีสองแต่ละทีมก็ส่งงานต่อๆ กันมา งานจากฝั่ง Test & Learn ก็เอาไปใช้ได้เลยตั้งแต่ปีแรกทั้งโดยเกษตรและโดยทีม Design ด้วยวิธีนี้ เราก็จะมีงานที่เอาไปใช้ประโยชน์ได้ออกมาทุกปี

พร้อมกับได้พัฒนาสายพันธุ์ใหม่ที่เราต้องการออกมาเรื่อยๆ พร้อมกับสร้างความเข้มแข็งของเทคโนโลยีพื้นฐานอย่างการหายีน การนำส่งดีเอ็นเอ การทดสอบ ฯลฯ ในระยะยาว

ระหว่างที่เตรียมเขียนแผนโครงการพวกเราได้มีโอกาสคุยกับผู้บริหารของบริษัทพัฒนาพันธุ์พืชรายใหญ่เจ้าหนึ่งในสหรัฐอเมริกาที่มีประสบการณ์พัฒนาพันธุ์พืชใหม่ออกตลาดด้วยเทคโนโลยีแก้ไขจีโนมมาแล้ว ทางบริษัทประเมินคร่าวๆ ว่าการวิจัยและพัฒนาสายพันธุ์ใหม่จนสุดทางพร้อมออกตลาดหนึ่งสายพันธุ์น่าจะใช้งบประมาณราว 10 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

ตัวเลขนี้แม้จะดูเยอะ แต่ก็คิดเป็นเพียงไม่ถึง 1% ของมูลค่าการส่งออกต่อปี (~ 1.5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐสำหรับมันสำปะหลังเพียงอย่างเดียว) นั่นแปลว่าถ้าสายพันธุ์ใหม่ช่วยให้ผลผลิตเราเพิ่มขึ้นแม้เพียง 1% ก็คุ้มค่าแล้วกับการลงทุนครั้งนี้

ในการประชุมครั้งล่าสุดพวกเรากลุ่มนักวิจัยเสนอแนวทางกับทางสภาอุตสาหกรรมและตัวแทนจากแหล่งทุนวิจัยภาครัฐไป เราต้องมาดูกันต่อไปโครงการนี้จะมีโอกาสเดินหน้าต่อไปอย่างไรบ้าง