Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

จากพีระมิดถึงดีเอ็นเอ

: ว่าด้วยมาตรฐานกับงานวิศวกรรมสิ่งมีชีวิต (1)

“กาลครั้งหนึ่งบรรพบุรุษของเราหาที่ซุกหัวนอนในถ้ำหินตามธรรมชาติ” Drew Endy เปิดประโยคแรกมาแบบเซอร์ไพรส์คนฟังในห้องสัมมนา

“จากนั้นเราก็ย้ายมาอยู่บ้านหินที่สร้างขึ้นอย่างหยาบๆ”

บนสไลด์เปลี่ยนรูปถ้ำเป็นบ้านที่ประกอบจากหินก้อนใหญ่บ้างเล็กบ้าง แต่ละก้อนรูปร่างบูดเบี้ยวมีเหลี่ยมมุมไม่เสมอกัน

หลายสไลด์ถัดมาแสดงภาพพีระมิดที่ประกอบด้วยหินตัดเป็นทรงเหลี่ยมฉากพอดีเป๊ะ ตามด้วยวิหารกรีก ถนนโรมัน ปราสาทยุคกลาง ไล่มาจนถึงบ้านอิฐและตึกคอนกรีตสูงระฟ้ายุคปัจจุบัน

Endy แนะนำตัวว่าเขาคือวิศวกรโยธาที่ผันตัวเป็นนักวิจัยสายวิศวกรรมชีวภาพ แต่ก็ยังคงหลงใหลในความงดงามของสถาปัตยกรรมสิ่งปลูกสร้าง

“หนึ่งในก้าวกระโดดสำคัญของงานวิศวกรรมที่พวกคุณเห็นนี้เกิดจากการที่มนุษย์เราเรียนรู้ข้อจำกัดของการเอาวัตถุดิบจากธรรมชาติอย่างก้อนหินมาใช้ในงานก่อสร้างโดยตรง มันเป็นเรื่องยากกว่าเราจะหาหินที่รูปร่างเหมาะสม กว่าจะคิดออกว่าควรเอาก้อนไหนไปประกอบกับก้อนไหน และต่อให้ทำได้ก็อาคารไม่แข็งแรง จะทำซ้ำจะต่อยอดก็ลำบากอีกเพราะหาหินแบบเดิมไม่ได้แล้ว”

Endy เล่าต่อ “มนุษย์เราเรียนรู้ว่าแทนที่จะเอาหินมาประกอบกันตรงๆ เราควรจะยอมลงทุนเสียเวลาสักหน่อยตัดหินพวกนี้ก่อนให้เป็นก้อนขนาดเสมอกันได้ ‘มาตรฐาน’ เดียวกัน หลังจากนั้นจะเอามันไปต่อเป็นอาคารอะไรก็ง่ายลงเยอะ ยิ่งเมื่อเราสามารถสร้างอิฐหรือแท่งคอนกรีตเป็นเสมือนหินเทียมตามมาตรฐานเราเอง วิทยาการก่อสร้างของเรายิ่งรุดหน้าไปเร็ว”

“นี่คือความสำคัญของ ‘มาตรฐาน (standard)’ ในงานวิศวกรรม วิศวกรโยธา ไฟฟ้า เครื่องกล ซอฟต์แวร์ ฯลฯ สร้างสิ่งที่ซับซ้อนจนเหลือเชื่อจากชิ้นส่วนเรียบง่ายที่ได้มาตรฐาน” Endy ประกาศ

“ตอนนี้พวกเรากำลังจะสร้างมาตรฐานกับงานวิศวกรรมชีวภาพ เราจะได้สามารถเนรมิตสิ่งมีชีวิตต่างๆ รวดเร็วแม่นยำตามใจต้องการ”

ผมฟังการบรรยายนี้ช่วงประมาณปี 2005-2006 Endy ในวัยสามสิบกลางขณะนั้นเป็นอาจารย์อยู่ที่ MIT เพิ่งตีพิมพ์บนความเรื่อง “รากฐานของการวิศวกรรมชีวภาพ (Foundations for Engineering Biology)” ที่ต่อมาเป็นหนึ่งในงานที่ถูกกล่าวอ้างถึงมากที่สุดในวงการชีววิทยาสังเคราะห์ (synthetic biology)

ในช่วงเวลาไล่เลี่ยกันเขากับอาจารย์นักวิจัยจากทั้ง MIT และอีกหลายสถาบันชั้นนำของสหรัฐอย่าง Harvard และ University of California Berkeley ร่วมกันก็ตั้ง Synberc (synthetic biology research center) สมาคมที่ผลักดันงานวิจัย ความร่วมมือ และการศึกษาชีววิทยาสังเคราะห์แห่งแรกๆ ของสหรัฐและของโลก

ขณะเดียวกันก็ริเริ่ม iGEM (international Genetically Engineered Machines) การแข่งขันวิศวกรรมสิ่งมีชีวิตของนักศึกษาระดับมหาวิทยาลัยที่เติบโตจากคลาสเรียนเล็กๆ ที่ MIT จนกลายมาเป็นการแข่งขันนานาชาติประจำปีในปัจจุบัน

ทั้ง Foundations of Engineering Biology, Synberc และ iGEM กำหนดโทนและวางทิศทางของชีววิทยาสังเคราะห์ที่สองทศวรรษหลังจากนั้น หนึ่งในหัวข้อที่ถูกพูดถึงซ้ำๆ ในทั้งสามงานนี้คือเรื่องการสร้างมาตรฐาน (standardization) ในการวิศวกรรมสิ่งมีชีวิต

มันคือแก่นแนวคิดสำคัญที่ทำให้ชีววิทยาสังเคราะห์แปลกแยกออกมาจากศาสตร์พันธุวิศวกรรม (genetic engineering) ยุคก่อนนั้นอย่างชัดเจน

แต่ในทางกลับกันก็เป็นแนวคิดที่อธิบายให้คนนอกวงการชีววิทยาสังเคราะห์เข้าใจค่อนข้างยากแม้แต่กับนักวิจัยสายชีววิทยาหรือเทคโนโลยีชีวภาพด้วยกัน

หลายสัปดาห์ก่อนผมได้รับเชิญเป็นพิธีกรเสวนาหัวข้อ “ความสำคัญของมาตรฐานเชิงเทคนิคในชีววิทยาสังเคราะห์” ที่งานประชุมประจำปีของสมาคมชีววิทยาสังเคราะห์ของไทย

“การสร้างมาตรฐาน” ยังคงเป็นหัวข้อที่ทั้งผู้จัดและผู้เข้าร่วมมองภาพกันไม่ค่อยออกว่ามันควรจะเกี่ยวกับอะไรกันแน่

บทความสองสามตอนต่อจากนี้จะเล่าเกี่ยวกับความเป็นมาเป็นไปของการสร้างมาตรฐานในงานวิศวกรรมสิ่งมีชีวิต ความก้าวหน้ากับอุปสรรคตลอดเกือบยี่สิบปีที่ผ่านมา และทิศทางในอนาคต

“มาตรฐานช่วยให้มนุษย์ทำงานร่วมกันข้ามข้อจำกัดของสถานที่และเวลา” Endy ขยายความ

หนึ่งในบันทึกเก่าแก่ที่สุดของการใช้มาตรฐานกับงานวิศวกรรมย้อนไปถึงเมื่อ 2600 กว่าปีก่อนคริสตกาล ฟาโรห์คูฟูแห่งอียิปต์มีดำริให้สร้างพีระมิดเตรียมเป็นที่พำนักพระศพสำหรับชีวิตหลังความตาย

เมกะโปรเจ็กต์นี้เป็นสิ่งปลูกสร้างความสูงเท่าตึก 40 ชั้น ฐานกินพื้นที่ราว 33 ไร่ ประกอบจากหินกว่าสองล้านก้อนน้ำหนักรวมราวหกล้านตัน ใช้แรงงาน 20,000-30,000 คนตลอดระยะเวลาราว 20 ปี

ถ้าต่างคนต่างทำไม่ประสานงานกันดีๆ ไม่มีทางที่จะเอาหินมาประกอบกันได้พอดีขนาดนั้น

ข้อกำหนดเรื่องมาตรฐานรูปร่างและขนาดหินจึงสำคัญมาก

แต่คนสมัยก่อนเวลาจะวัดขนาดด้วยการกะเอาเทียบกับขนาดฝ่ามือฝ่าเท้าตัวเองบ้าง ช่วงแขนบ้าง ระยะก้าวบ้างซึ่งของแต่ละคนก็สั้นยาวไม่เท่ากัน

ฟาโรห์คูฟูมีราชโองการให้ตั้งหน่วยความยาวมาตรฐาน มีวัตถุอ้างอิงเป็นหินแกรนิตสีดำที่เรียกว่า “Royal Egyptian Cubit” ซึ่งยาวเท่ากับระยะจากศอกถึงปลายนิ้วกลางบวกกับอีกหนึ่งความกว้างฝ่ามือของฟาโรห์

ในราชโองการยังระบุด้วยว่าไม้บรรทัดที่ใช้วัดความยาวของช่างสลักหินต้องถูกนำมาเทียบให้ตรงกับหินแกรนิตนี้ทุกรอบคืนเดือนเพ็ญ ผู้ใดฝ่าฝืนจะต้องโทษประหารชีวิต

“มาตรฐาน” ช่วยให้ช่างฝีมือหลายหมื่นคนที่อาจจะไม่เคยพูดคุยไม่เคยรู้จักกันเลยชั่วชีวิตร่วมกันสร้างผลงานระดับสิ่งมหัศจรรย์ของโลกที่อยู่ยืนยงท้ากาลเวลามาเป็นพันๆ ปี

งานสร้างพีระมิดของคูฟูยังให้บทเรียนสำคัญหลายข้อเกี่ยวกับองค์ประกอบและกระบวนการสร้างมาตรฐาน

มาตรฐานในงานก่อสร้างมีองค์ประกอบหลักอย่างน้อยสามอย่างที่ค้ำจุนกันและกัน ได้แก่ มาตรฐานวัตถุ (standardized object) มาตรฐานการวัด (standardized measurement) และมาตรฐานข้อมูล (standardized data)

มาตรฐานวัตถุเป็นสิ่งที่จับต้องได้ ในตัวอย่างนี้คือก้อนหินที่เอามาประกอบพีระมิดซึ่งต้องเป็นหินที่มีขนาดรูปร่างตามกำหนด นอกจากนี้ ยังมีวัตถุมาตรฐานตั้งต้นคือหินแกรนิตสีดำของฟาโรห์เอาไว้เป็นตัวอ้างอิง (reference object) หนึ่งเดียวที่เราจะต้องเอาวัตถุที่ต้องการทำมาตรฐานอื่นๆ มาเทียบกับมัน

ส่วนมาตรฐานการวัดและมาตรฐานข้อมูลเป็นคอนเซ็ปต์ที่ทำให้เราได้มาซึ่งวัตถุที่ได้มาตรฐาน

มาตรฐานการวัดระบุว่าเราจะต้องวัดอะไรบ้างด้วยวิธีการอะไรรายงานเป็นหน่วยอะไร ในที่นี้ก็คือวิธีการวัดขนาดหินมีหน่วยเป็นเท่าของขนาดหินแกรนิตมาตรฐานวัดโดยใช้ไม้บรรทัด

ส่วนมาตรฐานของข้อมูลระบุว่ามีข้อมูลอะไรบ้างที่ผู้ปฏิบัติงานต้องบันทึกไว้และสื่อสารให้ผู้ปฏิบัติงานตำแหน่งอื่นเข้าใจตรงกัน

เช่น ต้องระบุความกว้าง x ยาว x สูงของก้อนหิน ระบุชนิด สี หรือข้อบกพร่องความบิ่นเบี้ยวต่างๆ

ข้อมูลบางอย่างอาจจะไม่ต้องบันทึกและสื่อสารไปเพราะไม่จำเป็นต่อการก่อสร้าง เช่น อุณหภูมิของหินขณะสกัดหรือรอยขีดข่วนที่พื้นผิว การเลือกว่าข้อมูลจำเป็น/ไม่จำเป็นต่อการบันทึกและสื่อสารไปเป็นสิ่งสำคัญมากเพราะทุกการเก็บและสื่อสารข้อมูลล้วนแต่มีต้นทุนทั้งนั้น

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022