Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

จากพีระมิดถึงดีเอ็นเอ

: ว่าด้วยมาตรฐานกับงานวิศวกรรมสิ่งมีชีวิต (4)

แนวคิดเรื่อง “มาตรฐาน” กับงานวิจัยพื้นฐานทางชีววิทยาไม่ใช่เรื่องใหม่เสียทีเดียว

ย้อนไปปลายทศวรรษที่ 1980s ถึงทศวรรษที่ 1990s ความพยายามผลักดันเมกะโปรเจ็กต์ถอดรหัสจีโนมมนุษย์ (Human Genome Project) บังคับให้นักวิจัยหลายสิบทีมหลายร้อยชีวิตต้องมาลงขันทำงานร่วมกันจากแต่ก่อนที่เคยต่างทีมต่างทำเขียนเปเปอร์ตีพิมพ์กันไปตามสไตล์ตัวเอง

พอมาเป็นเมกะโปรเจ็กต์ทุกทีมที่เข้าร่วมต้องมาตกลงกันให้ชัดๆ ก่อนว่าแต่ละส่วนจะอยู่กับใคร จะทำการทดลองแบบไหน จะรายงานผลยังไง ฯลฯ เพื่อให้ข้อมูลที่ได้มามีรูปแบบมีมาตรฐานตรงกันพอที่จะเอามาประกอบเป็นภาพเดียวในฐานข้อมูลกลางได้

“มาตรฐานช่วยให้มนุษย์ทำงานร่วมกันข้ามข้อจำกัดของสถานที่และเวลา” ไม่เพียงแต่นักวิจัยหลายร้อยชีวิตสามารถถอดรหัสพันธุกรรมสามพันล้านเบสสำเร็จลงได้ก่อนกำหนด โครงการจีโนมมนุษย์ยังผลักดันให้เกิดโครงสร้างพื้นฐานโดยเฉพาะระบบฐานข้อมูลในการแบ่งปันข้อมูลทางชีววิทยาผ่านเครือข่ายอินเตอร์เน็ต

และเป็นจุดกำเนิดของศาสตร์ที่ผสมผสานชีววิทยากับวิทยาศาสตร์ของข้อมูลที่เรียกว่า ชีวสารสนเทศ (bioinformatics)

ในช่วงเวลาไล่เลี่ยกับโครงการจีโนมมนุษย์ ศาสตร์อีกแขนงที่ชื่อว่าชีววิทยาสังเคราะห์ (synthetic biology) ก็กำลังก่อตัวขึ้นแถมยังถูกบุกเบิกโดยคนที่เหมือนจะอยู่นอกวงการชีววิทยาและไบโอเทคไปไกล

Tom Knight ผู้ได้รับยกย่องให้เป็นหนึ่งในบิดาแห่งวงการชีววิทยาสังเคราะห์เริ่มต้นชีวิตการทำงานจากการเป็นนักวิจัยสายคอมพิวเตอร์และวิศวกรรมไฟฟ้า

Knight ฉายแววอัจฉริยะตั้งแต่วัยเด็ก ตอนอายุแค่ 14-15 ก็ได้งานเป็นผู้ช่วยวิจัยที่มหาวิทยาลัยดังใกล้บ้านอย่าง MIT ในศูนย์วิจัยคอมพิวเตอร์และปัญญาประดิษฐ์ (Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory, CSAIL) ของ Marvin Minsky เจ้าพ่อแห่งวงการเอไอยุคบุกเบิกที่หลายคนรู้จักดี

Knight วนเวียนอยู่แถว CSAIL ตั้งแต่หนุ่มจนแก่ จบตรีโทเอกแล้วมาเป็นอาจารย์นักวิจัยอยู่ที่เดิมนี่ สะสมโปรไฟล์รายการผลงานยาวเป็นหางว่าว

ช่วงทศวรรษที่ 1970s-1980s เขาคือหนึ่งในผู้ประดิษฐ์ฮาร์ดแวร์และระบบจัดการข้อมูลของเครือข่ายคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่า APPANET ภายใต้การสนับสนุนของกระทรวงกลาโหมสหรัฐ ซึ่งต่อมากลายมาเป็นต้นแบบของ “อินเตอร์เน็ต” ในปัจจุบัน

หนึ่งในหัวใจสำคัญของเครือข่ายคอมพิวเตอร์คือ ระบบมาตรฐานเชิงเทคนิคที่ทำให้คอมพิวเตอร์ทุกเครื่องในเครือข่ายสามารถรับส่งข้อมูลใดๆ ถึงกันได้

ระบบ TCP/IP ที่เริ่มต้นใช้งานใน APPANET ต่อมาจนถึงยุคอินเตอร์เน็ตช่วยวางกฎเกณฑ์ว่าแต่ละก้อนข้อมูลที่จะต้องถูกหั่นเป็นชิ้นย่อย ส่งไปตามที่อยู่ในเครือข่าย และประกอบร่างกลับมาเป็นข้อมูลที่สมบูรณ์อย่างไร

ในคอมพิวเตอร์แต่ละเครื่องเอง แผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนประกอบด้วยชิ้นส่วนปลีกย่อย ทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน สวิตช์ ฯลฯ เป็นแสนเป็นล้านชิ้นก็มีมาตรฐานเชิงเทคนิคที่ทำให้มันเชื่อมต่อกันได้พอดี

สิ่งเหล่านี้วางกรอบกระบวนทัศน์ทางวิศวกรรมของ Knight ตลอดครึ่งแรกของชีวิตการทำงาน

Knight เล่าว่า เขาไม่เคยมีประสบการณ์ด้านชีววิทยาเลยนอกจากการท่องชื่อส่วนประกอบดอกไม้สมัยเรียนมัธยม แต่สิ่งที่นักออกแบบระบบคอมพิวเตอร์อย่างเขาแสวงหาเสมอคือ โจทย์การคำนวณใหม่ๆ และเทคนิคที่จะก้าวข้ามข้อจำกัดของระบบคอมพิวเตอร์ที่มีอยู่เดิมไปเรื่อยๆ

การแสวงหานี้พาเขามาสู่วงการชีววิทยาช่วงปลายทศวรรษที่ 1980s

คนในวงการคอมพิวเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์ต่างรู้จักกฎของมัวร์ (Moore’s Law) ที่กล่าวไว้ว่า จำนวนทรานซิสเตอร์ในไมโครชิปจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ สองปี ถ้าไมโครชิปเปรียบเป็นมันสมองของคอมพิวเตอร์ ทรานซิสเตอร์ก็เปรียบเหมือนเซลล์ประสาท การที่มนุษย์เราพัฒนาเทคโนโลยีจนสามารถอัดทรานซิสเตอร์เพิ่มในไมโครชิปมากขึ้นเรื่อยๆ เป็นเท่าทวีคูณก็ทำให้คอมพิวเตอร์ของเราฉลาดขึ้นทำงานประมวลผลที่ซับซ้อนได้รวดเร็วขึ้นเรื่อยๆ เป็นเท่าทวีคูณเช่นกัน

Gordon Moore ผู้ก่อตั้งบริษัท Intel ทำนายเรื่องการเพิ่มขึ้นของทรานซิสเตอร์ในไมโครชิปมาตั้งแต่ปี 1965 และเทรนด์เทคโนโลยีก็เป็นไปตามนั้นจริงๆ ตลอดช่วงเวลากว่าสองทศวรรษ แต่นั่นแปลว่าทรานซิสเตอร์รุ่นใหม่ๆ ต้องมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ด้วยจึงจะสามารถบรรจุในไมโครชิปได้พอ

ปลายทศวรรษที่ 1980s นักออกแบบระบบคอมพิวเตอร์เริ่มมองเห็นอนาคตว่าในที่สุด Moore’s Law ก็จะติดกำแพงตรงที่ว่าขนาดทรานซิสเตอร์จะเล็กเกินกว่าที่มนุษย์จะสามารถสร้างได้ภายใต้กฎทางฟิสิกส์ และความก้าวหน้าของศักยภาพคอมพิวเตอร์ก็จะหยุดชะงัก

ขนาดทรานซิสเตอร์ในยุคนั้นเล็กลงจากสเกลไมโครเมตรสู่สเกลนาโนเมตร แม้จำยังไม่ชนกำแพงทางกฎฟิสิกส์แต่เทคนิคการประกอบก็ยากขึ้นเรื่อยๆ

นักออกแบบระบบคอมพิวเตอร์หลายคนรวมทั้ง Knight เริ่มสนใจมองหาเครื่องมือที่สามารถจัดการงานก่อสร้างความละเอียดสูงเพื่อผลิตวัตถุสเกลนาโนเมตร

ขณะเดียวกันก็ต้องสามารถขยายกำลังการผลิตได้รวดเร็วไม่จำกัด

Knight มองว่า “ชีวเคมีและชีววิทยาโมเลกุล (biochemistry & molecular biology)” นี่แหละคือคำตอบ เซลล์สิ่งมีชีวิตสามารถสร้างจักรกลซับซ้อนสเกลนาโนเมตรอย่างดีเอ็นเอและเอนไซม์ที่สามารถหยิบจับเคลื่อนย้ายอะตอมได้อย่างแม่นยำ แถมยังสามารถก๊อบปี้เพิ่มจำนวนเป็นเท่าทวีคูณได้รวดเร็วโดยใช้วัตถุดิบพื้นๆ อย่างคาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน และไฮโดรเจน

Knight ที่ตอนนั้นเป็นอาจารย์อาวุโสในวงการคอมพิวเตอร์แล้วจึงกลับไปเป็นนักเรียนอีกครั้ง เริ่มอ่านเริ่มลงคลาสเรียนชีวเคมีและชีวโมเลกุลตั้งแต่พื้นฐาน

ด้วยชื่อเสียงที่สั่งสมมานานทำให้เขามีความสัมพันธ์อันดีกับสำนักโครงการวิจัยขั้นสูงด้านกลาโหม (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) สปอนเซอร์ใหญ่ตั้งแต่สมัยพัฒนา APPANET เขาได้รับทุนวิจัยก้อนแรกไปตั้งแล็บจุลชีววิทยาแห่งแรกภายใต้ภาควิชาวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ของ MIT ที่เขาสังกัดอยู่เพื่อทดลองพัฒนาคอมพิวเตอร์ที่ทำงานได้ในระดับเซลล์

“เพื่อนอาจารย์ผมในภาคคอมพ์ แตกตื่นกันอยู่พักหนึ่งที่อยู่ดีๆ มีแล็บจุลชีววิทยาโผล่มา แต่เท่าที่จำได้ผมยังไม่เคยทำให้ใครป่วยนะ นั่นน่าจะเป็นความสำเร็จขั้นแรก” Knight เล่า

Knight ยอมรับว่า สองสามปีแรกแล็บของเขาไม่ได้ผลิตผลงานอะไรเป็นชิ้นเป็นอัน แต่บทเรียนสำคัญหนึ่งที่เขาได้คือกระบวนการทดลองของนักชีววิทยานั้นเอาแน่เอานอนไม่ค่อยได้เท่าไหร่

“ในฐานะวิศวกร ผมเรียนรู้วิธีการบัดกรีตั้งแต่เริ่มต้น วิธีบัดกรีมีแบบเดียวคือเอาปลายสายไฟมาแตะลวดบัดกรีแล้วจี้หัวแร้งร้อนๆ เข้าไป” Knight อธิบาย “ในทางชีววิทยา ทุกการทดลองจะกลายเป็นสองการทดลอง หนึ่งคือการทดลองที่ผมอยากทำ อีกหนึ่งคือการทดลองเพื่อจะประกอบดีเอ็นเอสำหรับใช้ในการทดลองที่ผมอยากทำ ยิ่งกว่านั้นวิธีประกอบดีเอ็นเอยังมีอยู่สักสามสิบวิธีได้และนักวิจัยแต่ละคนก็ใช้กันคนละวิธีอีก นี่คือสิ่งที่น่าหงุดหงิดมากสำหรับวิศวกรอย่างผม”

“ตอนนั้นเองที่ผมคิดได้ว่าควรจะมีใครสักคนวาง ‘มาตรฐาน’ การประกอบดีเอ็นเอที่ตรงไปตรงมา เข้าใจง่าย ได้ผลแน่นอน มันคือแนวคิดสุดคลาสสิกที่วิศวกรสาขาไหนๆ ก็ควรทำกัน”

Knight ผู้โด่งดังในวงการคอมพิวเตอร์แต่ยังเป็นนักวิจัยหน้าใหม่โนเนมในวงการชีววิทยาจะผลักดันเรื่อง ‘มาตรฐาน’ และให้กำเนิดศาสตร์ ‘ชีววิทยาสังเคราะห์’ อย่างไร ติดตามต่อตอนหน้าครับ

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022