Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

จากพีระมิดถึงดีเอ็นเอ

: ว่าด้วยมาตรฐานกับงานวิศวกรรมสิ่งมีชีวิต (5)

“นักชีววิทยาชอบความซับซ้อนของระบบสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ เมื่อเจอกับความซับซ้อน พวกเขาจะศึกษาลงลึกเรื่อยๆ ด้วยความอยากค้นพบอะไรใหม่ๆ ส่วนวิศวกรอย่างผมไม่แคร์เท่าไหร่กับสภาวะที่แท้ตามธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต เราแค่อยากให้ระบบตรงหน้าทำงานแม่นยำอย่างที่เราต้องการ เมื่อเจอกับความซับซ้อน เราจะตั้งคำถามว่า ความซับซ้อนนี้จำเป็นไหม? และจะทำอย่างไรระบบตรงหน้าให้เรียบง่าย เข้าใจง่าย ใช้งานง่ายที่สุด?”

-Tom Knight

ปี 1997 Tom Knight และ Gerald Sussman สองนักวิจัยจาก Computer Science and Artificial Intelligence Lab (CSAIL) แห่ง MIT ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง “Cellular Gate Technology” เสนอแนวคิดว่าเราน่าจะสามารถใช้กลไกชีวเคมีของการเปิดปิดยีนในเซลล์สิ่งมีชีวิตสำหรับสร้างหน่วยประมวลตรรกะขั้นพื้นฐาน (logic gate) คล้ายกับตัวทรานซิสเตอร์ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เราน่าจะสามารถเอา logic gate พวกนี้ประกอบเป็นระบบประมวลขั้นสูงเพื่อโปรแกรมเซลล์ให้รับรู้ คิดคำนวณ และตอบสนองตามที่เราต้องการเหมือนการโปรแกรมเครื่องคอมพิวเตอร์

วงการชีววิทยาเริ่มเข้าใจการแสดงออกของยีนมาตั้งแต่ยุค 1950s-1960s เรารู้ว่าข้อมูลพันธุกรรมถูกถอดรหัส (transcribe) จากดีเอ็นเอมาเป็นอาร์เอ็นเอ และแปลรหัส (translate) จากอาร์เอ็นเอเป็นโปรตีน

เรายังรู้อีกด้วยว่ายีนตามธรรมชาติมักไม่ได้แสดงออกตลอดแต่จะมีระบบสวิตช์ควบคุมการเปิดปิดเพื่อให้แน่ใจว่าแต่ละยีนจะแสดงออกถูกที่ถูกเวลา

ส่วนวงการไบโอเทคเริ่มมาตั้งแต่ยุค 1970s เมื่อเราสามารถตัดต่อดีเอ็นได้สำเร็จ (DNA recombinant) อุตสาหกรรมไบโอเทคเฟื่องฟูมาตั้งแต่ 1980s เทคโนโลยีใหม่ๆ อย่างการสังเคราะห์ดีเอ็นเอ (DNA synthesis), การอ่านลำดับเบสดีเอ็นเอ (DNA sequencing) การก๊อบปี้ดีเอ็นเอ (Polymerase Chain Reaction, PCR) ทำให้ความก้าวหน้าในการเข้าใจและวิศวกรรมสิ่งมีชีวิตดำเนินไปในอัตราเร่ง

อภิมหาเมกะโปรเจ็กต์ระดับโลกอย่างโครงการถอดรหัสจีโนมมนุษย์ (Human Genome Project) ที่เริ่มตั้งแต่ช่วง 1990s ก็เข้าใกล้เส้นชัยเรื่อยๆ

กระนั้นการมองงานวิศวกรรมเซลล์ผ่านเลนส์ของวิศวกรคอมพิวเตอร์แท้ๆ อย่าง Knight และ Sussman ยังเป็นเรื่องใหม่มาก

ช่วง 1950s-1990s วงการคอมพิวเตอร์เห็นการเปลี่ยนแปลงมหาศาลยิ่งกว่าวงการไบโอเทค เราเห็นคอมพิวเตอร์เครื่องใหญ่เท่าห้องสมัยหลังสงครามโลกหดลงมาเหลือเท่าคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลเป็นสมองกลแสนฉลาดที่มีกันได้ทุกบ้าน เรามีไมโครชิพที่บรรจุ logic gate จากทรานซิสเตอร์เพิ่มขึ้นสองเท่าทุกสองปีจนอยู่ถึงหลักสิบล้านทรานซิสเตอร์ต่อชิพในช่วงเวลานั้น

มุมมองจาก “Cellular Gate Technology” ชวนให้หลายคนเริ่มฝันว่าเราจะเห็นก้าวกระโดดของเทคโนโลยีแบบเดียวกันในวงการไบโอเทค

“Cellular Gate Technology” มองว่าแต่ละสวิตช์ยีนคือ logic gate มีสัญญาณขาออก (output) คือโปรตีนที่ถูกแสดงออกจากยีนนั้น และมีสัญญาขาเข้า (input) เป็นโปรตีนอีกตัวที่ควบคุมการเปิดปิดของสวิตช์ยีน สวิตช์แบบนี้มีอยู่แล้วตามธรรมชาติ แต่ด้วยเทคโนโลยีการตัดต่อดีเอ็นเอเราก็สามารถเปลี่ยนชนิดของโปรตีนขาเข้าและขาออกได้ตามต้องการ แถมยังสามารถปรับจูนพฤติกรรมของสวิตช์ด้วยการปรับตัวแปรทางชีวเคมีอย่างความแน่น/หลวมของการจับกันระหว่างโปรตีนกับสวิตช์ยีน ความเสถียร หรืออัตราการสังเคราะห์โปรตีนได้ด้วย

บทความของ Knight และ Sussman ชิ้นนี้ยังเป็นเพียงข้อเสนอทางทฤษฎีไม่มีผลการทดลองรองรับ แต่อีกแค่สองปีกว่าหลังจากนั้นในเดือนมกราคมปี 2000 งานวิจัยอีกสองชิ้นที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ก็พิสูจน์ว่าแนวคิดนี้ใช้ได้จริงอย่างน้อยก็ในเซลล์ที่เรียบง่ายอย่างแบคทีเรีย Escherichia coli

งานแรกเป็นของทีมวิจัยจาก Boston University นำสวิตช์ยีนสองสวิตช์มาประกอบกันเป็นระบบที่เรียกว่า Toggle Switch ทำหน้าที่เหมือนหน่วยความจำขนาดหนึ่งบิต

งานที่สองเป็นของทีมวิจัยจาก Princeton University นำสวิตช์ยีนสามสวิตช์มาประกอบกันเป็นระบบที่เรียกว่า Oscillator ทำหน้าที่เหมือนกับนาฬิกาที่กำหนดจังหวะการเปิดปิดสวิตช์ (ยีน) อย่างสม่ำเสมอ

สิ่งที่น่าสนใจสำหรับงานทั้งสองชิ้นนี้คือแต่ละยีนที่ใช้เป็นองค์ประกอบในระบบที่มาจากธรรมชาติ เคยมีการศึกษาประยุกต์ใช้ทางไบเทคและงานวิจัยพื้นฐานมามากมายแต่ว่ายังไม่เคยถูกนำมาประกอบกันในรูปแบบนี้

สวิตช์ยีนหนึ่งถูกนำไป “ต่อ” กับอีกสวิตช์ยีนหนึ่งด้วยการออกแบบให้ output จากยีนแรกทำหน้าที่เป็น input ของอีกยีน

นักวิจัยเริ่มเรียกระบบการนำสวิตช์ยีนหลายๆ อันมาต่อกันเพื่อให้เกิดพฤติกรรมการทำงานแบบใหม่นี้ว่า “วงจรยีนสังเคราะห์ (synthetic gene circuit)”

ช่วงประมาณสิบกว่าปีหลังงานวิจัยสองชิ้นนี้ออกมาการวิศวกรรม “วงจรยีนสังเคราะห์” การเป็นอีกเทรนด์งานวิจัยใหม่ในวงการไบโอเทค วารสารชั้นนำตีพิมพ์บทความวิชาการมายมายว่าด้วยการหยิบยืมคอนเซ็ปต์ของวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์มาใช้กับการวิศวกรรมสิ่งมีชีวิต ดีเอ็นเอแทนภาษาเขียนโปรแกรม ยีนแทนสวิตช์ทรานซิสเตอร์ โปรตีนแทนกระแสไฟฟ้าตัวนำสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ ฯลฯ

ในช่วงเวลาที่คนกำลังเริ่มเห่องานวงจรยีนสังเคราะห์ หนึ่งในผู้บุกเบิกวงการอย่าง Knight มองเห็นภาพว่างานวิศวกรรมสิ่งมีชีวิตที่ทำๆ กันอยู่ถึงตอนนั้นก็ยังไม่ถือเป็นวิศวกรรมอย่างแท้จริงอย่างที่เขาคุ้นเคย การจะประกอบวงจรยีนแต่ละชุด ต่อให้ใช้สวิตช์ยีนแค่สองสามตัวต้องใช้เวลาหลายเดือนถึงเป็นปี ลองผิดลองถูกไปเรื่อย แค่จะเอาดีเอ็นเอสองชิ้นมาต่อกันก็ยังแทบจะต้องนับเป็นอีกโครงการวิจัยใหม่ไม่เหมือนง่ายเหมือนการบัดกรีเชื่อมลวดในวงจรไฟฟ้าอย่างที่เล่าไปตอนก่อน

Knight มองว่าเราควรกลับไปที่พื้นฐานที่สุดก่อน อย่างน้อยๆ เราควรจะมีคอลเล็กชั่นของชิ้น “ดีเอ็นเอมาตรฐาน” ที่เราสามารถเอามาประกอบต่อกันไปได้เรื่อยๆ จะเรียงลำดับอะไรก่อนหลังก็ได้ตามใจเหมือนกับการประกอบอิฐหรือต่อชิ้นส่วนเลโก้ ไม่ใช่ต้องมาคอยนึกคอยแก้ปัญหาทุกรอบว่าอะไรต่อกับอะไรได้เหมือนกับการเอาหินรูปทรงบูดเบี้ยวไม่เท่ากันจากธรรมชาติมาประกอบเป็นสิ่งปลูกสร้าง

แนวคิดนี้เป็นที่มาของนวัตกรรมที่เรียกว่า “BioBrick” ซึ่งจะเป็นอย่างไรโปรดติดตามตอนต่อไป

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022