จากพีระมิดถึงดีเอ็นเอ : ว่าด้วยมาตรฐานกับงานวิศวกรรมสิ่งมีชีวิต (7)

ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

 

จากพีระมิดถึงดีเอ็นเอ

: ว่าด้วยมาตรฐานกับงานวิศวกรรมสิ่งมีชีวิต (7)

 

ระบบ BioBrick ของ Tom Knight ช่วยให้นักชีววิทยาสังเคราะห์ประกอบชิ้นดีเอ็นเอเข้ากันได้ง่ายขึ้นก็จริง แต่ก็ไม่มีอะไรการันตีว่าสุดท้ายเมื่อนำไปใส่ในเซลล์สิ่งมีชีวิตเราจะได้ลักษณะอย่างที่ออกแบบไว้

Knight อธิบายว่าเราต้องแยกให้ออกระหว่าง “การประกอบเชิงกายภาพ (physical composition)” คือการเอาชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบมาเสียบต่อเข้ากันได้ และ “การประกอบเชิงการทำงาน (functional composition)” คือการที่ชิ้นส่วนต่างๆ ทำงานประสานกันอย่างลงตัว

ถ้าจะเปรียบเทียบให้เห็นภาพก็เหมือนการประกอบเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ การที่ชิ้นส่วนต่างๆ ต่อเข้าด้วยกันสนิท ปลั๊กเข้ารูเต้าเสียบ ขาตัวต้านทานและทรานซิสเตอร์เข้าช่องบนแผนวงจรพอดี ก็ไม่ได้แปลว่าเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรแล้วมันจะไม่ช็อตไม่รวนไม่ไหม้ และทำงานออกมาได้ตามที่เราต้องการ

ดังนั้น วิศวกรไฟฟ้าต้องศึกษาจะเข้าใจพฤติกรรมการทำงานและข้อจำกัดของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แต่ละชิ้น จนสามารถเขียนเป็นกฎกติกามาตรฐานได้ว่าชิ้นไหนเอามาทำงานร่วมกับชิ้นไหนได้อย่างไรบ้าง

ขณะเดียวกันก็ต้องพยายามออกแบบให้แต่ละชิ้นส่วนทำงานได้คงที่เอาแน่เอานอนได้มากที่สุด ไม่ใช่ว่าขยับทีเปลี่ยนตำแหน่งพฤติกรรมการทำงานก็เปลี่ยนไปเรื่อย

Cr. ณฤภรณ์ โสดา

ก่อนจะไปถึงจุดนั้นเราต้องรู้ก่อนว่าเวลาจะศึกษาชิ้นส่วนแต่ละชิ้นอย่างน้อยๆ เราต้องเก็บข้อมูลอะไรอย่างไรกันแน่

สำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์วิศวกรไฟฟ้าวัดศักย์และกระแสไฟฟ้าที่เข้า (input) และออก (output) จากแต่ละชิ้นส่วนนั้น สามารถระบุได้ชัดเจนว่าสัญญาณไฟฟ้าที่เข้าและออกสัมพันธ์กันอย่างไรในสภาวะต่างๆ

ด้วยเหตุนี้กำหนดมาตรฐานการวัด (measurement standard) ของการทำงานของชิ้นส่วนจึงเป็นหนึ่งในขั้นตอนแรกๆ ก่อนจะริเริ่มประกอบชิ้นส่วนเป็นระบบอะไรที่ซับซ้อน

แต่ในวงการชีววิทยาและไบโอเทคขณะนั้นยังไม่มีใครรู้ว่าเราควรจะวัดอะไรและวัดอย่างไรกันแน่

สิ่งที่น่าจะใกล้เคียงกับการวัดศักย์และกระแสไฟฟ้าเข้าออกชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มากที่สุดคือการวัด “ระดับการแสดงออกของยีน (gene expression level)”

บนจีโนมดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตใดๆ สามารถแบ่งออกได้เป็นบริเวณย่อยๆ ที่ทำหน้าที่จำเพาะเรียกว่า “ยีน” ยีนแต่ละตัวสามารถถูกถอดและแปลรหัสออกมาเป็นโปรตีนซึ่งก็ต้องไปทำงานร่วมกับโปรตีนจากยีนอื่นๆ อีกเป็นพันเป็นหมื่นตัวประสานกันเป็นระบบต่างๆ ที่ทำให้เซลล์สามารถรับรู้ ประมวลผล ตอบสนอง แสดงลักษณะพฤติกรรมต่างๆ ออกมาได้

ยีนส่วนมากไม่ได้แสดงออกตลอดเวลาแต่มีสวิตช์เปิดปิด ผลผลิตจากยีนๆ หนึ่งสามารถใช้เป็นตัวควบคุมการเปิดปิดยีนอีกยีนหนึ่ง

ตอนที่เสนอแนวคิด Cellular Gate Technology นั้น Tom Knight และ Gerald Sussman มองยีนที่มีสวิตช์เปิดปิดแบบนี้เหมือนหน่วยประมวลผลรากฐานคล้ายๆ กับทรานซิสเตอร์ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

ระดับการแสดงออกของยีนหนึ่งสามารถใช้กำหนดระดับการแสดงออกของอีกยีนหนึ่ง ดังนั้น เราอาจจะมองว่าระดับการแสดงออกยีนของยีนแต่ละยีนในวงจรยีนสังเคราะห์ก็เหมือนกับระดับสัญญาณไฟฟ้าที่ไหลเวียนอยู่ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

ถ้าเรามีมาตรฐานการวัดระดับการแสดงออกของยีนแต่ละยีนเราก็จะเริ่มศึกษาและวางกฎกติกาในการประกอบมันเป็นวงจรยีนสังเคราะห์แบบที่เราต้องการได้

ชิ้นส่วนที่ถูกออกแบบและเลือกอย่างเหมาะสมจำเป็นต่อการสร้างระบบที่ใช้งานได้จริง
Cr. ณฤภรณ์ โสดา

การวัดระดับการแสดงออกของยีนไม่ใช่เรื่องใหม่ เราสามารถวัดระดับอาร์เอ็นเอและโปรตีนที่ถูกถอดและแปลรหัสจากยีนแต่ละยีนได้นานก่อนหน้าที่ Knight จะมาศึกษาเรื่องนี้

ปัญหาคือยีนแต่ละยีนแสดงออกมาเป็นอาร์เอ็นเอและโปรตีนต่างชนิดต่างคุณสมบัติกัน นั่นแปลว่า input-output ของสวิตช์ยีนแต่ละสวิตช์เป็นโมเลกุลคนละแบบ เราเอาระดับมาเทียบกันตรงๆ ไม่ได้ ต่างจากในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ input-output ของทุกชิ้นส่วนต่างก็เป็นกระแสการไหลของอิเล็กตรอนเหมือนกันหมด

ทีมวิจัยพยายามองหาสิ่งที่เปรียบเสมือนตัวนำสัญญาณกลาง (common signal carrier) ในเซลล์สิ่งมีชีวิตที่เทียบเท่ากับกระแสการไหลของอิเล็กตรอนในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

สิ่งที่ดูจะใกล้เคียงที่สุดตามความเห็นของทีมวิจัยขณะนั้นก็คือกระแสการเคลื่อนที่ของเอนไซม์สำหรับสังเคราะห์อาร์เอ็นเอที่เรียกว่า RNA Polymerase (RNAP)

promoter ควบคุมความถี่ที่ RNAP เคลื่อนที่ไปบนดีเอ็นเอ
Cr. ณฤภรณ์ โสดา

RNAP ทำหน้าที่ถอดรหัส (transcribe) ในยีนบนดีเอ็นเอออกมาเป็นอาร์เอ็นเอ ซึ่งก็จะถูกแปลรหัส (translate) ออกมาเป็นโปรตีนต่อไป ปกติแล้วยีนในเซลล์ไม่ว่าจะกี่พันกี่หมื่นยีนก็จะใช้ RNAP ตัวนี้ร่วมกัน

ยิ่ง RNAP แวะเวียนไปหายีนไหนบ่อย ยีนนั้นก็มีแนวโน้มจะมีระดับการแสดงออกสูง

ทีมวิจัยเสนอให้จำนวนครั้งที่ RNAP เคลื่อนผ่านจุดๆ หนึ่งบนดีเอ็นเอในหนึ่งวินาที (Polymerase Per Second, PoPS) เป็นค่าการวัดมาตรฐานสำหรับการส่งสัญญาณในเซลล์

อย่างไรก็ตาม แม้แต่ในปัจจุบันเรายังไม่มีเทคโนโลยีที่สามารถวัดค่านี้ได้โดยตรงในเซลล์เป็นๆ สิ่งที่พอทำได้ก็คือการเอายีนที่สามารถแสดงออกมาเป็นโปรตีนเรืองแสงหรือผลิตสีไปตัดต่อใส่ไว้ใกล้ๆ ดีเอ็นเอบริเวณที่เราต้องการจะวัดกระแสการไหล จากนั้นก็อนุมานเอาว่าระดับการเรืองแสงหรือความเข้มของสีจะแปรผันตรงกับระดับการไหลของ RNAP ผ่านบริเวณนั้น

เรารู้ว่าลำดับเบสดีเอ็นเอส่วนที่เรียกว่า promoter เป็นตำแหน่งเริ่มต้นของการถอดรหัสพันธุกรรมบนดีเอ็นเอออกมาเป็นอาร์เอ็นเอ

ดังนั้น ตรงไหนบนดีเอ็นเอที่มีลำดับเบส promoter อยู่ RNAP ก็จะวิ่งผ่านและถอดรหัสพันธุกรรมดีเอ็นเอบริเวณนั้นออกมา ถ้ามียีนอยู่ด้วยใกล้ๆ ก็จะเกิดการแสดงออกของนั้น

จากมุมมองนี้ promoter เปรียบเสมือนตัวจ่ายไฟ (power supply) ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ แม้แต่ในเซลล์สิ่งมีชีวิตเดียวกันก็มักจะมี promoter อยู่หลายแบบที่มีลำดับเบสต่างๆ กันไป

promoter เวอร์ชั่นไหนที่เรียก RNAP ให้มาวิ่งผ่านได้ถี่ก็จะถือว่าเป็นตัวจ่ายไฟที่ “แรง” (strong promoter) ยีนบริเวณนั้นก็ยิ่งแสดงออกสูง

ส่วนเวอร์ชั่นไหนที่ RNAP มาวิ่งผ่านน้อยก็จะถือว่า “อ่อน” (weak promoter) ยีนบริเวณนั้นก็แสดงออกน้อย

ดังนั้น ทีมวิจัยก็เลยมองว่า “มาตรฐานการวัดความแรงของ promoter” น่าจะเป็นสิ่งสำคัญอันดับต้นๆ ในการจะวางระบบมาตรฐานอื่นๆ ทั้งหลายในการประกอบชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่ทำงานร่วมกันได้