Natural Science วิศวกรรมระบบนิเวศน์ด้วย  Gene Drive : โดย – ดร.ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

แต่ละปีมีคนป่วยด้วยมาลาเรียกว่า 200 ล้านคน ตาย 4 แสนคน ส่วนมากเป็นเด็กอายุต่ำกว่า 5 ปี

ยุงและแมลงพาหะคร่าชีวิตมนุษย์ไปรวมๆแล้วเกือบล้านคนต่อปี 

ถ้ามีเทคโนโลยีที่อาจจะกำจัดพาหะนำโรคเหล่านี้ให้สิ้นไป เราจะยอมลงทุนเท่าไหร่? และจะยอมแลกกับความเสี่ยงอะไรบ้าง?

วิศวกรรมระบบนิเวศน์ (ecological engineering) ว่าด้วยการทำนาย ออกแบบ และปรับเปลี่ยนระบบความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตต่างๆ ตัวไหนที่ใกล้สูญพันธุ์เราก็อาจจะเข้าไปแทรกแซงช่วยเหลือ ตัวไหนที่ออกลูกออกหลานมาเยอะไปจนเสียสมดุลเราก็อาจจะต้องไปลดประชากรหรือกำจัดทิ้งไป

 “ยุง” ถูกมนุษย์เราจงใจทำลายล้างโคตรมาช้านานแล้วทั้งโปรยทั้งพ่นยาพิษในน้ำและอากาศ ทั้งวางกับดัก ไล่ตบกระทืบ กำจัดแหล่งเพาะพันธุ์ ฯลฯ แต่ก็เหมือนเรารบกับข้าศึกที่แทบไม่มีทางชนะขาด ยุงตัวเมียท้องแก่อิ่มเลือดหนึ่งตัววางไข่รอบละเป็นร้อยฟอง ไข่พวกนี้โตมาเป็นยุงตัวเต็มวัยได้ใน 5-14 วัน ด้วยความลูกดกและวงจรชีวิตที่สั้นประชากรยุงที่เหลือรอดจากการล่าล้างเพียงนิดเพิ่มจำนวนขึ้นมาใหม่ได้อย่างรวดเร็ว แถมได้พันธุ์กลายที่ถึกทนยิ่งกว่าเดิม นอกจากนี้ภาวะโรคร้อนยิ่งทำให้ถิ่นที่อยู่ของยุงและโรคจากยุงแพร่กระจายไกลออกไปอีก

เทคโนโลยี  “ยุงปราบยุง” ว่าด้วยการสร้าง “ยุงห่วยๆ” ออกไปผสมพันธุ์บ่อนทำลายประชากรยุงธรรมชาติ  ปกติแล้วยุงตัวเมียแต่ละตัวจะผสมพันธุ์แค่ครั้งเดียวทั้งชีวิต ถ้าดันไปผสมกับยุงตัวผู้ที่เป็นหมันจะเสียโอกาสสืบพันธุ์ไปโดยปริยาย ดังนั้นถ้าเราผลิตและปล่อยยุงตัวผู้ที่เป็นหมันออกมามากๆให้ไปผสมพันธุ์กับยุงตัวเมียในธรรมชาติ เราก็จะลดการเกิดยุงในพื้นที่นั้นได้

การทำหมันแมลงตัวผู้นี้เรียกว่า Sterile Insect Technique (SIT) มีนักวิจัยบุกเบิกทำกันมาตั้งแต่ช่วงยุค 1930s ทั้งในพวกศัตรูพืชแมลงวัน ผีเสื้อกลางคืน ไปจนถึงพาหะนำโรคอย่างยุง วิธีทำหมันมีตั้งแต่ใช้การฉายรังสี/สารเคมีเหนี่ยวนำการกลาย และการใช้วิธีทางชีวภาพอย่างแบคทีเรีย Wolbachia ที่ทั้งช่วยลดการเกิดยุงตัวเมียและการกระจายเชื้อก่อโรค เทคนิคพวกนี้มีการทดลองใช้ตั้งแต่ยุค 1960s มีข้อดีคือไม่ได้มีการปรับแต่งพันธุกรรม ไม่ต้องกังวลเรื่อง GMO หรือการปล่อยยีนแปลกปลอมสู่ระบบนิเวศน์ แต่ข้อจำกัดคือต้องใช้แมลงตัวผู้ปริมาณมหาศาลเพื่อแข่งกันขันกับตัวผู้ที่มีอยู่เดิมในประชากร แถมแมลงตัวผู้ที่โดนรังสี/เคมี/ชีวภัณฑ์พวกนี้ก็อาจจะง่อยๆไปแข่งกับตัวผู้ดั้งเดิมไม่ค่อยได้ 

วิธีที่แรงขึ้นมาอีกขั้นก็คือใช้ยุงปรับแต่งพันธุกรรมที่สามารถเพิ่มขยายจำนวนได้ง่ายในห้องปฏิบัติการณ์/โรงงานผลิต แต่สามารถปล่อยยีนฆ่ายุงเมื่อออกไปสู่สิ่งแวดล้อมข้างนอก เช่นงานของ Oxitec สตาร์ทอัพจากมหาวิทยาลัย Oxford ประเทศอังกฤษ   Oxitec มีเทคโนโลยี Self-limiting Gene เป็นสวิตช์ยีนที่ผลิตโปรตีนชื่อ Tetracycline-controlled transactivator (tTAV) ออกมามหาศาลในยุงตัวเมียจนเซลล์ยุงไม่เหลือทรัพยากรพอจะผลิตโปรตีนอื่นๆที่จำเป็นได้และตายไป ในโรงงานผลิตยุง เราสามารถปิดสวิตช์ยีนอันนี้ด้วยการให้ยา tetracyclin ในอาหารยุง เมื่อ tTAV ไม่แสดงออก ยุงก็อยู่รอดสืบพันธุ์ได้ปกติ พอจะใช้งานก็หยุดให้ยานี้ การผลิต tTAV ทำให้ยุงตัวเมียตายหมดเหลือแต่ตัวผู้เอาไว้ไปผสมพันธุ์กับตัวเมียในพื้นที่เป้าหมาย ลูกยุงที่เกิดมาตัวเมียจะไม่รอด (เพราะการแสดงออกของ tTAV) ส่วนตัวผู้ยังเกิดขึ้นมาและผสมพันธุ์กับตัวเมียในพื้นที่ต่อไป ด้วยวิธีนี้ประชากรตัวเมีย (ซึ่งสามารถดูดเลือดได้) ก็จะลดลงไปเรื่อยๆ 

 

ผลิตภัณฑ์แมลง GMO ของ Oxitec ในปัจจุบันมีทั้งยุงลาย ยุงก้นปล่อง แมลงวันผลไม้ ผีเสื้อกลางคืน ผีเสื้อหนอนกระทู้ ทางบริษัทเริ่มทำการทดสอบยุง GMO ภาคสนามที่เกาะ Grand Cayman ในทะเลแคริเบียนตั้งแต่ปี 2009 และสามารถลดจำนวนยุงในพื้นที่ทดสอบลงได้ถึงกว่า 80% หลังจากนั้นก็มีการใช้งานในพื้นที่อื่นๆทั้งในบราซิล ปานามา และมาเลเซีย ส่วนในสหรัฐอเมริกา Oxitec ยื่นขอทดสอบภาคสนามที่ฟลอริดาตั้งแต่ปี 2010 ผ่านกระบวนการพิจารณายืดเยื้อยาวนานจนเพิ่งได้มาเริ่มทดสอบจริงเมื่อเมษายนปีที่แล้ว  (2021)

ยุง GMO  ของ Oxitec ถูกออกแบบให้มันค่อยๆสูญพันธุ์ไปเองในธรรมชาติเนื่องจากยีนฆ่ายุงในตัวของมันเองทำให้ในระยะยาวมันไม่สามารถแข่งขันกับยุงดังเดิมในธรรมชาติได้ ตรงนี้เป็นข้อดีทำให้ยีนแปลกปลอมพวกนี้ไม่ตกค้างในสิ่งแวดล้อมจนอาจส่งผลระทบกับระบบนิเวศน์ แต่อีกแง่หนึ่งก็แปลว่าเรายังต้องผลิตและปล่อยยุง GMO พวกนี้ออกมาเรื่อยๆเพื่อจะกดประชากรยุง ถ้าเราจะลดหรือกำจัดประชากรยุงอย่างถาวร เราก็ต้องอาศัยเทคโนโลยีที่จะกระจายและรักษายีนกำจัดยุงพวกนี้ไว้ในประชากรยุงมากๆนานๆ เทคโนโลยีนี้เรียกว่า Gene Drive

ก่อนจะเข้าใจ Gene Drive เราน่าจะต้องเข้าใจตัวละครใหม่อีกตัวคือ selfish genetic element แปลเป็นไทยตรงๆว่าชิ้นยีนเห็นแก่ตัว

ยีนเป็นชิ้นส่วนของดีเอ็นเอซึ่งกำหนดลักษณะหน้าตา พฤติกรรม ความสามารถต่างๆของสิ่งมีชีวิต ตามปกติ “ยีนดี” ที่ทำให้สิ่งมีชีวิตตัวนั้นมีโอกาสอยู่รอดและสืบทอดสายพันธุ์ได้สูงก็จะมีโอกาสสูงที่จะได้ไปต่อ ส่วนยีนห่วยๆที่ ก่อโรค ลดโอกาสรอดและสืบพันธุ์ก็จะถูกธรรมชาติคัดทิ้งจนหายไปจากประชากรในที่สุด แต่ selfish genetic element สามารถ “โกง” การสืบทอดพันธุกรรมด้วยก็อบปี้เพิ่มจำนวนตัวเองขึ้นมาเป็นพิเศษแทนที่จะรอถูกก็อบปี้ไปพร้อมๆกับยีนอื่นๆในจีโนมระหว่างการแบ่งเซลล์ เมื่อจำนวนก็อบปี้มากขึ้นโอกาสที่จะถูกส่งถ่ายไปยังรุ่นต่อไปก็สูงขึ้นด้วย selfish genetic element ถือเป็นปรสิตที่แฝงตัวอยู่ระดับจีโนม สามารถขยาย เพิ่มจำนวน ส่งทอด แพร่ระบาดไปในประชากรได้ทั้งๆที่มันอาจจะไม่ได้ทำประโยชน์อะไรให้สิ่งมีชีวิตเลยด้วยซ้ำ ปรากฏการณ์ที่ยีนหนึ่งๆมีโอกาสส่งต่อไปยังรุ่นต่อไปสูงผิดปกติ เรียกว่า gene drive

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดในโลกนี้มี selfish genetic element พวกนี้แฝงอยู่ในจีโนม ด้วยเหตุนี้ก็เลยมีคนปิ๊งไอเดียว่าเราน่าจะใช้ selfish genetic element กระจายยีนห่วยๆเข้าไปในประชากรสิ่งมีชีวิตที่เราอยากทำลาย 

ปี 2003 Austin Burt อาจารย์และนักวิจัยผู้เชี่ยวชาญด้าน selfish genetic element จาก Imperial College นำเสนอโมเดลคณิตศาสตร์ทำนายความเป็นไปได้ในการใช้ selfish genetic element ที่สามารถก็อบปี้ยีนทำลายล้างที่เราต้องการไปยังลำดับเบสเจาะจงบนโครโมโซมคู่ตรงข้าม (สิ่งมีชีวิตโดยทั่วไปมีโครโมโซมเป็นคู่ เช่น มนุษย์มี 23 คู่มาจากพ่อและแม่อย่างละครึ่ง) วิธีนี้ช่วยการันตีว่ายีนเราโอกาสเกือบ 100% ที่จะถูกส่งไปยังเซลล์สืบพันธุ์ ดังนั้นเราสามารถเริ่มต้นจากประชากรที่เราวิศวกรรมให้มียีนทำลางล้างของเราเพียงเล็กน้อยและอาศัยคุณสมบัติการเป็น selfish genetic element ในการกระจายยีน ออกไปทั้งประชากร   แม้ว่าโมเดลของ Burt จะน่าสนใจแต่การวิศวกรรม selfish genetic element ให้พายีนที่เราต้องการไปยังตำแหน่งโครโมโซมที่เราต้องการก็ยังเป็นเรื่องยากในทางปฏิบัติ ด้วยเหตุนี้งานวิจัยด้าน Gene Drive เลยยังไม่คืบหน้าไปเท่าไหร่ จนมาถึงช่วงปี 2014  หลังการคิดค้นเครื่องมือพันธุวิศวกรรมตัวใหม่ที่เรียกว่า CRISPR/Cas

ระบบ CRISPR/Cas ทำใช้งานได้ง่าย เร็วและถูกกว่าระบบพันธุวิศวกรรมรุ่นก่อนๆมาก ทำให้มันถูกเอาไปใช้อย่างแพร่หลายอย่างรวดเร็วทั้งในงานปรับปรุงพันธุ์พืช/สัตว์/จุลินทรีย์ งานยีนบำบัด และงานวิจัยจีโนมพื้นฐานต่างๆ ในบริบทของ Gene Drive เราสามารถดัดแปลง  CRISPR/Cas ให้ทำหน้าที่เหมือน selfish genetic element ที่สามารถไปตัดและก็ก็อปปีตัวเองแทรก ณ ตำแหน่งเจาะจงในจีโนมได้ และเราก็สามารถพ่วงยีนบ่อนทำลายยุงหรือโรคจากยุงให้ถูกก็อปปี้ตามติดไปกับ CRISPR/Cas ด้วย

Valentino M. Gantz และ Ethan Bier จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานดิเอโก (UCSD) บุกเบิกงาน CRISPR/Cas Gene Drive สำเร็จในแมลงวันผลไม้ (Drosophila)  ตอนปี 2015 ตามมาด้วยงานอีกชิ้นในปีเดียวกันจากทีมเดิม ว่าด้วยการใช้ RISPR/Cas Gene Drive  เพื่อกระจายยีนต้านเชื้อมาลาเรียในประชากรยุงก้นปล่อง ระบบของ Ganztz นี้สามารถเพิ่มโอกาสถ่ายทอดยีนสู่เซลล์สืบพันธุ์จากปกติ  50% ขึ้นมาเป็นกว่า 98%

ปี 2016 ทีมวิจัยจาก Imperial College นำโดย Andrea Crisanti (ร่วมกับ Austin Burt ผู้บุกเบิกไอเดีย Gene Drive สิบกว่าปีก่อนหน้า) ค้นพบยีนสำคัญในยุงตัวเมียที่จะเป็นต่อการสืบพันธุ์ ทีมวิจัยพัฒนาระบบ Gene Drive ที่สามารถก็อบปี้ตัวเองเข้าไปแทรกทำลายยีนเหล่านี้ ตัวเมียที่ถูก เgene drive ทั้งสองยีนจะเป็นหมัน แต่ตัวผู้ยังสามารถออกไปแพร่พันธุ์ต่อเพื่อไปทำหมันยุงตัวเมียอีกเรื่อยๆ 

ระบบ Gene Drive ทำหมันยุงเวอร์ชั่นแรกนี้มีข้อจำกัดคือพอยุงสืบพันธุ์กันต่อไป 4-5 รุ่นก็เริ่มเกิดการกลายพันธุ์ตรงยีนเป้าหมาย ทำให้ประสิทธิภาพของ Gene Drive ลดลงเรื่อยๆจนหายไปจากประชากรในที่สุด ทีมของ Crisanti แก้ปัญหานี้ด้วยการหายีนเป้าหมายใหม่ที่น่าจะกลายพันธุ์ไม่ได้ง่ายๆ หลักการหาก็คือบริเวณยีนที่ยุงสายพันธุ์อะไรๆก็มีเหมือนกันเป๊ะ ความคงที่ของพันธุ์กรรมเป็นสัญญาณบอกว่าการกลายพันธุ์บริเวณนี้เกิดขึ้นได้ยากมากๆ (เพราะถ้าเกิดแล้วยุงอาจจะตายหรือสืบพันธุ์ต่อไปไม่ได้)  Gene Drive เวอร์ชั่นสองนี้มุ่งเป้าไปที่ยีนชื่อ double sex (dsx) ซึ่งถ้ากลายพันธุ์ไปแล้วจะทำให้ยุงตัวเมียมีรูปร่างหน้าตากึ่งผู้กึ่งเมียสืบพันธุ์ต่อไปไม่ได้ ส่วนยุงตัวผู้ยังคงเป็นปกติสืบพันธุ์ส่งถ่าย Gene Drive ต่อไปในประชากรได้ 

ผลการทดลองปี 2018 ทีมวิจัยลองปล่อยตัวผู้ 150 ที่มีระบบ Gene Drive นี้อยู่ไปในประชากรยุงรวม 600 ตัว พบว่าระบบ Gene Drive นี้แพร่กระจายตัวไปได้ดีจนครอบคลุมทั่วทั้งประชากร โดยไม่พบการกลายพันธุ์ต้าน Gene Drive เลย ประชากรยุงก็ลดลงเรื่อยๆจนสูญพันธุ์กันไปหมดภายใน 7-11 รุ่น รายงานอีกชิ้นเมื่อกลางปีที่แล้ว (2021) ทดลองทำในประชากรยุงที่ใหญ่ขึ้นหลักพันตัว มียุงหลากหลายช่วงอายุอยู่ในสภาพแวดล้อมปิดที่กว้างขึ้นกว่าเดิมหลายร้อยเท่า จำลองเหมือนสิ่งแวดล้อมจริงๆมากขึ้น ระบบ Gene Drive นี้ก็ยังคงสามารถกระจายไปทั่วและลดประชากรยุงจนสูญพันธุ์ไปหมดโดยไม่มีปัญหาการกลายพันธุ์ นอกจากนี้ทีมของ Crisanti ยังได้พัฒนาระบบ Gene Drive เวอร์ชั่นสามที่ทั้งทำหมันยุงตัวเมียด้วยการรบกวนยีน dsx และก็เปลี่ยนสมดุลการสร้างสเปิร์มของยุงตัวผู้ให้ได้สัดส่วนลูกยุงตัวเมียน้อยๆ เวอร์ชั่นสามนี้ใช้ยุงตัวผู้ที่มี Gene Drive เริ่มต้นแค่ 2.5% ของประชากรก็สามารถที่ผสมพันธุ์แพร่ยีนจนประชากรยุงล่มสลายไปภายในสิบกว่ารุ่นเท่านั้น

Gates Foundation หนึ่งในผู้สนับสนุนเงินทุนรายใหญ่ของ Crisanti ผ่านทาง Target Malaria Project คาดการณ์ว่า Gene Drive น่าจะพร้อมใช้จริงภาคสนามภายในทศวรรษนี้ ส่วน DARPA สำนักวิจัยชั้นสูงด้านการทหารของสหรัฐก็มีโครงการวิจัยร่วมกับ Crisanti ในการจำแนกและหยุดยั้งการกระจาย Gene Drive เผื่อในกรณีที่เทคโนโลยีนี้ดันก่อผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์

นอกจากงานของ Crisanti ในยุงแล้วก็ยังมีทีมวิจัยและหน่วยงานสนับสนุนอีกหลายแห่งที่กำลังศึกษาการใน Gene Drive ไปใช้ ตั้งแต่หยุดการระบาดของไวรัสโรคเริม (herpesviruses) ควบคุมแมลงวันศัตรูพืช ไปจนถึงลดประชากรหนูและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่เป็นพันธุ์รุกรานต่างถิ่นในระบบนิเวศน์เปราะบางอย่างหมู่เกาะฮาวาย กาลาปากอส ออสเตรเลียและนิวซีแลนด์

ในเชิงเทคนิค งาน Gene Drive ของ Crisanti และทีมวิจัยอื่นๆเข้าใกล้ขั้นการนำไปใช้จริงขึ้นเรื่อยๆ ส่วนในด้านการนำไปใช้จริง Gene Drive คงยังต้องผ่านการวิพากษ์ถกเถียงถึงความเสี่ยง ผลกระทบและการป้องกันให้รอบด้านอีกหลายขั้นตอน

เทคโนโลยีทุกอย่างมีประโยชน์และความเสี่ยง นิวเคลียร์ รถไฟฟ้า วัคซีน GMO การเงินดิจิตอล ฯลฯ คำถามคือการเอาเทคโนโลยีมาใช้ในวงกว้างได้ประโยชน์คุ้มค่ากับความเสี่ยงไหม? เมื่อเทียบกับทางเลือกอื่นๆแล้วเป็นอย่างไร?

 การปรับพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทั้งประชากรส่งผลกระทบเป็นวงกว้างแน่นอน แต่เราอาจจะต้องเปรียบเทียบกับตัวเลือกอื่นด้วย การทำลายแหล่งเพาะพันธุ์ด้วยการถมที่ หรือพ่นสารพิษฆ่าแมลงในอากาศหรือแหล่งน้ำ เทคโนโลยีพวกนี้อาจดูไม่น่ากลัวเท่า gene drive ที่เป็นของใหม่แต่ เทคโนโลยีเก่ากว่าพวกนี้ก็ส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศน์เป็นวงกว้างแถมมีความจำเพาะเจาะจงต่ำกว่า อีกด้านคือต้นทุนค่าเสียโอกาส ไม่ทำอะไรเลยก็มีคนป่วย ตาย และมูลค่าเศรษฐกิจที่เสียไปเรื่อยๆทุกๆปี การตัดสินใจเลือกใช้หรือไม่ใช้ gene drive ของมนุษย์อาจจะเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของการพิทักษ์รักษาหรือทำลายระบบนิเวศน์ของโลกในนี้

โปรดอย่าลืมกดติดตามเพจของ MIC ได้ที่ : Facebook Matichon MIC

อ้างอิง

Bill Gates Doubles His Bet on Wiping Out Mosquitoes with Gene Editing อ่านเพื่มเติม

https://www.technologyreview.com/2016/09/06/244913/bill-gates-doubles-his-bet-on-wiping-out-mosquitoes-with-gene-editing/

https://www.theguardian.com/science/2017/dec/04/us-military-agency-invests-100m-in-genetic-extinction-technologies 

https://www.nature.com/articles/s41576-021-00386-0

https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_drive

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24790-6

https://www.nature.com/articles/s41587-020-0508-1

https://www.nature.com/articles/nbt.4245

https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1007039

https://www.nature.com/articles/nbt.3439

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaa5945

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1521077112

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1691325/

https://www.oxitec.com/en/our-technology

https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/malaria 

https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/vector-borne-diseases

https://www.timeshighereducation.com/hub/university-witwatersrand/p/male-mosquito-odours-reveal-how-mozzies-mate

เกาะติดทุกสถานการณ์จาก
Line @Matichon ได้ที่นี่

LINE @Matichon