“เราจะสร้างเซลล์ที่นับเลขได้ถึง 256” อาจารย์ที่ปรึกษาป.เอกมอบภารกิจผมตอนเจอกันครั้งแรกปี 2008
การวิศวกรรมเซลล์ที่สามารถ “จำ” และ “นับ” จำนวนเหตุการณ์ได้เป็นหนึ่งในพันธกิจล่าจอกศักสิทธิ์ (holy grail) ของเหล่านักชีววิทยาสังเคราะห์ตั้งแต่เมื่อสิบกว่าปีมาแล้ว เซลล์ที่สามารถจำและนับได้แม่นยำจะพลิกโฉมหน้าการศึกษาสเต็มเซลล์ การทำงานของสมอง การเกิดมะเร็ง ความแก่ชรา ตลอดจนเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างเซลล์อัจฉริยะ (smart cell) ที่เราจะโปรแกรมให้เลี้ยวซ้ายขวาหรือตีลังกาห้ารอบได้ตามใจ
อะไรคือเซลล์ที่ “จำ” และ “นับ”? เราจะสร้างและใช้งานมันยังไง? พันธกิจล่าจอกศักสิทธิ์ของนักชีวสังเคราะห์สำเร็จไปจริงแล้วแค่ไหน? เดี๋ยวตอนนี้จะเล่าให้ฟัง
โจทย์ทางชีววิทยาแทบทั้งหมดเป็นคำถามเชิงประวัติศาสตร์ เป็นคำถามที่ว่าเซลล์หนึ่งๆ “ผ่านอะไรมาบ้าง?” จึงมีรูปร่างหน้าตาหรือพฤติกรรมแตกต่างกันอย่างที่เราเห็น เช่น ทำไมสเต็มเซลล์นี้ถึงกลายเป็นผิวหนังหรือหัวใจหรือประสาท? ทำไมเซลล์นั้นกลายเป็นมะเร็งหรือคงปกติ? ทำไมเซลล์นี้ถึงแก่ชราแต่อีกเซลล์สามารถรักษาความหนุ่มสาว? เซลล์สมองเคยส่งกระแสประสาทอะไรถึงกันบ้าง? ฯลฯ
เราอยากสังเกตและบันทึกประวัติเหตุการณ์ต่างๆที่ “เคย” เกิดกับเซลล์พวกนี้ มันเคยผ่านสภาพแวดล้อมแบบไหน? เคยได้รับสารกระตุ้นอะไร? เคยสัมผัสกับเซลล์อะไร? เคยแสดงออกยีนอะไรระดับไหน? เคยแบ่งตัวไปแล้วกี่รอบ? ฯลฯ แต่การศึกษาเหตุการณ์แบบเรียลไทม์ในสภาวะธรรมชาติทำได้ยากมาก เซลล์ประสาทที่อยู่ลึกไปในสมอง สเต็มเซลล์ฝังลึกในกระดูก แบคทีเรียอยู่ในลำไส้ หรือลึกไปในดิน แหล่งน้ำ ต้นไม้ใบหญ้า ฯลฯ ถ้าเป็นไปได้เราอยากจะมีเครื่องมือสักอย่างฝังเข้าไปในเซลล์เหมือนกล่องดำบนเครื่องบิน คอยบันทึกจดจำลำดับเหตุการณ์ที่น่าสนใจต่างๆ พวกนี้ไว้ รอให้เราแกะออกมาศึกษาวิเคราะห์ภายหลัง
ในมุมวิศวกรรม ระบบอะไรก็ตามที่จะ “ฉลาด” พอรับรู้ประมวลผลและทำตามคำสั่งที่ซับซ้อนก็ต้องมี “หน่วย ความจำ” เครื่องซักผ้าต้อง “จำ” ได้ว่าปั่นผ้าไปกี่รอบแล้ว เหลืออีกกี่รอบ ถ่ายน้ำเข้าออกหรือยัง? เตาไมโครเวฟก็ต้อง “จำ” ว่าอุ่นอาหารไปกี่นาทีแล้ว เหลืออีกกี่นาที เสร็จแล้วต้องยังไงต่อ? โรบอทถูกพื้น รถไร้คนขับ โดรนการเกษตร ฯลฯ ก็ต้อง “จำ” ได้ว่าไปตรงไหนแล้ว เหลือตรงไหนอีก เลี้ยวซ้าย/ขวาตามทางกี่รอบแล้ว?
การโปรแกรมสิ่งมีชีวิตให้ทำตามคำสั่งซับซ้อนก็ต้องอาศัยหน่วยความจำเช่นกัน ชีววิทยาสังเคราะห์ยุคแรกๆ สร้างเซลล์ที่รับรู้และตอบสนองแบบไร้ความจำ เซลล์ให้ทำตามโลจิกง่ายๆ ตอบสนองต่อสถานการณ์ขณะนั้นๆ เช่น “ถ้าเจอสาร X กับสาร Y พร้อมกันให้แสดงออกยีน Z” แต่ไม่สามารถจดจำเอาประสบการณ์เก่าก่อนมาประมวลผล เช่น “ถ้าเจอสาร X มาแล้วสองรอบ ตามด้วย Y สามรอบ และ X อีกหนึ่งรอบ ให้แสดงออกยีน Z” เซลล์ที่ทำงานซับซ้อนผ่านระบบหน่วยความจำแบบนี้จะสามารถถูกเอาไปใช้ควบคุมการผลิตสารสำคัญ ไม่ว่าจะเป็น ยา อาหาร เชื้อเพลิง ฯลฯ อย่างแม่นยำ หรือใช้เป็นโรบอทขนาดจิ๋วสำหรับเฝ้าระวัง ตรวจจับ รายงาน หรือรักษาโรคต่างๆ
“ดีเอ็นเอ” เป็นระบบบันทึกข้อมูลพันธุกรรมในเซลล์ตามธรรมชาติ ด้วยหน้าที่สำคัญยิ่งยวดข้อมูลนี้จึงถูกรักษาสภาพเป็นอย่างดีด้วยกลไกต่างๆ ในเซลล์ และก็อบปี้/ส่งถ่ายจากรุ่นสู่รุ่นเมื่อเซลล์แบ่งตัว หลายทีมวิจัยจึงคิดใช้ดีเอ็นเอในเซลล์เป็นเสมือน “เทปบันทึกข้อมูล” เหตุการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นกับเซลล์ ระบบนี้ต้องมีเซนเซอร์ในเซลล์สำหรับตรวจจับเหตุการณ์ต่างๆ ที่เราสนใจ เซนเซอร์ที่ถูกกระตุ้นจะส่งสัญญาณไปยังกลไกที่ “เขียน” หรือบันทึกร่องรอยบนดีเอ็นเอเป็นสัญลักษณ์ว่าได้เกิดเคยเกิดเหตุการณ์นั้นๆ ขึ้นแล้ว บันทึกนี้จะคงอยู่กับเซลล์ถาวร และถูกก็อบปี้ส่งถ่ายอัตโนมัติสู่เซลล์ลูกได้ เราสามารถ “อ่าน” บันทึกนี้ด้วยการสกัดดีเอ็นเออกมาวิเคราะห์ลำดับเบส หรือเราอาจจะออกแบบให้เซลล์เอาข้อมูลที่บันทึกไว้ไปใช้ต่อ เช่น ควบคุมการเปิด/ปิดยีนหรือกลไกอื่นๆ ในเซลล์
ปกติดีเอ็นเอเซลล์หนึ่งๆ จะคงที่แทบไม่เปลี่ยนแปลง อาจจะมีการกลาย (mutation) แบบสุ่มบ้างซึ่งส่วนมากมีโอกาสทำให้เซลล์เสียหายมากกว่าดี ดังนั้นการ “เขียน” ลงดีเอ็นเอในเซลล์เป็นๆ ต้องทำแบบจำเพาะตำแหน่งที่ปลอดภัยกับเซลล์เท่านั้น นอกจากนี้การ “เขียน” ยังต้องเกิดแบบอัตโนมัติกล่าวคือเซลล์จำต้องรับรู้สัญญาณเหตุการณ์และเขียนบันทึกลงดีเอ็นเอด้วยตัวเอง ตรงนี้เป็นจุดต่างสำคัญระหว่างงานนี้กับการทำพันธุวิศวกรรมทั่วไปที่มนุษย์เป็นผู้กำหนดว่าจะตัดต่อปรับแก้ดีเอ็นเอเมื่อไหร่ ตรงไหน แบบไหน
ธรรมชาติมีเอนไซม์หลายชนิดที่สามารถ ตัด ต่อ เชื่อม แทรก ก็อบปี้ ฯลฯ ดีเอ็นเอ เอนไซม์เหล่านี้ถูกมนุษย์เอามาประยุกต์ใช้เป็นกลไกการเขียนดีเอ็นเอแบบอัตโนมัติในเซลล์ หนึ่งในตัวอย่างแรกๆ คือ การใช้เอนไซม์กลุ่มรีคอมบิเนส (recombinase) ที่สามารถพลิกกลับหัวกลับหางชิ้นส่วนดีเอ็นเอระหว่างเป้าหมายที่เจาะจงได้
ปี 2006 ทีมวิจัยของอดัม อาร์คิน (Adam Arkin) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กเลย์ (UC Berkeley) สร้างหน่วยความจำขนาดหนึ่งบิตในเซลล์แบคทีเรียอีโคไล (Escherichia coli) ระบบความจำนี้ประกอบด้วยชิ้นสวิตช์ยีนผลิตเอนไซม์รีคอมบิเนสทำหน้าที่เป็นกลไกการเขียน และชิ้นดีเอ็นเออีกชิ้นที่เป็นเป้าหมายเอนไซม์ สวิตช์ยีนนี้สามารถตอบสนองกับสัญญาณเคมีบางอย่างจากนอกเซลล์ เมื่อสวิตช์ถูกกระตุ้นรีคอมบิเนสจะถูกแสดงออกมาและไป “พลิก” (inverse) ลำดับเบสชิ้นดีเอ็นเอเป้าหมาย ทิศทางการพลิกของชิ้นดีเอ็นเอนี้แทนสถานะ 1 หรือ 0 ของหน่วยความจำ เมื่อพลิกไปแล้วดีเอ็นเอเป้าหมายจะคงสถานะอยู่แบบนั้นแม้สัญญาณกระตุ้นจะหายไปแล้ว ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าเซลล์สามารถ “จำ” ว่ามันเคยรับสัญญาณหรือไม่ เราสามารถ “อ่าน” สถานะของสวิตช์ด้วยการทำวิเคราะห์ลำดับเบสที่ถูกพลิกไปหรือไม่ก็ติดตั้งยีนผลิตสารเรืองแสงซักตัวให้ถูกเปิด/ปิดด้วยชิ้นดีเอ็นเอนี้
ทีมของอาร์คินคาดคะเนว่าถ้าเราใช้รีคอมบิเนสร่วมกันหลายๆ ตัวและมีชิ้นดีเอ็นเอเป้าหมายหลายๆ ชิ้นซ้อนทับกัน เราก็จะสามารถเก็บสร้างเซลล์ที่เก็บข้อมูลได้หลายๆ บิตเพื่อจดจำลำดับเหตุการณ์หลายๆ ครั้ง
ปี 2009 ทีมวิจัยของเจมส์ คอลลินส์ (James Collins) จากมหาวิทยาลัยบอสตัน (Boston University) รายงานการสร้างหน่วยความจำสองบิตในอีโคไลที่ “นับเลขได้ถึงสาม” งานชิ้นนี้ใช้หลักการพลิกชิ้นดีเอ็นเอด้วยรีคอมบิเนสสองชนิด สัญญานภายนอกเซลล์คุมการแสดงออกของรีคอมบิเนสตัวที่หนึ่ง สถานะของบิตที่หนึ่งคุมการแสดงออกของรีคอมบิเนสตัวที่สอง แบคทีเรียอีโคไลที่ผ่านการวิศวกรรมนี้สามารถจำได้ว่าเราให้น้ำตาลมันไปกี่รอบแล้ว พอครบสามรอบเมื่อไหร่ก็จะเรืองแสงแสดงอาการมาให้เราเห็น
โจทย์ “การนับเลขถึง 256” ที่ผมเล่าไปตอนต้นเป็นหมุดหมายสำคัญของวงการนี้ “256” เท่ากับ “2 ยกกำลัง 8” จำนวนนับที่ต้องใช้หน่วยเก็บข้อมูลขนาดหนึ่งไบต์ (แปดบิต) เลขจำนวนนี้ยังเป็นเลขที่มากพอสำหรับการนับจำนวนครั้งการแบ่งเซลล์ในร่างกายของสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิดในโลกนี้ เพียงพอสำหรับการประยุกต์ใช้ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาแบ่งเซลล์ไม่ว่าจะเป็นการพัฒนาของสเต็มเซลล์ มะเร็ง หรือการแก่ชรา
ตอนที่ผมรับโปรเจคนี้มาเคยคิดว่าปัญหาสำคัญคือทำอย่างอย่างไรจะใส่รีคอมบิเนสบิตลงไปเซลล์เพิ่มมากกว่า 1-2 บิตจากในงานของอาร์คินและคอลลินส์ แต่ต่อมาก็พบว่าปัญหาจริงๆ คือรีคอมบิเนสบิตที่ใช้กันมานั้นไม่ใช้แบบที่เขียนซ้ำจาก 1 กับเป็น 0 ได้ (rewritable) ระบบบิตแบบนี้จะนับเลขได้แค่ประมาณเท่าจำนวนบิตเท่านั้น เช่น ถ้าเรามีสี่บิต เราก็นับได้แค่ห้า: 0000, 0001, 0011, 0111, 1111 แทนที่จะนับได้ถึงสิบหก: 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, …, 1100, 1101, 1110, 111 ดังนั้นโฟกัสหลักของโปรเจคก็เลยกลายมาเป็นการสร้างบิตที่สามารถเขียนกลับไปมาได้
ปี 2012 หลังจากปลุกปล้ำกับโปรเจกนี้อยู่สามสี่ปีงานวิจัยเรื่องบิตที่เขียนกลับไปมาได้ในเซลล์ก็คลอดออกมาได้ภายใต้ทีมวิจัยของดรูย์ เอนดี (Drew Endy) แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) มีผมก็นักวิจัยหลังปริญญาเอกชาวฝรั่งเศสอีกท่านร่วมทีมวิจัยหลัก เราใช้เอนไซม์รีคอมบิเนสชนิดใหม่จากไวรัสที่สามารถพลิกสถานะบิตได้แม่นยำกว่าเดิม และที่สำคัญคือสามารถใช้โปรตีนร่วมอีกตัวในการพลิกบิตกลับไปเป็นสถานะแรกเริ่มได้ อีกงานวิจัยที่เราออกมาคู่กันเป็นแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของการใช้บิตแบบนี้ประกอบกันเป็นระบบแปดบิตที่อาจนับเลขถึงหลักร้อยได้ อย่างไรก็ตามข้อจำกัดตอนนั้นก็คือจำนวนเอนไซม์ตระกูลนี้ที่เคยถูกค้นพบมายังมีไม่มากพอจะสร้างแปดบิต ยิ่งไปกว่านั้นการเอาแปดบิตมาประกอบกันจริงๆ ในเซลล์ยังมีความยุ่งยากด้านเกี่ยวกับการเชื่อมต่อตัวเซนเซอร์และเอนไซม์ต่างๆ จากแต่ละบิตมาตีกันเองหรือทำอันตรายกับเซลล์
สองปีต่อมาอีกทีมวิจัยของคริสโตเฟอร์ วอยต์ (Christopher Voigt) จากเอ็มไอที (MIT) ค้นพบเอนไซม์รีคอมบิเนสจากไวรัสตระกูลเดียวกันนี้เพิ่มเติมและนำมาประกอบกันเป็นหน่วยความจำแปดบิตสำเร็จ แม้ว่าจะยังไม่ได้สร้างต่อไปถึงระบบการนับแต่ก็เป็นหน่วยบันทึกความจำของเซลล์ที่ใหญ่สุดที่เคยมีมาตอนนั้น ระบบรีคอมบิเนสยังถูกต่อยอดโดยหลายทีมวิจัยเพื่อนำไปใช้ในสร้างระบบความจำ-ประมวลผลจากสำหรับเซลล์ชั้นสูงรวมทั้งเซลล์มนุษย์ เซลล์พืช ฯลฯ มีตัวอย่างการนำไปใส่แบคทีเรียลำไส้กลุ่มแบคทีรอยดีย์ (Bacteroides) และส่งเข้าไปบันทึกความเปลี่ยนแปลงของสารเคมีในลำไส้หนูทดลอง
การวิศวกรรมระบบความจำในเซลล์ยังไม่ได้จำกัดอยู่แค่การใช้รีคอมบิเนสพลิกดีเอ็นเอเท่านั้น เอนไซม์อีกหลายชนิดในธรรมชาติสามารถถูกเอามาใช้ “เขียน” บันทึกเหตุการณ์ลงดีเอ็นเอด้วยกลไกต่างๆ กันออกไป ตัวอย่างเช่น เอนไซม์จากระบบคริสเปอร์แคส (CRISPR/Cas) ที่หลายคนรู้จักในฐานะเครื่องมือแก้ไขจีโนมถูกเอามาปรับใช้เป็นเครื่องมือเหนี่ยวนำการกลายแบบสุ่ม ณ ตำแหน่งเรียงถัดกันไปบนจีโนม จำนวนครั้งการกลายพันธุ์บันทึกระยะเวลาการแสดงออกของเอนไซม์ที่ผ่านมาไว้บนจีโนมของเซลล์และส่งต่อไปยังเซลล์ลูกเมื่อเซลล์แบ่งตัว นักวิจัยสามารถใช้ระบบนี้ในการศึกษาลำดับเหตุการณ์ว่าเซลล์ไหนในร่างกายมีต้นกำเนิดร่วมกันหรือแยกจากกันเมื่อไหร่ (cell lineage) ระบบนี้มีประโยชน์มากในการศึกษาการพัฒนาการของสิ่งมีชีวิต (developmental biology) และติดตามการก่อเกิดของเซลล์มะเร็ง อีกระบบบันทึกที่น่าสนใจคือการใช้เอนไซม์กลุ่มดีเอ็นเอโพลิเมอร์เรส (DNA polymase) ซึ่งปกติแล้วทำหน้าที่ก็อบปี้ดีเอ็นเอมาวิศวกรรมเสียใหม่ให้ทำงานเฉพาะตำแหน่งและให้โอกาสสร้างการกลายบนดีเอ็นเอแปรผันตามระดับไอออนบางอย่างในเซลล์ ระบบแบบนี้อาจนำไปใช้ในสมองเพื่อบันทึกลำดับเหตุการณ์การทำงานของเซลล์ประสาทลงบนดีเอ็นเอเพื่อให้เราถอดรหัสออกมาดูทีหลังได้ว่าเซลล์อะไรถูกกระตุ้นเมื่อไหร่ขณะที่สมองทำงาน
ร่วมสิบปีหลังจากผมจบป.เอกก็ยังไม่มีทีมวิจัยไหนที่ทำเซลล์ให้นับเลขได้ถึง 256 แต่องค์ความรู้และเครื่องมือวิศวกรรมต่างๆ ด้านนี้ก้าวหน้าไปมาก บางส่วนเริ่มมีการเอาไปลองใช้แล้วในระบบเปิด/ปิดยีนในถังหมัก ติดตามสเต็มเซลล์หรือมะเร็ง หรือเป็นสวิตช์ในชุดตรวจสารคัดหลั่งด้วยเซลล์
สมัยที่ทำงานนี้เคยโดนคนนอกวงการถามบ่อยๆ ว่าพวกเอ็งจะทำเซลล์ช่างจำไปทำไม (วะ) โจทย์มันฟังดูหลุดๆ จับต้องยากไม่ใกล้ตัวเหมือนเวลาเพื่อนนักวิจัยคนอื่นเล่าเรื่อง พืชเกษตร เทคโนโลยีอาหาร สเต็มย้อนวัยหรือยารักษามะเร็ง ฯลฯ อาจารย์ผมเคยเปรียบเปรยว่างานพวกเราก็เหมือนคนพัฒนาฮาร์ดไดรฟ์หรือไมโครชิพยุคแรกๆ นั่นแหละ ฮาร์ดไดรฟ์หรือไมโครชิพไวๆ แรงๆ เป็นรากฐานของคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลัง และคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังจะดิสรัปต์แทบทุกอุตสาหกรรมที่เรารู้จัก
หน่วยความจำประดิษฐ์จะทำให้เซลล์ฉลาด และทุกอุตสาหกรรมที่เกี่ยวกับเซลล์ไม่ว่าจะเป็นการแพทย์ เกษตร อาหาร วัสดุ ฯลฯ ต่างมีโอกาสใช้ประโยชน์มหาศาลจากเซลล์ที่ฉลาดนี้ …นี่แหละครับพลังของงานวิจัยพื้นฐาน
โปรดอย่าลืมกดติดตามเพจของ MIC ได้ที่ : Facebook MatichonMIC
อ้างอิง (อ่านต่อเพิ่มเติม)
