ดีเอ็นเอเป็นหอสมุดคู่มือการทำงานของเซลล์ มีคลังหนังสือหมวดใหญ่ว่าด้วยกระบวนเคมีสังเคราะห์ในเซลล์ (metabolism) ถ้าเปรียบเซลล์เป็น “แม่ครัว” หนังสือหมวดนี้ก็คือ“ตำรับอาหาร” ให้เซลล์หยิบมาปรุงเป็นโมเลกุลต่างๆที่จำเป็นต่อร่างกาย
“แม่ครัว” เก่งๆปรุงอาหารได้หลากหลายจากวัตถุดิบพื้นๆ ส่วน “แม่ครัว” กากๆได้แค่เอาของที่ปรุงมาเกือบเสร็จแล้วใส่โน่นเติมนี่อีกนิดหน่อย เซลล์ในฐานะแม่ครัวจะเก่งขนาดไหนสร้างโมเลกุลอะไรได้บ้างก็ขึ้นอยู่กับตำรับอาหารในดีเอ็นเอของมัน และขึ้นอยู่กับว่ามันจะยอมอ่านตำรับอาหารบทไหนเมื่อไหร่
เซลล์ปรุงโมเลกุลที่ต้องใช้ด้วยข้อมูลที่เก็บไว้ในดีเอ็นเอ
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
เซลล์พืชและสาหร่ายมีตำรับอาหารค่อนข้างครบเครื่อง พวกมันสามารถเอาวัตถุดิบพื้นๆสุดๆอย่างคาร์บอนไดออกไซด์และแร่ธาตุมาสังเคราะห์เป็นทุกโมเลกุลหลักที่มันต้องใช้ตั้งแต่ คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน วิตามิน ฯลฯ ไปจนถึงโมเลกุลเฉพาะกิจที่ให้สี กลิ่น รสชาติ ฮอร์โมน พิษ สารปฏิชีวนะสารพัดชนิด ฯลฯ จุลินทรีย์พวกแบคทีเรียและราสังเคราะห์โมเลกุลที่หลากหลายไม่แพ้กัน แต่อาจจะต้องเริ่มต้นจากวัตถุดิบที่ซับซ้อนขึ้นมาหน่อยอย่างน้ำตาลและไขมัน ส่วนเซลล์สัตว์ทั้งหลายรวมทั้งมนุษย์อาจจะสังเคราะห์โมกุลเฉพาะตัวได้บางชนิด แต่โดยทั่วแล้วจัดเป็นแม่ครัวฝีมือปลายแถว พวกนี้สังเคราะห์โมเลกุลใช้เองไม่ได้หลายอย่างต้องไปหากินเอาจากสิ่งมีชีวิตอื่นที่สังเคราะห์ได้อีกที
โมเลกุลในอาหารและยาแทบทุกชนิดที่เราใช้แต่อดีตกาลได้จากการสังเคราะห์ทางโดย “แม่ครัว” ระดับเซลล์ของสัตว์บ้าง พืชบ้าง จุลินทรีย์บ้างที่มนุษย์เราไปล่าไปเก็บมาจากป่าหรือปลูกเลี้ยงเอาไว้เอง
โมเลกุลบางอย่างราคาสูงลิ่วเพราะมันปรุงได้แต่ในเซลล์จากสิ่งมีชีวิตที่เพาะเลี้ยงยาก โตช้า ผลผลิตไม่แน่นอน
…แม่ครัวขั้นเทพมักจะเอาใจยากแบบนี้
เทคนิคทางพันธุวิศวกรรมและจีโนมช่วยให้เราก้าวข้ามข้อจำกัดพวกนี้ได้
พันธุวิศวกรรมทำให้เราสามารถตัดเอาชุดยีนผลิตสารสำคัญจากสิ่งมีชีวิตตัวหนึ่งมาใส่ให้สิ่งมีชีวิตอีกตัวที่เลี้ยงง่ายโตเร็ว และให้ผลผลิตแน่นอนกว่า ถ้าแม่ครัวขั้นเทพเรื่องมากนักเราก็แค่ตัดเอาตำรับสูตรที่เราสนใจไปฝากให้แม่ครัวประจำบ้านที่ขยันและว่านอนสอนง่ายทำแทน
ในอุตสาหกรรมไบโอเทคเราใช้แม่ครัวประจำบ้านอย่างแบคทีเรีย Escherichia coli, Bacillus subtilis และยีสต์ Saccharomyces cerevisiae ช่วยสังเคราะห์โมเลกุลเจ๋งๆแพงๆจากชุดยีนของมนุษย์ สัตว์ พืช หรือจุลินทรีย์แปลกๆหายากเลี้ยงอย่างอื่นๆ
พันธุวิศวกรรมช่วยโอนย้ายตำรับสังเคราะห์โมเลกุลระหว่างเซลล์
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
เทคนิคถอดรหัสและวิเคราะห์จีโนมทำให้เราค้นพบชุดยีนผลิตสารใหม่ๆได้โดยไม่ต้องเพาะเลี้ยงหรือแม้แต่ไม่รู้จักสิ่งมีชีวิตที่เป็นเจ้าของมันตามธรรมชาติเลย เทคนิค metagenomics สกัดดีเอ็นเอรวมๆออกมาจากสิ่งแวดล้อม ดิน น้ำ กองขยะ หรือแม้แต่บนร่างกายของสัตว์ พืช และมนุษย์เรา จากนั้นเอามาวิเคราะห์ว่าน่าจะมียีนอะไร ทำงานประมาณไหนอยู่บนนั้น ถ้าให้เปรียบเทียบก็คือการไปรวบรวมหนังสือจากทุกห้องสมุดมาส่องดูว่ามีสูตรอาหารอะไรตรงไหนไม่ต้องสนว่าเดิมทีมาจากแม่ครัวคนไหน
ปัจจุบันมีชุดยีนอยู่กว่า 400,000 ชุดที่ผลวิเคราะห์ฐานข้อมูลจีโนมทำนายว่าอาจจะเป็นสูตรสังเคราะห์สารอะไรแปลกๆใหม่ๆ สารพวกนี้บางตัวอาจจะเป็นยาฆ่าเชื้อ ยาต้านมะเร็ง ยาบำรุงประสาท ยาอายุวัฒนะ ฯลฯ ขั้นเทพที่ยังไม่มีใครเคยรู้จัก น่าเสียดายว่าตลอดครึ่งศตวรรษของวงการไบโอเทคไม่ถึง 0.5% ของชุดยีนพวกนี้ได้ถูกเอาลองผลิต ทดสอบและใช้งานจริงจัง
สูตรสังเคราะห์ชีวโมเลกุลในจีโนมเป็นขุมทรัพย์ที่ยังรอการนำไปใช้
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
คำถามคือ ในเมื่อเรามีคลัง “ตำรับอาหาร” เป็นแสนๆรายการในมือ และก็มี “แม่ครัวประจำบ้าน” พร้อมใช้งานตั้งหลายตัว ทำไมเรายังเอามันมาใช้ไม่ได้เท่าที่ควร?
เล่าก่อนว่าไม่ใช้ชุดยีนทุกยีนจะเอาเข้าไปใส่ในเซลล์อะไรก็ได้ทุกเซลล์แล้วจะใช้ได้เหมือนกันหมด
“แม่ครัวประจำบ้าน” เรามีอยู่หลายตัว แต่ละตัวมีความถนัดและข้อจำกัดต่างๆกันไป (ขึ้นอยู่กับตำรับอาหารที่มีครัวมีอยู่เดิม) ดังนั้น “ตำรับอาหาร” เดียวกันก็อาจจะเหมาะกับแม่ครัวต่างคนละคนกัน หลายครั้งเราไม่รู้ว่าตำรับใหม่ที่เราได้มาเหมาะกับแม่ครัวคนไหนก็ต้องเสียเวลาลองไปเรื่อยๆจนเจอคู่ที่เหมาะ
แม่ครัวบางตัวก็ไม่ยอมรับตำรับแปลกปลอมบางชิ้นเข้าไป รับไปแล้วโยนทิ้ง รับแล้วไม่อ่านหรืออ่านแล้วไม่รู้เรื่อง
ดีเอ็นเอเป็นภาษาสากลของทุกเซลล์ก็จริง แต่สิ่งมีชีวิตที่มีวิวัฒนาการห่างกันมากๆอาจจะมีไวยากรณ์การอ่านที่ต่างกัน เหมือนกับการอ่านภาษาท้องถิ่นที่ต่อให้มาจากรากฐานเดียวกันก็อาจต่างจนสื่อสารไม่เข้าใจ ตัดแปะแล้วหลายๆครั้งเซลล์ผู้รับปลายทางก็ไม่ได้ทำตามสูตร บางคำอ่านผิด ระบบไวยากรณ์ตีกันมั่ว ผลคือสารที่สังเคราะห์ได้ออกมามากบ้างน้อยบ้าง หรือบางครั้งก็เป็นพิษกับเซลล์จนแคระแกรนบ้าง ตายบ้าง
งานวิจัยล่าสุดจากทีมของ Farren J Isaac จากมหาวิทยาลัยเยล (Yale University) สร้างระบบแปลงรหัสพันธุกรรมและนำส่งชุดยีนเป็นเสมือนล่ามแปลภาษาสากลที่แม่ครัวประจำบ้านตัวไหนๆก็เอาไปใช้การได้
เทคโนโลยีชุดนี้เริ่มตั้งแต่การวิเคราะห์ว่าเซลล์ปลายทางโดยเฉพาะจุลินทรีย์ “แม่ครัวประจำบ้าน” ชนิดต่างๆมีระบบการอ่านพันธุกรรมร่วมกันอย่างไร มีคำมีไวยากรณ์การอ่านแบบไหนที่ใช้คล้ายๆกัน หรือแบบไหนที่เป็นข้อห้ามที่บางตัวอ่านไม่ได้แน่ๆ ชุดยีนที่เปรียบเสมือน “ตำรับอาหาร” ไม่ว่าจะเอามาจากแหล่งไหนจะต้องถูกแปลงภาษาให้สอดคล้องกับข้อจำกัดเหล่านี้ก่อน …แม่ครัวทุกคนจะได้พออ่านรู้เรื่อง
ขั้นต่อมาคือทำยังไงให้แม่ครัวประจำบ้านของเรายอมรับและยอมอ่านตำรับอาหารพวกนี้?
ทีมวิจัยยืมกลไกจาก “ปรสิตระดับเซลล์” อย่างไวรัส, คอนจูเกทีพพลาสมิด และทรานโพซอนมาใช้งาน ปรสิตพวกนี้ตามธรรมชาติแล้วทำตัวเหมือนโจรสลัด ตัวมันเองไม่ได้มีโครงสร้างสมบูรณ์พร้อมแบบเซลล์ มียีนแค่ไม่กี่ตัว สังเคราะห์อะไรเองแทบไม่ได้ต้องไปปล้นเอาจากเซลล์อื่นแทน 
โจรสลัดระดับเซลล์อย่างไวรัสถูกใช้สั่งการ “แม่ครัวประจำบ้าน” ให้อ่านตำรับสูตรที่เราสนใจ
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
ยีนไม่กี่ตัวที่ปรสิตพวกนี้มีเอาไว้ใช้บุกเข้าไปฝังตัวในเซลล์ และบังคับให้เซลล์แสดงออกยีนตัวนั้นตัวนี้ที่พวกมันเอาไปใช้ก็อบปี้ตัวเองได้ ด้วยความที่พวกมันต้องร่อนเร่ตระเวนปล้นเซลล์ไปเรื่อยๆทำให้พวกมันวิวัฒนาการให้ทำงานไว มีกลไกเรียบง่ายกระชับใช้ได้ในสิ่งแวดล้อมของเซลล์หลากหลายทุกแบบ
ทีมวิจัยใช้คอนจูเกทีพพลาสมิด (conjugtive plasmid) อ่านเพิ่มเติม เป็นตัวนำส่งชุดยีนเข้าสู่เซลล์ปลายทางที่หลากหลาย ใช้กลไกของไวรัส (PhiC31) และทรานโพซอน (Tn5) สแกนหาตำแหน่งเป้าหมายที่เหมาะสมบนจีโนมเซลล์ปลายทางในการฝังชุดยีนที่เราสนใจเข้าไป
ส่วนการบังคับเซลล์ให้ยอมอ่านข้อมูลจากยีนพวกนี้ทีมวิจัยใช้กลไกที่ยืมจากไวรัสอีกตัวที่ชื่อ T7
T7 เป็นไวรัสกินแบคทีเรีย (phage) จุดเด่นของมันคือมีระบบการอ่านดีเอ็นเอที่สั้นกระชับด้วยเอนไซม์แค่คัวเดียว (ขณะที่ในเซลล์ปกติต้องใช้หลายชิ้น) เอนไซม์ชุดนี้ทรงพลังขนาดที่ว่าโปรตีนที่หนึ่งในสามของโปรตีนทั้งหมดที่เซลล์เป้าหมายสังเคราะห์ได้จะเป็นโปรตีนของไวรัส เอนไซม์ชุดนี้ถูกใช้อย่างแพร่หลายเพื่อการผลิตโปรตีนในอุตสาหกรรมไบโอเทค
ระบบอ่านดีเอ็นเอของ T7 ใช้ในแบคทีเรียและเซลล์ไร้นิวเคลียสได้แทบทุกชนิด ข้อจำกัดคือบางทีมันเก่งเกินไป เซลล์โดนดูดทรัพยากรไปจนง่อย ทีมวิจัยแก้ปัญหานี้โดยใช้ระบบสวิตช์ที่ทำงานเหมือน thermostat ห้องแอร์ ระบบนี้ถ้า T7 มากไปก็กดตัวเองให้ต่ำลงถ้าน้อยไปก็กระตุ้นสูงขึ้น ด้วยวิธีนี้ทำให้เราได้การแสดงออก T7 ในระดับที่เหมาะสมที่สุด นอกจากนี้ทีมวิจัยยังติดตั้งกลไกให้ระบบ T7 เริ่มการทำงานเองในเซลล์เป้าหมายใดก็ได้และสามารถถูกประดับระดับสมดุลการแสดงออกได้จากภายนอกด้วยการใส่ตัวกระตุ้นทางเคมี
นอกจากนี้ทีมวิจัยยังได้ใส่ระบบการอ่านดีเอ็นเอที่ทำงานได้ในเซลล์ชั้นสูงขึ้นมาอย่างยีสต์ (S. cerevisiae) และพัฒนาอัลกอริทึมลดการรบกวนกันและกันระหว่างระบบของแบคทีเรียและยีสต์
ทีมวิจัยได้ลองเอาระบบนี้ไปใช้กับการผลิตสารกลุ่ม tyrocitabine จากชุดยีนปริศนาชุดหนึ่งของจุลินทรีย์กลุ่ม lactobacillus ผลการวิเคราะห์จีโนมทำนายฟังก์ชั่นการทำงานของยีนชุดนี้จากฐานข้อมูลที่มีอยู่ แต่ยังไม่เคยมีใครได้ลองใช้ยีนชุดนี้ผลิตสังเคราะห์อะไรขึ้นมาจริง การตัดต่อเอายีนชุดนี้ทั้งยวงไปฝากแม่ครัวประจำบ้านอย่าง E.coli สังเคราะห์ก็ไม่ได้ผลอะไรออกมา ทีมวิจัยใช้เทคนิคแปลงที่คิดค้นขึ้นใหม่รีบูตการแสดงออกของชุดยีนนี้สำเร็จในจุลินทรีย์แม่ครัวประจำบ้านทุกตัวที่ทดลอง นอกจากนี้ทีมยังสามารถศึกษาหน้าที่ของยีนตัวต่างๆในระบบว่าตัวไหนสำคัญต่อขั้นตอนไหนบ้าง แยกเอนไซม์มันสังเคราะห์ต่อข้างนอกอีก และทดสอบยืนยันคุณสมบัติการเป็นสารปฏิชีวนะของโมเลกุลกลุ่มนี้
ล่ามแปลภาษาดีเอ็นเอสากล และแม่ครัวระดับเซลล์จะช่วยให้เราค้นพบและใช้ประโยชน์อีกมากจากขุมทรัพย์ตำรับเคมีสังเคราะห์ที่แฝงตัวอยู่ในคลังข้อมูลจีโนมที่ธรรมชาติมอบให้เรา
อ้างอิง คลิก
———————————————-
โปรดอย่าลืมกดติดตามเพจของ MIC ได้ที่ : Facebook MatichonMIC
__________________________________________________
