Natural Science : แฟรงเกนสไตน์ โปรโตเซลล์ และกำเนิด “ชีวิต (สังเคราะห์)” โดย ดร.ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

นวนิยายสยองขวัญชื่อดัง “แฟรงเกนสไตน์” เล่าเรื่องของ “วิกเตอร์ แฟรงเกนสไตน์” นักศึกษาแพทย์ชาวสวิสที่เอาซากชิ้นส่วนมนุษย์มาเย็บติดกันเป็นตัวจากนั้นก็ใช้ไฟฟ้ากระตุ้นให้คืนชีพขึ้นมา ตลอดกว่าสองร้อยปีหลังนวนิยายเรื่องนี้ตีพิมพ์มันกลายเป็นแรงบันดาลใจของอีกหลายภาพยนตร์ ละคร การ์ตูน ไซไฟ ตลอดจนการเสวนาว่าการข้ามเส้นแบ่งของความมีชีวิต/ไร้ชีวิต

ทีมวิจัยของโปรเฟสเซอร์ Stephen Mann แห่งมหาวิทยาลัยบริสตอล (University of Bristol, UK) ตีพิมพ์งานวิจัยในวารสาร Nature เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมาว่าด้วยการปลุกชีพเซลล์สังเคราะห์จากการรวมตัวของซากเซลล์ 

มนุษย์เราตั้งคำถามมาช้านานว่าชีวิตคืออะไร? กำเนิดจากไหน? อะไรที่เปลี่ยนเศษซากโมเลกุลไร้ชีวิตที่ล่องลอยปะปนกันอยู่ในสารละลายเป็นเซลล์มีชีวิตที่รับรู้ ตอบสนอง เติบโต สืบพันธุ์ และวิวัฒนาการ? ความพยายามสังเคราะห์ชีวิตขึ้นมาจากโมเลกุลไร้ชีวิตเป็นหนึ่งในสาขางานวิจัยที่น่าตื่นเต้นของวงการชีววิทยาสังเคราะห์ ชีวิตถูกสร้างขึ้นในห้องแล็บไม่เพียงแต่จะช่วยเราตอบคำถามว่าชีวิตบนโลกนี้เริ่มต้นขึ้นอย่างไร แต่ยังอาจกลายเป็นเครื่องมือใหม่สำหรับอุตสาหกรรมไบโอเทค “เซลล์สังเคราะห์ (synthetic cell)” อาจใช้ทำงานที่ซับซ้อนเกินความสามารถของปฏิกิริยาเคมีไร้ชีวิต แต่ก็ยังมีกลไกที่เรียบง่ายและใช้งานสะดวกกว่าเซลล์แท้ๆ ตามธรรมชาติ

การสร้างเซลล์สังเคราะห์มีสองวิธีหลักๆ แบบ top-down คือเอาเซลล์ธรรมชาติมาพันธุวิศวกรรมไปทีละส่วน จนแทบไม่เหลือเค้าโครงดั้งเดิม วิธีนี้อาศัยเทคโนโลยีพวกการปรับแก้จีโนมและจีโนมสังเคราะห์ มีงานวิจัยทำสำเร็จแล้วตั้งแต่ช่วงปี 2010 อ่านเพิ่มเติม ในเซลล์แบคทีเรีย ส่วนแบบ bottom-up คือเอาชีวโมเลกุล (ไขมัน, โปรตีน, น้ำตาล, ดีเอ็นเอ ฯลฯ) มาประกอบร่างกันเป็นเซลล์มีชีวิต ข้อดีของวิธีหลังคือเรารู้ส่วนประกอบที่เราใช้แน่ชัด มีอิสระเต็มที่ในการเลือกใช้/ดัดแปลงส่วนประกอบนั้น นอกจากนี้ยังเป็นกระบวนการที่ใกล้เคียงกับการเกิด “เซลล์” แรกบนโลก (ซึ่งไม่ได้มีเซลล์อะไรเป็นตัวตั้งต้น) จึงมีความสำคัญในแง่การวิจัยการกำเนิดชีวิต อย่างไรก็ตามวิธี bottom up มีความท้าทายหลายอย่างจึงยังไม่เคยมีใครทำเสร็จจนถึงปัจจุบัน

Advertisement

รูปที่ 1: (ซ้าย) เซลล์สังเคราะห์แบบ top-down จากการพันธุวิศวกรรม  VS แบบ (ขวา) bottom-up จากการประกอบโมเลกุล
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว

เซลล์มีคุณสมบัติหลายอย่างที่ยากจะเลียนแบบ คุณสมบัติพวกนี้เป็นจุดต่างสำคัญระหว่างเซลล์ที่ “มีชีวิต” กับกองส่วนผสมของชีวโมเลกุลที่ “ไร้ชีวิต”  เช่น ความสามารถเพิ่มจำนวนและถ่ายทอดพันธุกรรม ความสามารถรับรู้และตอบสนองกับสิ่งแวดล้อม ความสามารถเผาผลาญอาหารเป็นพลังงานและสังเคราะห์สารใหม่ๆ ผ่านวิถีเมแทบอลิซึม ฯลฯ คุณสมบัติพวกนี้เกิดจากชีวโมเลกุลหลายพันชนิดรวมๆ แล้วหลายล้านโมเลกุลทำงานประสานกันอย่างถูกตำแหน่งและเวลา 

โจทย์ที่ยากคือเราจะเอาชีวโมเลกุลสเกลเล็กระดับนาโนเมตรเป็นล้านๆ โมเลกุลมาประกอบให้เข้าที่ยังไง?

Advertisement

ด้วยขนาดที่เล็กจิ๋วและจำนวนที่มหาศาลเราไม่สามารถหยิบโมเลกุลพวกนี้มาประกอบกันทีละชิ้นเหมือนการประกอบอะไหล่เป็นรถยนต์หรือการประกอบอิฐ ปูน และเหล็กเส้นเป็นตึกอาคาร แต่เราต้องให้มัน “ประกอบร่างกันเอง” โดยเราทำได้เพียงเลือก/ออกแบบ/ปรับสภาวะแวดล้อมของโมเลกุลพวกนี้ให้เหมาะสม

“การประกอบร่างกันเอง (self-assembly)” เป็นปรากฏการณ์ที่พบได้ทั่วไปแม้ในโลกของโมเลกุลที่ไร้ชีวิต หยดน้ำมันแยกเป็นวงๆ บนผิวน้ำ, อนุภาคแขวนลอยจับตัวเป็นก้อนตะกอน, ผลึกก่อตัวเป็นรูปทรงเรขาคณิต ฯลฯ ชีวโมเลกุลหลายๆ ชนิดในเซลล์ก็มีแนวโน้มที่จะประกอบร่างกันเองอยู่แล้ว ที่เห็นชัดสุดคือโมเลกุลไขมันที่ตามธรรมชาติแล้วจะแยกตัวจากน้ำ ไขมันกลุ่ม “ฟอสโฟลิปิด (phospholipid)” มีปลายโมเลกุลข้างหนึ่งละลายน้ำอีกข้างไม่ละลาย ฟอสโฟลิปิดสามารถประกอบร่างกันเป็นเยื่อหุ้ม (membrane) เหมือนกระสอบทรายกั้นน้ำเข้าออกจากโซนพื้นที่ต่างๆ เซลล์ใช้เยื่อหุ้มพวกนี้กั้นขอบเขตระหว่างนอกและในเซลล์ และแบ่งพื้นที่ใช้สอยในเซลล์เป็นห้องย่อยๆ ส่วนโมเลกุลอื่นอย่างโปรตีนก็สามารถประกอบร่างกันเองเป็นก้อนบ้าง เป็นสายยาวๆ บ้าง เกาะแทรกตามเยื่อหุ้มบ้าง หรือลอยตัวเป็นอิสระตามห้องย่อยบ้าง

งานวิจัยเซลล์สังเคราะห์ที่ผ่านมาส่วนมากใช้หลักการนี้ประกอบโครงสร้างคล้ายเซลล์ขึ้นมาได้สำเร็จ ฟอสโฟลิปิดผสมน้ำในสภาวะเหมาะสมประกอบร่างกันเองถุงเยื่อหุ้มทรงกลม (vesicle) ที่บรรจุสารละลายต่างๆ ไว้ภายในได้

เราสามารถเติมโปรตีนฝังเยื่อหุ้มเป็น “ประตู” เลือกผ่านว่าสารใดจะเข้าออกได้หรือไม่ได้ ในอัตราเท่าไหร่

และเราสามารถเอาเอนไซม์บรรจุถุงอันนี้สำหรับทำปฏิกิริยาเลียนแบบเมแทบอลิซึมของสิ่งมีชีวิตอย่างการเผาผลาญอาหาร การผลิตชีวโมเลกุล สังเคราะห์ด้วยแสง ตลอดจนการก็อบปี้ดีเอ็นเอและแสดงออกยีน ฯลฯ 

รูปที่ 2: เซลล์สังเคราะห์จากการประกอบร่างกันเอง (self-assembly) ของไขมันเป็นถุงเยื่อหุ้ม
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว

แต่เซลล์ธรรมชาติของจริงมีอะไรที่ซับซ้อนกว่านั้น ชีวโมเลกุลในเซลล์ไม่ได้ลอยเคว้งคว้างเหมือนน้ำซุปในถุงแกงแต่เกาะตัวเป็นโครงสร้างตามหน้าที่ของมัน ดีเอ็นเอขดตัวแยกโซนจากพื้นที่เหลือ โปรตีนบางชนิดสานตัวเป็นโครงข่ายค้ำจุนและช่วยเซลล์เคลื่อนไหว เยื่อหุ้มจากไขมันเองก็พับม้วนเป็นถุงเป็นห้องย่อยๆ แบ่งพื้นที่ทำงาน ยิ่งกว่านั้นในเซลล์ชั้นสูงยังมีอวัยวะภายใน (organelles) อย่างคลอโรพลาส (chloroplast) และไมโตคอนเดรีย (mitochondria) ที่ซับซ้อนในแง่โครงสร้างและกลไกทำงานเทียบเท่ากับเซลล์ย่อยๆ ทำงานอยู่ในเซลล์ใหญ่อีกที 

งานวิจัยล่าสุดของทีม Stephen Mann นำเสนอวิธีการใหม่ในการสร้างเซลล์สังเคราะห์ที่ซับซ้อนแบบนี้

งานชิ้นนี้ไม่ได้ตั้งต้นจากเยื่อหุ้มฟอสโฟลิปิดแต่ใช้ของเหลวในสถานะที่เรียกว่า coacervate สสารในสถานะนี้ประกอบด้วยโพลิเมอร์ความหนาแน่นสูงที่แม้ว่าตัวมันเองเดี่ยวๆ จะละลายน้ำได้และไม่ได้มีเยื่อหุ้มอะไรห้อมล้อมแต่เมื่อมันรวมตัวกันก็สามารถแยกส่วนออกมาเป็นกลุ่มก้อนวุ้นจากน้ำหรือตัวทำละลายที่อยู่รอบๆ ได้ นักวิจัยหลายท่านเชื่อว่าสสารแบบนี้แหละที่เป็นลักษณะของเซลล์แรกเริ่ม ไม่ใช่ถุงเยื่อหุ้มอย่างที่เราคุ้นเคยในปัจจุบัน โดย coacervate ทำหน้าที่เป็นแหล่งดึงดูดโมเลกุลต่างๆ ที่จำเป็นต่อการกำเนิดชีวิตให้มารวมตัวกันหนาแน่นพอจะเกิดเมแทบอลิซึมเบื้องต้นได้ 

ทีมของ Stephen Mann ใช้ coacervate จากสารชื่อ Polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA) 

โพลิเมอร์ชนิดนี้ปกติแล้วใช้ในกระบวนการบำบัดน้ำเสียเพราะมันสามารถจับสิ่งปนเปื้อนแขวนลอยทั้งอนุภาคดินโคลน ซากอินทรีย์ และจุลินทรีย์ต่างๆ ให้ตกตะกอนแยกออกมา

Coacervate ที่ทีมวิจัยสร้างขึ้นเป็นหยดทรงกลมๆ  (droplet) ขนาด 5-30 ไมครอน สามารถดูดเซลล์แบคทีเรียให้มาเกาะกับตัวมัน ที่น่าสนใจคือแบคทีเรียต่างชนิดกันจะเกาะที่คนละตำแหน่งขึ้นกับคุณสมบัติผิวเซลล์ เช่น แบคทีเรีย Escherichia coli (E.coli) โดนดึงเข้าไปอยู่ในทรงกลม ส่วนแบคทีเรีย Pseudomonas aeuroginosa (PAO1) อยู่แต่ตรงผิวๆ เท่านั้น

ทีมวิจัยสร้าง “เซลล์สังเคราะห์” ด้วยการเติมเอนไซม์ (lysozyme) และสารปฏิชีวนะ (melittin) ไประเบิดเซลล์แบคทีเรียที่เกาะอยู่กับ coacervate ทิ้ง ซากเยื่อหุ้มเซลล์ของ PAO1 กลายสภาพเป็นเยื่อหุ้มภายนอกที่กำหนดขอบเขตเซลล์สังเคราะห์ ส่วนซากเครื่องในส่วนใหญ่จาก E.coli และเยื่อหุ้มบ้างส่วนของ PAO1 กลายเป็นเครื่องในของสังเคราะห์  พูดอีกอย่างก็คือ “เซลล์สังเคราะห์” ของ Stephen Mann ก็ละม้ายคล้ายผีดิบของแฟรงเกนสไตน์ที่ประกอบร่างขึ้นมาจากซากศพนั่นเอง

รูปที่ 3: การประกอบเซลล์สังเคราะห์จากซากศพของเซลล์แบคทีเรีย
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว

 

ทีมของ Stephen Mann สามารถต่อเติมเซลล์สังเคราะห์นี้ให้มีโครงสร้างและฟังก์ชั่นการทำงานที่ซับซ้อนใกล้เคียงเซลล์จริงๆขึ้นไปอีก เช่น การนำเซลล์ไปใส่ในสารละลายเจือจาง (hypotonic solution) ทำให้เศษเยื่อหุ้มเซลล์ PAO1 ที่อยู่ภายในพองออกกลายเป็นถุงน้ำเล็กๆมีเยื่อหุ้มแบบอวัยวะภายในเซลล์ (vacuole) การเติมโปรตีนพวก histone ทำให้ดีเอ็นเอเกาะกลุ่มกันเป็นโครงสร้างคล้ายนิวเคลียส การเติมโปรตีนกลุ่ม actin ทำให้เกิดการประกอบเครือข่ายโครงสร้างค้ำจุนเซลล์ (cytoskeleton)

เซลล์สังเคราะห์จากศพเซลล์ยังรักษาคุณสมบัติทางเคมีหลายอย่างจากเซลล์ดั้งเดิมไว้โดยเฉพาะเอนไซม์ต่างๆ ที่จำเป็นต่อเมแทบอลิซึมของเซลล์ เอนไซม์ย่อยสลายโปรตีน ไขมัน น้ำตาล เอนไซม์เกี่ยวข้องกับการแสดงออกของยีน แม้แต่วิถีเมแทบอลซึมที่ซับซ้อนอย่างไกลโคไลซิส (glycolysis) ที่ต้องใช้เอนไซม์ร่วมสิบชนิดประสานงานกันก็ยังคงดำเนินต่อไปในเซลล์สังเคราะห์นี้

กิจกรรมบางอย่างในเซลล์ต้องอาศัยพลังงานขับเคลื่อน เซลล์ตามธรรมชาติเผาผลาญโมเลกุลอาหารและเก็บเกี่ยวพลังงานในรูปสารตัวกลางคือ ATP ทีมวิจัยลองใช้สองวิธีในการผลิต ATP ในเซลล์สังเคราะห์ วิธีแรกคือเติมชุดเอนไซม์ผลิต ATP รวมกับสารอาหารเข้าไปเพิ่ม เซลล์สังเคราะห์เอากลไกนี้มาใช้ในช่วงเวลาสั้นๆ ราว 20 นาที พลังงานที่เก็บใน ATP ถูกเอาไปใช้ในการประกอบ actin เป็นโครงข่ายค้ำจุนรักษารูปร่างเซลล์  

อีกวิธีที่พิสดารยิ่งกว่าคือเอาแบคทีเรีย E.coli ตัวเป็นๆ ใส่เข้าไปเสมือนเป็นอวัยวะ (organelle) ภายในเซลล์สังเคราะห์นี้ ทีมวิจัยได้แรงบันดาลใจมาจากทฤษฎี endosymbiosis ที่กล่าวว่าไมโตคอนเดรีย อวัยวะผลิตพลังงานของเซลล์ชั้นสูงอย่างเซลล์พืช สัตว์และมนุษย์มีต้นกำเนิดมาจากแบคทีเรียที่มาฝังตัวเป็นผู้ร่วมอาศัยในเซลล์ตั้งแต่เมื่อหลายพันล้านปีก่อน ส่วนในงานนี้ E.coli ที่ใส่เข้าไปก็สามารถแบ่งตัวเพิ่มจำนวนและมีชีวิตอยู่ในร่างเซลล์สังเคราะห์ได้หลายวัน ทำหน้าที่ผลิต ATP ป้อนให้กับเซลล์สังเคราะห์เพียงพอสำหรับให้เซลล์คงสภาพแถมขยับเขยื้อนเปลี่ยนรูปร่างเป็นคล้ายๆ ตัวอะมีบาได้อีกต่างหาก

รูปที่ 4: เซลล์สังเคราะห์ที่มีเซลล์แบคทีเรียเป็นๆอยู่ข้างใน
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว

เซลล์สังเคราะห์ของ Stephen Mann ยังขาดฟังก์ชั่นของเซลล์ธรรมชาติอีกหลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็นความสามารถในการเติบโต แบ่งตัวเพิ่มจำนวน หรือรักษาสมดุลเมแทบอลิซึมไปเรื่อยๆ ในระยะยาว ส่วนกระบวนการผลิตเซลล์สังเคราะห์นี้ก็ยังถือว่าลัดขั้นตอนด้วยการถอดอะไหล่ของเซลล์ธรรมชาติมาใส่ทั้งดุ้นไม่ได้สร้างจากชีวโมกุลพื้นฐานจริงๆ อย่างไรก็ตามงานนี้ถือว่าเป็นก้าวสำคัญในการสร้างเซลล์สังเคราะห์ที่ซับซ้อนเกินกว่างานก่อนๆ ไปไกลทั้งเรื่องโครงสร้างค้ำจุนเซลล์ เยื่อหุ้มในเซลล์ เค้าโครงนิวเคลียส และกระบวนการผลิตพลังงานด้วยการเลียนแบบ endosymbiosis นอกจากนี้กระบวนการทำยังมีความยืดหยุ่นปรับเปลี่ยนได้อีกมาไม่ว่าจะเป็นแบคทีเรียแหล่งที่มาของซาก หรือสารเคมีที่เราใส่ไปปรับสภาพเซลล์สังเคราะห์ทีหลัง

เซลล์สังเคราะห์ที่ซับซ้อนระดับนี้อาจจะเพียงพอแล้วสำหรับหลายการประยุกต์ใช้เช่นการเป็นโรงงานผลิตสารสำคัญในเชิงอุตสาหกรรม การเป็นเซ็นเซอร์ตรวจโรคหรือสิ่งปนเปื้อน และการนำส่งยาและสารออกฤทธิ์ทางการแพทย์หรือการเกษตร

ฆ่าเซลล์เป็นๆ ให้ตายแล้วชุบชีวิตขึ้นมาใหม่เพื่อใช้งาน นี่มันงานแฟรงเกนสไตล์ในวงการชีวสังเคราะห์ชัดๆ!

อ้างอิง อ่านเพิ่มเติม

———————————————-

โปรดอย่าลืมกดติดตามเพจของ MIC ได้ที่ : Facebook MatichonMIC

QR Code
เกาะติดทุกสถานการณ์จาก Line@matichon ได้ที่นี่
Line Image