ถ้าเทียบกับพืช และจุลินทรีย์ “อาณาจักรสัตว์” อาจจะโดดเด่นกว่าในแง่ความก้าวหน้าของพฤติกรรม มีระบบกล้ามเนื้อและกระดูกที่ให้อิสระในการเคลื่อนไหว ต่อสู้ หลบหลีก และออกเดินทางไกลด้วยการวิ่ง เดิน เลื้อย ว่ายน้ำ บิน ฯลฯ มีระบบประสาทและสมองที่เรียนรู้และตอบสนองกับสิ่งแวดล้อมได้ฉับไว ฯลฯ
แต่สัตว์เป็นนักเคมีที่ไม่เก่ง พึ่งตัวเองได้น้อยที่สุดเทียบกับอาณาจักรอื่นๆ
ทุกชีวิตบนโลกประกอบขึ้นจากชีวโมเลกุลพื้นฐานคล้ายๆกันอย่างคาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน วิตามิน ดีเอ็นเอ ฯลฯ พืชและสาหร่ายคือนักเคมีชั้นยอดที่สังเคราะห์ชีวโมเลกุลที่ซับซ้อนพวกนี้ได้เองทั้งหมดจากอนินทรีย์สารที่เรียบง่ายอย่างคาร์บอนไดออกไซด์ ไนเตรต ฟอสเฟส ฯลฯ ส่วนแบคทีเรีย ยีสต์ และเห็ดรา ต้องการสารอินทรีย์คาร์บอนโมเลกุลใหญ่ขึ้นมาหน่อยอย่างน้ำตาล บวกกับแร่ธาตุตัวอื่นๆอีกสักหน่อยก็พอสังเคราะห์โมเลกุลจำเป็นที่เหลือได้แล้ว สิ่งมีชีวิตนอกอาณาจักรสัตว์พวกนี้ไม่มีปัญญาไปต่อยตีกับใคร จะวิ่งหนีหรืออพยพย้ายถิ่นก็ทำไม่ได้ ดังนั้นก็เลยมีไลฟ์สไตล์แบบพอเพียง โมเลกุลจำเป็นทั้งหลายก็ผลิตเองใช้เองจากวัตถุดิบเบสิกที่มีในพื้นที่
ในทางตรงข้ามพวกสัตว์ทั้งหลายที่ไปไหนมาไหนสะดวกมีสิทธิเลือกมากกว่าเยอะ แทนที่จะสังเคราะห์โมเลกุลจำเป็นทุกอย่างเองก็ไปหากินจากสิ่งมีชีวิตอื่นๆแทนคุ้มกว่า กลไกการสังเคราะห์สารหลายๆตัวจึงเสื่อมสลายไป
รูปที่ 1: สัตว์สังเคราะห์โมเลกุลได้ไม่ครบและต้องชดเชยด้วยการกิน
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
หนึ่งตัวอย่างที่น่าสนใจคือเรื่องกรดอะมิโนจำเป็น ทุกโปรตีนในทุกสิ่งมีชีวิตประกอบขึ้นจากอะมิโนหลัก 20 ชนิดเรียงร้อยลำดับกันได้โครงสร้างและฟังก์ชั่นการทำงานไม่จำกัด ขณะที่พืช ราและแบคทีเรียส่วนมากสังเคราะห์อะมิโนพวกนี้ได้เองทั้งหมด สมาชิกของอาณาจักรสัตว์รวมทั้งมนุษย์เราสังเคราะห์อะมิโนไม่ได้ 9 ชนิด และต้องชดเชยด้วยการกินเข้าไปกับอาหาร เราจึงเรียกอะมิโนกลุ่มนี้ว่า “อะมิโนจำเป็น (Essential Amino Acid, EAA)”
การศึกษาเปรียบเทียบจีโนมบ่งชี้ว่าบรรพบุรุษแรกเริ่มของทุกสิ่งมีชีวิตมียีนสำหรับสังเคราะห์อะมิโนครบถ้วน แต่ยีนกลุ่มที่สร้าง EAA รวมๆแล้วกว่า 40 ยีนเสียสภาพไปในสายวิวัฒนาการของอาณาจักรสัตว์ การสูญเสียยีนสังเคราะห์อะมิโนไม่ได้เกิดขึ้นครั้งเดียวที่ต้นตระกูลร่วมของอาณาจักรสัตว์ แต่เกิดขึ้นหลายต่อหลายครั้งกับทุกสายวิวัฒนาการย่อยๆภายในอาณาจักรสัตว์เอง ที่น่าแปลกคือในทุกสายวิวัฒนาการยีนที่เสียไปก็คือยีนที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง EAA ทั้ง 9 ตัวนี้เหมือนกัน นักชีววิทยาเรียกปรากฏการณ์ที่วิวัฒนาการต่างสายมุ่งหน้าสู่ทิศทางเดียวกันแบบนี้ว่า “วิวัฒนาการเบนเข้า (convergence evolution)”
ทำไมการสูญเสียยีนสังเคราะห์ EAA ทั้ง 9 ตัวนี้จึงเกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่ากับทุกสายวิวัฒนาการย่อยในอาณาจักรสัตว์? นักชีววิทยายังไม่มีคำตอบแน่ชัด บางทีอาจจะเป็นเพราะว่าการสังเคราะห์อะมิโนกลุ่มนี้สิ้นเปลืองพลังงานมากกว่าและหากินได้ง่ายกว่าพวกที่เหลือ ถ้าเปรียบสิ่งมีชีวิตเป็นบริษัท สินค้าที่ “ทำเองแพงกว่าซื้อ” ก็คงไม่คุ้มที่จะเปิดโรงงานเดินเครื่องจักรผลิต เมื่อเครื่องจักรไม่ได้ใช้ก็คงปล่อยให้มันผุพังไปเอง
รูปที่ 2: การสังเคราะห์อะมิโนบางตัวถูกยกเลิกไปเพราะไม่คุ้ม
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
ในมุมกลับกัน อีกคำถามที่น่าสนใจคือเราจะกู้กระบวนการสังเคราะห์ EAA ในสัตว์กลับมาได้ไหม? โจทย์วิจัยข้อนี้ช่วยให้เราเข้าใจกลไกวิวัฒนาการผ่านการศึกษาเปรียบเทียบผลกระทบของยีนสังเคราะห์ EAA ต่อเซลล์
ส่วนในทางไบโอเทค เซลล์สัตว์ที่เลี้ยงได้ในอาหารเลี้ยงถูกๆไม่ต้องเติมอะมิโนลงไปอีกจะลดต้นทุนการผลิตเซลล์สัตว์เพื่ออุตสาหกรรมการแพทย์อย่างการผลิตยาและวัคซีน หรืออุตสาหกรรมเกษตรอย่างการผลิตเนื้อสังเคราะห์
แมลงกลุ่มเพลี้ยบางชนิดตามธรรมชาติสามารถสังเคราะห์ EAA ผ่านการได้รับยีนที่เกี่ยวข้องจากแบคทีเรียดังนั้นก็อาจจะเป็นไปได้ที่เราจะเลียนแบบกระบวนการนี้
งานวิจัยล่าสุดของทีมโปรเฟสเซอร์ Jef Boeke จากมหาวิทยาลัยนิวยอร์ก (New York University) และโปรเฟสเซอร์ Harris Wang จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย (Columbia University) วิศวกรรมเซลล์หนูให้กลับมาผลิต EAA ได้อีกครั้ง
รูปที่ 3: วิจัยซ่อมกลไกผลิตอะมิโนจำเป็นในเซลล์หนู
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
ทีมของ Boeke เป็นหัวหอกของเมกกะโปรเจกด้านจีโนมสังเคราะห์อย่าง Yeast 2.0 อ่านเพิ่มเติม และ Genome Project Write อ่านเพิ่มเติม แม้ว่าจีโนมสังเคราะห์ในเซลล์ที่เรียบง่ายอย่างแบคทีเรียจะทำได้สำเร็จมากว่าสิบปีแล้วแต่การวิศวกรรมจีโนมเซลล์ชั้นสูงที่มีนิวเคลียส (Eukaryote) อย่างเซลล์ยีสต์และเซลล์สัตว์นั้นยุ่งยากกว่ามากทั้งในด้านขนาดและความซับซ้อนของจีโนมรวมทั้งโครงสร้างของเซลล์ที่ละเอียดเปราะบางกว่าแบคทีเรีย
ความสามารถสามารถในการออกแบบและสังเคราะห์ทั้งจีโนมจะทำให้เราสามารถยกเครื่องวิศวกรรมเซลล์ให้ทำงานซับซ้อนเกินกว่าการตัดต่อยีนไม่กี่ตัวจะเพียงพอ การกู้คืนระบบสังเคราะห์ EAA ในเซลล์สัตว์ที่เสียยีนที่เกี่ยวข้องไปเป็นร้อยล้านปีแล้วคงไม่ใช่แค่ซ่อมยีนที่พังไม่กี่ตัวแล้วก็จบ เปรียบเหมือนโรงงานที่เลิกผลิตสินค้าบางอย่างนานมากแล้ว สายการผลิต ระบบจัดสรรวัสดุ การทำงาน ต่างก็คงเปลี่ยนไปหมด ไม่ได้มีแค่เครื่องจักรโดนทิ้งให้พังไปไม่กี่ชิ้น
การกู้ระบบสังเคราะห์ EAA อาจจะต้องยกเครื่องกันใหม่ทั้งจีโนม
ทีมวิจัยเลือกทำการทดลองกับเซลล์เพาะเลี้ยงจากรังไข่หนู (Chinese Hamster Ovary Cell, CHO) ซึ่งเลี้ยงง่าย โตเร็ว ใช้กันแพร่หลายในอุตสาหกรรมผลิตยา และเรามีข้อมูลจีโนมกับเทคนิคพันธุวิศวกรรมของมันครบถ้วน
นอกจาก EAA ทั้ง 9 ชนิดอย่างเซลล์สัตว์ทั่วไปแล้ว CHO ยังต้องการอะมิโนเพิ่มอีกหนึ่งชนิดคือ proline เนื่องจากยีนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์อะมิโนนี้ถูกปิดการแสดงออกไว้โดยบังเอิญระหว่างที่ CHO ถูกพัฒนาขึ้นให้ห้องแล็บยุคแรกๆ ทีมวิจัยลองกู้กระบวนการสังเคราะห์ proline ก่อนเพราะดูแล้วน่าจะพังน้อยที่สุดเทียบกับกระบวนการ EAA ที่วิวัฒนาการสูญเสียไปนานมาแล้ว
ทีมวิจัยใช้ยีนผลิตเอนไซม์สองตัว (proA และ proB) จากวิถีสังเคราะห์ proline ของแบคทีเรีย E. coli มาใช้ในงานนี้ ยีนทั้งสองตัวถูกนำมาปรับรหัสพันธุกรรมให้เหมาะสมกับการแสดงออกในเซลล์หนู (ซึ่งห่างจาก E.coli เป็นพันๆล้านปีในทางวิวัฒนาการ) จากนั้นก็นำมาตัดต่อใส่ในจีโนมของ CHO ได้เป็นเซลล์ CHO เวอร์ชั่นอัพเกรดที่สามารถเติบโตได้ปกติแม้ในอาหารเลี้ยงที่ขาด proline
ขั้นต่อมาทีมวิจัยลองกู้กระบวนการสังเคราะห์ EAA งานส่วนนี้ยากกว่าการกู้ระบบสังเคราะห์ proline มากเพราะว่ากลไกในเซลล์หนูเลิกผลิตอะมิโนพวกนี้มาไม่ต่ำกว่า 650-850 ล้านปีแล้ว เบื้องต้นทีมวิจัยเลือกโฟกัสที่ EAA สี่ชนิดคือ methionine, threonine, isoleucine และ valine ซึ่งจากข้อมูลวิถีการสังเคราะห์บ่งชี้ว่าจะต้องใช้ยีนจำนวนน้อยที่สุดในการซ่อม รวมกันแล้วคาดว่าจะต้องใช้ยีนทั้งหมด 6 ยีนจาก E.coli (metC, itaE, ilvN, ilvB, ilvC, ilvD) เพื่อทำให้ EAA กลับมาสังเคราะห์อะมิโนสี่ตัวนี้ได้อีกครั้ง
ทีมวิจัยพัฒนาเทคนิคการประกอบชุดยีนขนาดใหญ่และการควบคุมการแสดงออกยีนหลายๆตัวพร้อมกัน ยีนทั้งหกตัวจาก E.coli ถูกนำมาปรับแก้รหัสพันธุกรรมให้เหมาะกับเซลล์สัตว์และนำส่งเข้าสู่จีโนม CHO
ทีมวิจัยตรวจสอบยืนยันว่าทั้ง 6 ยีนเข้าฝังตัวในจีโนม CHO และแสดงออกมาเป็นเอนไซม์ได้สำเร็จทั้งหมด แต่ว่าเมื่อลองเอาเซลล์ CHO ที่ได้ไปลองเลี้ยงในอาหารที่ขาด methionine, threonine, isoleucine หรือ valine พบว่าเซลล์โตได้แต่ในอาหารที่ขาด valine เท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้นอัตราการเติบโตของเซลล์ในสภาวะขาด valine ก็ยังช้ากว่าเซลล์ปกติมาก และพอเลี้ยงไปสักระยะเซลล์ก็หยุดโต
ทีมวิจัยตั้งสมมติฐานว่า CHO ที่ผ่านการวิศวกรรมนี้แม้จะสังเคราะห์ valine ได้แต่ก็ยังอยู่ในระดับต่ำกว่าที่ควรจะเป็น ทีมวิจัยใช้เทคนิค isotope label ติดฉลากธาตุคาร์บอนในอาหารเลี้ยงที่เซลล์ใช้เป็นวัตถุดิบสังเคราะห์ valine และค้นพบว่ามีการสะสมของสารตัวกลางในกระบวนการสังเคราะห์ valine การสะสมแบบนี้บ่งชี้ว่ามีคอขวดในกระบวนการสังเคราะห์ที่เกี่ยวข้องกันเอนไซม์จากยีนตัวหนึ่งที่ใส่ลงไป (ilvD)
ทีมวิจัยวิศวกรรมเซลล์ CHO โดยใส่ยีน ilvD เข้าไปเพิ่มเพื่อแก้ปัญหาคอขวดนี้ ผลที่ได้คือเซลล์ CHO เวอร์ชั่นใหม่ที่สามารถเติบโตไปได้เรื่อยๆไม่สิ้นสุดแม้ว่าจะเลี้ยงในอาหารที่ปราศจาก valine ผลการศึกษาแบบแผนการแสดงออกยีนอื่นๆในเซลล์ร่วมทั้งตัวบ่งชี้สุขภาพและการตอบสนองการขาดแคลนอาหารของเซลล์ก็ยืนยันว่าเซลล์ที่ผ่านการวิศวกรรมนี้ทำงานได้ใกล้เคียงเซลล์ปกติ ต่างจากเซลล์ CHO ตั้งต้นที่เลี้ยงในสภาวะขาด valine
ไฮไลท์ของงานวิจัยนี้คือการพิสูจน์ว่าเซลล์สัตว์ยังคงมีวิถีเมแทบอลิซึมที่พร้อมรองรับการสังเคราะห์ EAA (บางตัว ) ได้แม้ว่าความสามารถดังกล่าวจะสูญหายไปหลายร้อยล้านปีแล้ว ในกรณีของ valine เซลล์ต้องการยีนเพิ่มแค่สี่ตัวเท่านั้นก็เพียงพอให้กลับไปทำงานได้ สำหรับวิถีสังเคราะห์ EAA ตัวอื่นๆที่ยังการซ่อมไม่สำเร็จอาจจะเป็นโจทย์วิจัยที่ยากกว่านั้น เช่น อาจจะมียีนอื่นๆที่เราไม่คาดคิดเกี่ยวข้องและจำเป็นทางอ้อมต่อการสังเคราะห์ ไม่ว่าจะเป็นตัวควบคุมวิถีการสังเคราะห์ หรือจัดสรรทรัพยากรในเซลล์ให้พอรองรับการเดินเครื่องสร้างอะมิโนใหม่ๆพวกนี้ นอกเหนือจากเรื่อง EAA แล้วอีกหลายทีมวิจัยก็กำลังหาทางซ่อม/อัพเกรดกระบวนการสังเคราะห์โมเลกุลจำเป็นอื่นๆในเซลล์สัตว์อย่างพวกวิตามิน กรดไขมัน หรือสารสื่อสัญญาณระหว่างเซลล์งานวิจัยเห็นล่าสุดนี้ไม่เพียงจะตอบคำถามเชิงวิวัฒนาการแต่ยังเป็นโอกาสใหม่ๆในการอัพเกรดเซลล์สัตว์รวมทั้งเซลล์มนุษย์สำหรับอุตสาหกรรมไบโอเทคและการแพทย์อีกด้วย
โปรดอย่าลืมกดติดตามเพจของ MIC ได้ที่ : Facebook MatichonMIC
