ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ
ภารกิจสั่ง ‘ยีสต์’ ให้สังเคราะห์แสง (1)
ในค่ายโครงการพัฒนาอัจฉริยภาพสำหรับเด็กและเยาวชนหลายปีก่อน ในตอนที่ให้น้องๆ ในค่ายคิดหาโครงงานวิจัยที่อยากทำ มีน้องมัธยมต้นคนหนึ่งเดินมาคุยกับผมและถามผมว่า “อาจารย์ป๋วยครับ ผมสงสัยว่าจะเป็นไปได้มั้ยที่จะทำให้คนสังเคราะห์แสงเองได้เหมือนพืช”
น้องบอกผมว่าน้องวางแผนอยากจะเปลี่ยนให้คนสามารถสังเคราะห์แสงและตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ได้ไม่ต่างจากพืช จะได้แก้ปัญหาวิกฤตอาหารขาดแคลน และปัญหาคาร์บอนไดออกไซด์ล้นโลกไปได้ด้วยในคราวเดียว
แหม่! ยิงปืนนัดเดียวได้นกสองตัว โปรเจ็กต์ที่น้องอยากทำช่างลึกล้ำเกินจินตนา
แต่การจะทำให้เซลล์ที่ปกติไม่สังเคราะห์แสงเปลี่ยนไปสังเคราะห์แสงสร้างพลังงานเอามาใช้ในเซลล์ได้นั้น ไม่ใช่เรื่องง่าย แม้ว่าเทคโนโลยีชีววิทยาสังเคราะห์จะก้าวหน้าไปไวราวติดจรวด จนทีมวิจัยจากสถาบันเจเครก เวนเทอร์ (J Craig Ventor Institute, JCVI) สามารถที่จะเขียนจีโนมจุลินทรีย์ใหม่เวอร์ชั่นมินิมัลขึ้นมาได้แล้วจากศูนย์
จีโนมของซินเธียเวอร์ชั่น 3.0 (JCVI Synthia v3.0) ของทีมเจเครก เวนเทอร์ นั้นเล็กมาก มียีนเพียงแค่ 493 ยีนและมีขนาดเพียงแค่หนึ่งในแปดของขนาดจีโนมของแบคทีเรีย Escherichia coli หรือ E. coli เท่านั้น
ในขณะที่ทีมพันธมิตร Sc3.0 ที่นำโดยปรมาจารย์พันธุกรรมยีสต์ เจฟ โบเกอร์ (Jef Boeke) จากมหาวิทยาลัยนิวยอร์ก (New York University) ก็สามารถออกแบบจีโนมยีสต์ขึ้นมาใหม่ได้แล้วกว่าครึ่งในปี 2023 นั่นคือโครโมโซม 6 แท่งครึ่งจาก 12 โครโมโซมของยีสต์ทำขนมปังในเวลานี้นั้นถูกออกแบบเสียใหม่แล้วโดยมนุษย์
ในเมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าไปไกลจนถึงขนาดเขียนจีโนมใหม่กันได้สบายๆ เช่นนี้แล้ว การเปลี่ยนเซลล์ที่ปกติไม่เคยสังเคราะห์แสงอย่างเซลล์สัตว์ (หรือที่ซับซ้อนน้อยหน่อยก็เซลล์ยีสต์) ให้เริ่มสังเคราะห์แสงเองได้นั้น ก็น่าจะดูมีความเป็นไปได้อยู่
ภาพพารามีเซียม เบอร์ซาเรีย (Paramecium bursaria) (ภาพจาก Wikipedia, CC by 2.0)
มนุษย์เป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ในมุมวิศวกรรม ถ้าจะปรับแต่งให้สังเคราะห์แสงได้ เริ่มจากมนุษย์อาจจะยาก (และผิดจริยธรรม)
แต่ยีสต์นั้นเป็นคนละกรณี เพราะแม้จะเป็นเซลล์ยูคาริโอตเช่นเดียวกันกับเซลล์มนุษย์ แต่โครงสร้างของเซลล์นั้นเรียบง่ายกว่ามาก อีกทั้งยังถูกศึกษาจนทะลุปรุโปร่ง ถึงขนาดที่ว่าจีโนมถูกเขียนขึ้นมาใหม่แล้วกว่าครึ่ง
นอกจากนี้ ในปัจจุบันวิศวกรชีวภาพสามารถออกแบบการแก้ไขจีโนมของยีสต์เพื่อสังเคราะห์กระบวนการเมทาโบลิซึมใหม่ๆ ภายในเซลล์ทำให้ยีสต์สามารถสร้างสารออกฤทธิ์มูลค่าสูงที่ในอดีตเคยผลิตได้แค่ในพืช ไม่ว่าจะเป็นยาต้านมาลาเรีย (Artemisinin) ยาต้านมะเร็ง (Vinblastine) ยาระงับปวด (Morphine) ไปจนถึงสารชีวโมเลกุลจากกัญชาอย่างแคนาบีไดอัล (Canabidiol) ออกมาได้แล้วอีกด้วย
ดังนั้น ถ้าต้องเลือกสิ่งมีชีวิตที่ดำรงชีวิตแบบผู้บริโภคตัวใดสักตัวหนึ่งที่พอจะมีศักยภาพที่จะถูกเปลี่ยนให้สามารถสังเคราะห์แสงได้เหมือนพืช
ยีสต์นี่แหละที่น่าจะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด
ทว่า ภารกิจสร้างยีสต์สังเคราะห์แสงได้นั้นอาจจะซับซ้อนกว่าที่คิด เพราะกระบวนการสังเคราะห์แสงนั้นเป็นกระบวนการที่มีความซับซ้อนมาก อีกทั้งยังเกิดขึ้นภายในออร์แกเนลล์ที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ (Chloroplast) หรือในกรณีของไซแอนโนแบคทีเรีย ในเยื่อหุ้มเซลล์ที่ม้วนพับจนเป็นโครงสร้างเฉพาะที่เรียกว่าเยื่อสังเคราะแสง (Photosynthetic lamella) เท่านั้น
ดังนั้น แค่การแก้ไขจีโนมเพื่อเติมยีนสร้างโปรตีนที่ทำงานเกี่ยวกับการสังเคราะห์แสงลงไปนั้นยังไงก็ไม่เพียงพอที่จะกระตุ้นให้ยีสต์ก็สร้างโครงสร้างที่จำเป็นต้องใช้สำหรับการสังเคราะห์แสงได้
เรื่องทำยีสต์ให้สังเคราะห์แสงได้นั้นไม่ใช่เรื่องใหม่ ที่จริง นักวิจัยให้ความสนใจกับการสร้างยีสต์สังเคราะห์แสงได้มาเนิ่นนานแล้ว แต่เทคโนโลยีนั้นยังเป็นอุปสรรคในการสร้างก็เท่านั้น
และนั่นทำให้นักวิจัยบางกลุ่มเริ่มมองหาทางเลือกใหม่มาใช้แทนยีสต์ และหนึ่งในตัวแทนที่น่าสนใจสำหรับยีสต์สังเคราะห์แสงก็คือสาหร่ายเซลล์เดียวที่ชื่อว่า “คลาไมโดโมแนส เรนฮาร์ดติอาย (Chlamydonas reinhardtii)”
ที่นักวิจัยมักเรียกสั้นๆ ว่าคลามี่ (Chlamy)
ด้วยรูปร่างและขนาดของเซลล์ใกล้เคียงกับเซลล์ยีสต์ ทำให้นักวิจัยกลุ่มใหญ่หมายมั่นปั้นมือเอาไว้ว่าจะปั้นคลามี่ให้เป็น “ยีสต์สีเขียว (Green yeast)” หรือ “ยีสต์สังเคราะห์แสง (photosynthetic yeast)” ที่ถ้าสำเร็จ จะสร้างคุณูปการอย่างยิ่งในการศึกษากระบวนการสังเคราะห์แสง อีกทั้งยังอาจจะนำมาปรับปรุงสายพันธุ์ต่อให้กลายเป็นจุลินทรีย์สังเคราะห์แสงต้นแบบเพื่อการผลิตสารออกฤทธิ์มูลค่าสูงป้อนตลาดอุตสาหกรรมได้อีกด้วย
ที่จริง ไอเดียเอาคลามี่มาใช้แทนยีสต์นี่ป๊อปปูลาร์มาก ถึงขนาดที่ทำให้เออร์ซูลา กู๊ดอีนาฟ (Ursula Goodenough) นักวิจัยสาหร่ายชื่อดังจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันในเซนต์หลุยส์ (Washington University St. Louis) ตั้งชื่อบทความสรุปการประชุมนานาชาติว่าด้วยอณูและเซลล์ชีววิทยาของสาหร่ายคลามี่ของเธอที่เผยแพร่ออกมา ในวารสาร Cell ในปี 1992 ว่า “ยีสต์สีเขียว (Green yeast)”
เหมือนจะฟังดูดี เอาคลามี่มาใช้แทนยีสต์ แม้ดูเผินๆ จะลักษณะเซลล์จะออกมากลมๆ มนๆ คล้ายๆ กัน ทว่า ถ้าดูให้ละเอียด เซลล์ของคลามี่นั้นมีความแตกต่างจากยีสต์ค่อนข้างมาก แต่ปัญหาที่ใหญ่จริงในการจัดการคลามี่ก็คือเทคนิคการปรับแต่งและแก้ไขพันธุกรรมในสาหร่ายนั้นยังพัฒนาไปไม่ไกลพอ ทำได้การแก้ไขยีนในคลามี่นั้นทำได้ยากกว่าในยีสต์อย่างมหาศาล
ด้วยปัญหาที่แก้ยังไงก็ยังไม่ประสบผล ความพยายามที่จะผลักดันการใช้คลามี่ขึ้นมาแทนยีสต์ จึงค่อยๆ ลดน้อยถอยลงไป
ย้อนกลับมาที่คำถามเดิม “จะเปลี่ยนเซลล์ที่ไม่สังเคราะห์แสงให้สามารถสังเคราะห์แสงได้อย่างไร?”
คำตอบอาจจะต้องย้อนกลับไปดูประวัติศาสตร์ ตั้งแต่ยุคแรกเริ่มที่เซลล์ยูคาริโอตบางเซลล์เริ่มที่จะสวาปามเซลล์อื่นๆ ราวปลาใหญ่กินปลาเล็ก ชะตาของเซลล์เล็กที่ถูกกินเข้าไปนั้นดูทึมเทา ส่วนใหญ่จะกลายเป็นอาหารที่โดนย่อยสลายและถูกดูดซึมเข้าไปในเซลล์ใหญ่เพื่อเอามาใช้เป็นพลังงาน
ทว่า ในบางกรณี เซลล์เล็กอาจจะรอดพ้นจากการย่อยสลาย และอยู่ได้อย่างเกื้อกูลกับเซลล์ใหญ่
ในขณะที่เซลล์ใหญ่กลายเป็นนิวาสถานแห่งใหม่ให้เซลล์เล็กได้พักพิง ที่เสิร์ฟมาพร้อมสารอาหารแบบบุฟเฟ่ต์ให้เลือกกินได้ตามใจ เมื่อถูกขุนจนอ้วน เซลล์เล็กที่อยู่สบายอิ่มหนำสำราญที่ภายในเซลล์ใหญ่ ก็จะสังเคราะห์พลังงานอย่างมากมายและส่งกลับไปให้เซลล์ใหญ่เป็นการตอบแทน
ในขณะที่เซลล์เล็กนั้นก็ได้ประโยชน์จากสารอาหารที่เซลล์ใหญ่จัดให้อย่างอุดมสมบูรณ์ เซลล์ใหญ่ได้พลังงานอย่างเหลือเฟือ ทั้งคู่อยู่ด้วยกันอย่างเกื้อกูลภายในไซโทพลาสซึมของเซลล์ใหญ่
ในมุมมองของลินน์ มาร์กูลิส (Lynn Margulis) นักชีววิทยาทฤษฎี จากมหาวิทยาลัยบอสตัน (Boston University) นี่คืออะไรที่สวยงาม เซลล์สองเซลล์หลอมรวมอยู่ด้วยกัน คอยเกื้อกูลกันจากภายใน
คำว่า “ภาวะเกื้อกูล” ในภาษาอังกฤษคือ ซิมไบโอสิส (symbiosis) ในขณะที่รากศัพท์ของคำว่าภายในก็คือ เอนโด (endo) ลินน์ก็เลยเรียกกระบวนการนี้ว่า “เอนโดซิมไบโอสิส (Endosymbiosis)”
สำหรับลินน์ กระบวนการเช่นนี้แหละที่น่าจะเป็นต้นกำเนิดของสองออร์แกเนลล์ประหลาดที่ทำหน้าที่สำคัญในการสร้างพลังงานให้กับเซลล์ ซึ่งก็คือ ไมโตคอนเดรีย (mitochondria) ที่สร้างพลังงานให้กับเซลล์ผ่านกระบวนการหายใจแบบใช้ออกซิเจน และคลอโรพลาสต์ (Chloroplast) ที่สร้างพลังงานให้กับเซลล์ผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสง
ในตอนที่เธอเริ่มคิดไอเดียนี้ขึ้นมาได้ ลินน์เริ่มศึกษาหลักฐานต่างๆ ที่น่าจะเป็นตัวอย่างของเอนโดซิมไบโอสิสที่ยังพอเห็นได้ในปัจจุบัน และพบว่าก็มีอยู่ไม่น้อย
ยกตัวอย่างเช่น พารามีเซียมบางชนิดจะเขมือบเอาเซลล์ของสาหร่ายเข้าไปไว้เก็บภายในเซลล์ ในขณะที่อยู่ในเซลล์ของพารามีเซียม สาหร่ายก็จะสร้างพลังงานส่งกลับคืนออกมาให้พารามีเซียม แลกกันกับการที่พารามีเซียมไม่ย่อยพวกมันเป็นอาหาร
ในขณะเดียวกัน การอยู่ร่วมกันของปะการังกับสาหร่ายซูแซนเทลลี (Zooxanthellae) ก็เหมือนกัน ปะการังเขมือบเอาสาหร่ายขนาดเล็กเข้าไปไว้ในเซลล์ เพื่อให้ส่งพลังงานกลับมาให้พวกมัน
แต่ที่น่าสนใจในกรณีของปะการังก็คือสาหร่ายซูแซนเทลลีนั้นมีสี และปะการังนั้นก็จะได้สีมาจากเซลล์สาหร่ายที่อยู่ในร่างกายของพวกมัน แต่ที่น่ากังวลก็คือปะการังส่วนใหญ่พึ่งพิงพลังงานจากสาหร่ายมากจนไม่สามารถดำรงชีวิตเองได้ ในปะการังบางชนิด กว่า 80 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานที่มันได้รับมาจากสาหร่าย และเมื่อสูญเสียสาหร่ายไป ไม่ว่าจะด้วยเหตุผลกลใดก็ตาม พวกมันก็จะเริ่มแปรเปลี่ยนเป็นสีขาว
หรือที่เรามักเรียกกันว่าปรากฏการณ์ปะการังฟอกขาว (coral bleaching) ก่อนที่จะเริ่มตายลงเพราะขาดแคลนพลังงาน (จากการสังเคราะห์แสงของสาหร่าย)
ลินน์ตื่นเต้นและเริ่มร่างแนวคิดของเธอออกมาเป็นบทความเพื่อส่งไปยังวารสารต่างๆ
เธอเล่าว่าเปเปอร์ “On the Origin of Mitosing Cells” ของเธอที่นำเสนอเกี่ยวกับไอเดียนี้ ถูกปฏิเสธจากสำนักพิมพ์กว่าสิบห้าครั้งก่อนที่จะได้ตีพิมพ์เผยแพร่ออกมาในที่สุดใน Journal of Theoretical Biology
แต่แม้จะได้ตีพิมพ์ออกมา ไอเดียของเธอก็ยังไม่เป็นที่ยอมรับในวงการ จนกระทั่งมีการทดลองออกมาซัพพอร์ตงานวิจัยของเธอในปี 1978 พวกนักวิทยาศาสตร์ถึงได้เริ่มหันมามองทฤษฎีของเธอเสียใหม่
“เอนโดซิมไบโอสิส” ผมคิด… นี่อาจจะเป็นคำตอบที่น่าสนใจ สำหรับคำถามของน้อง แต่ถ้าจะทำเป็นโปรเจ็กต์มัธยมสั้นๆ ยังไงก็ไม่มีทางสำเร็จ
ผมหันมองไปที่สายตาที่มุ่งมั่นของน้องอีกครั้ง และเริ่มครุ่นคิดว่าจะตอบยังไงไม่ให้น้องห่อเหี่ยว “โปรเจ็กต์ที่น้องอยากทำน่าสนใจมากครับ แต่ด้วยกรอบเวลาที่น้องมีในตอนนี้ โอกาสสำเร็จยังเป็นไปได้ยาก แต่อยากแนะนำให้ไปดูเรื่องเอนโดซิมไบโอสิส ปะการัง และพวกไฮดราเขียว ผมว่าถ้าน้องอยากทำจริง ในอนาคต ก็อาจจะมีความเป็นไปได้”
ปะการังและไฮดราก็เป็นสัตว์ และพวกนี้ก็ใช้สาหร่ายช่วยในการสังเคราะห์แสงได้ภายในตัวมัน นั่นหมายความว่าการที่จะสร้างกระบวนการสังเคราะห์แสงให้เกิดขึ้นในเซลล์สัตว์ที่ปกติไม่มีกระบวนการสังเคราะห์แสงนั้นน่าจะทำได้ ถ้าเซลล์ปะการังทำได้ เซลล์ไฮดราทำได้ แล้วทำไมจะทำไม่ได้กับเซลล์คน แต่งานนี้ยาก เพราะถ้าอยากให้เซลล์ยีสต์หรือเซลล์สัตว์สังเคราะห์แสงได้ ไอเดียคือต้องใส่ลงไปทั้งออร์แกเนลล์ ทั้งคลอโรพลาสต์ หรือก็คือเอาสาหร่ายใส่ลงไปในเซลล์ทั้งเซลล์เลย ไม่ใช่แค่แก้ไขโปรตีนตัวสองตัวจำสำเร็จ…
น้องยิ้มให้ผม บอกขอบคุณ และบอกว่าจะลองไปหาข้อมูลเพิ่มดู สีหน้าดูมีกำลังใจ
แต่ถ้าจะทำภารกิจนี้จริงๆ คำถามที่ต้องตอบให้ได้ คือจะทำยังไงให้เซลล์สัตว์หรือเซลล์ยีสต์ยอมกินเซลล์สาหร่ายเข้าไปในเซลล์ แต่ต้องไม่ย่อยเซลล์สาหร่าย และที่สำคัญ จะต้องกระตุ้นให้เซลล์สาหร่ายยอมที่จะส่งบรรณาการพลังงานออกมาให้กับเซลล์สัตว์หรือเซลล์ยีสต์นั้นด้วย
และคำตอบนั้นก็คือ “วิวัฒนาการ”
อุ๊บส์ เสียดายโควต้าหน้ากระดาษหมดพอดี เอาเป็นว่าถ้าอยากรู้ อดใจรออีกนิด เดี๋ยวคราวหน้ามาต่อกันนะครับ…
สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj
— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022
