วิศวกรรมขีปนาวุธนาโนจากแบคทีเรีย | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

ร่างกายมนุษย์ประกอบจากเซลล์กว่า 200 ชนิดรวมกันกว่า 30 ล้านล้านเซลล์

หนึ่งในโจทย์สุดท้าทายของวงการแพทย์แห่งอนาคตคือทำอย่างไรเราจะสามารถส่งโมเลกุลยาอะไรก็ได้ที่เราต้องการไปยังเซลล์เป้าหมายชนิดใดก็ได้ได้อย่างทั่วถึง และเจาะจงโดยไม่ไปรบกวนเซลล์อื่นๆ

เมื่อสิบปีก่อนทีมวิจัยของ Feng Zhang จาก MIT เป็นหนึ่งในผู้พัฒนาเทคโนโลยีแก้ไขจีโนมที่โด่งดังอย่าง CRISPR/Cas ด้วยประสิทธิภาพและความสะดวกในการใช้ทำให้เทคโนโลยีนี้เป็นความหวังในการรักษาโรคพันธุกรรมสารพัดชนิด

สิบปีที่ผ่านมาทีมวิจัยและสตาร์ตอัพไบโอเทคหลายพันแห่งทั่วโลกเร่งต่อยอดระบบ CRISPR/Cas สู่การนำไปใช้จริง

อย่างไรก็ตาม อุปสรรคหนึ่งที่สำคัญคือการส่ง CRISPR/Cas เข้าไปยังเซลล์เป้าหมายที่เราต้องการ แม้จะมีหลายระบบนำส่งกำลังที่เริ่มนำไปใช้แล้วอย่างไวรัส หรืออนุภาคนาโนสังเคราะห์

แต่เราก็ยังคงตามหาระบบที่ประสิทธิภาพและความแม่นยำยิ่งสูงขึ้นไปอีก

แบคทีเรียในหนอนปรสิตปล่อยอาวุธมาทำลายแมลง
Cr. ณฤภรณ์ โสดา

ล่าสุดทีมของ Zhang รายงานระบบนำส่งแบบใหม่เป็นขีปนาวุธขนาดจิ๋วพัฒนาจากกลไกในแบคทีเรีย

แบคทีเรียหลายชนิดเป็นปรสิตหรือผู้อิงอาศัยในสิ่งมีชีวิตชั้นสูง

แบคทีเรียพวกนี้ต้องมีกลไกเพื่อสื่อสารหรือควบคุมบังคับเซลล์ของเจ้าบ้านให้ยอมร่วมมือด้วย เช่น การเปลี่ยนโครงสร้างรูปร่างเซลล์ การปรับพฤติกรรมหรือการเจริญเติบโตของเจ้าบ้าน หรือแม้แต่การฆ่าเซลล์เจ้าบ้านเพื่อดูดกินอาหารโดยตรง

กลไกเหล่านี้อาศัยการนำส่งโมเลกุลบางอย่างที่แบคทีเรียสังเคราะห์เข้าสู่เซลล์เจ้าบ้าน โมเลกุลเล็กๆ อาจจะแพร่ไปโดยตรง

ส่วนโมเลกุลที่ใหญ่และซับซ้อนอย่างโปรตีนบางตัวอาจต้องการระบบขนส่งพิเศษให้มันสามารถเจาะทะลุเข้าเซลล์ได้แม่นยำ

แบคทีเรียกลุ่ม Photorhabdus อยู่แบบพึ่งพาอาศัยในหนอนตัวกลมและสมรู้ร่วมคิดกันเป็นปรสิตของแมลงอีกที

หนอนตัวกลมเข้าไปฝังอยู่ในตัวอ่อนแมลงจากนั้นก็คายหรือขับถ่ายแบคทีเรียนี้ออกมา

ส่วนแบคทีเรียก็จะผลิตสารพิษกดระบบภูมิคุ้มกันและฆ่าตัวอ่อนแมลง

หนอนตัวกลมกัดกินซากตัวอ่อนแมลงจากภายในระหว่างที่พวกมันเติบโต สืบพันธุ์ ก่อนพากันไชออกมา (พร้อม Photorhabdus ภายใน) เพื่อหาเหยื่อรายใหม่

ดังนั้น แบคทีเรียกลุ่มนี้จึงถูกศึกษาอย่างกว้างขวางเพื่อใช้เป็นตัวควบคุมชีวภาพของแมลงศัตรูพืชทางการเกษตร

2 แบคทีเรีย Photorhabus สร้างเข็มบรรจุพิษที่เรียกว่า Photorhabus Virulence Cassette (PVC)
Cr. ณฤภรณ์ โสดา

Photorhabdus ฉีดพิษเข้าสู่เซลล์แมลงผ่านระบบเข็มกลขนาดจิ๋วที่เรียกว่า Photorhabdus Virulence Cassette (PVC)

เข็มกลเป็นท่อนยาวร้อยกว่านาโนเมตร (ประมาณ 1/10 ของความยาวแบคทีเรีย) ภายในบรรจุโปรตีนพิษที่จะต้องถูกนำส่งเข้าสู่เซลล์แมลง ส่วนภายนอกห่อหุ้มด้วยโปรตีนสิบกว่าชนิดเป็นรูปร่างเหมือนท่อนจรวด ส่วนฐานเป็นแท่นบานออกและมีปลายแหลมไว้เจาะทะลุ

Photorhabdus สังเคราะห์ PVC ภายในเซลล์และปล่อยออกมาเหมือนขีปนาวุธ เมื่อเจอเซลล์แมลงเป้าหมายขีปนาวุธนี้ก็จะร่อนลงจอด และเอาส่วนเข็มฉีดพิษเข้าไปจัดการเซลล์แมลงต่อไป

ทีมวิจัยของ Zhang สนใจใช้ระบบ PVC นี้เป็นเครื่องมือนำส่งโปรตีนเข้าสู่เซลล์มนุษย์

ทีมวิจัยเลือกใช้ระบบ PVC จากแบคทีเรียชนิด Photorhabdus asymbiotica ซึ่งเคยมีการศึกษาโครงสร้างมาโดยละเอียดแล้ว และเคยมีรายงานว่าสามารถส่งโปรตีนเข้าสู่เซลล์หนูได้

กระนั้นการจะวิศวกรรมระบบ PVC ที่ซับซ้อนนี้มาใช้งานจริงก็ยังไม่ใช่เรื่องง่ายเนื่องจากยังมีรายละเอียดกลไกอีกหลายส่วนที่เรายังไม่เข้าใจทั้งการนำวิถีสู่เป้าหมายและการบรรทุกโปรตีนเข้าสู่ระบบนำส่ง

ทีมวิจัยเริ่มจากการถอดประกอบยีนเกือบยี่สิบตัวที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของระบบ PVC จาก P.asymbiotica มาใส่ในแบคทีเรีย Escherichia coli ที่เลี้ยงง่าย โตเร็ว และปรับแก้พันธุกรรมสะดวก

จากนั้นก็พิสูจน์ยืนยันว่า E.coli ที่ผ่านการวิศวกรรมนี้สามารถผลิตขีปนาวุธ PVC ที่รูปร่างหน้าตาไม่ต่างจากของ P.asymbiotica ตามธรรมชาติและก็ยังสามารถพุ่งเป้าไปทำลายเซลล์แมลงเพาะเลี้ยงได้เช่นกัน

2 แบคทีเรีย Photorhabus สร้างเข็มบรรจุพิษที่เรียกว่า Photorhabus Virulence Cassette (PVC)
Cr. ณฤภรณ์ โสดา

ทีมวิจัยศึกษาโครงสร้างของโปรตีนพิษและค้นพบว่าลำดับอะมิโนส่วนต้นเป็นสัญญาณนำทางให้โปรตีนนี้ถูกบรรจุเข้าสู่ตัวขีปนาวุธ PVC

ดังนั้น ถ้าเราเอาลำดับอะมิโนแบบนี้ไปต่อกับโปรตีนตัวอื่นก็น่าจะสามารถหลอกให้เซลล์เอาโปรตีนพวกนั้นมาบรรจุใน PVC แทนโปรตีนพิษ ทีมวิจัยใช้วิธีนี้ลองบรรจุโปรตีนหลายชนิดอย่างโปรตีนเรืองแสง และเอนไซม์ตัดต่อดีเอ็นเอได้สำเร็จ

ทีมวิจัยยังค้นพบอีกว่า PVC สามารถบรรจุโปรตีนที่มีขนาดใหญ่กว่าโปรตีนพิษที่มันบรรจุตามธรรมชาติมาก เช่น เอนไซม์ Cas9 จากระบบ CRISPR/Cas ซึ่งใหญ่กว่าโปรตีนพิษเกือบห้าเท่า

ขั้นตอนต่อมาทีมวิจัยใช้ Alphafold (AI สำหรับทำนายโครงสร้างโปรตีน) จำลองโครงสร้างของโปรตีนตัวหนึ่งตรงส่วนฐานของ PVC เพื่อค้นหาว่าส่วนไหนทำหน้าที่จับกับผิวเซลล์ที่เป็นเป้าหมาย

ด้วยข้อมูลนี้ทีมวิจัยสามารถวิศวกรรม PVC ให้เปลี่ยนเป้าหมายจากเดิมที่เป็นเซลล์แมลงให้กลายเป็นเซลล์หนูหรือเซลล์มนุษย์แทน เมื่อใช้ร่วมกับความรู้ด้านสัญญาณบรรจุโปรตีนข้างต้น ทีมวิจัยสามารถจะใช้ PVC ที่ผ่านการวิศวกรรมนี้นำส่งโปรตีนพิษหรือเอนไซม์ตัดต่อดีเอ็นเอเข้าสู่เซลล์หนูหรือเซลล์มนุษย์ และยังสามารถเลือกเป้าหมายให้เจาะจงกับประเภทของเซลล์โดยการเลือกวิศวกรรมโปรตีนส่วนฐาน PVC ให้ตรงกับโปรตีนที่จำเพาะบนผิวเซลล์เป้าหมาย

สุดท้ายทีมวิจัยลองเอาระบบนี้ไปใช้งานในหนูเป็นๆ โดยวิศวกรรม PVC ให้มุ่งสู่เซลล์ภายในสมองของหนู และส่งโปรตีนเอนไซม์เข้าไปปลดล็อกกลไกการเรืองแสงในเซลล์หนูส่วนนั้น

นอกจากนี้ ยังพบว่าระบบดังกล่าวไม่ได้กระตุ้นการตอบสนองของภูมิคุ้มกันหรือการอักเสบ

นั่นแปลว่าระบบนี้ไม่น่าจะมีผลข้างเคียงต่อร่างกายมาก

PVC จาก P. asymbiotica ที่นำเสนอในงานวิจัยชิ้นนี้เป็นเพียงตัวอย่างเดียวของระบบขีปนาวุธนาโนตามธรรมชาติที่เรียกว่า extracellular Contractile Injection System (eCIS)

ระบบนี้พบได้ในแบคทีเรียหลากหลายชนิด แต่ละชนิดก็มีประเภทโปรตีนที่นำส่งและเป้าหมายปลายทางต่างๆ กันไป

ความหลากหลายของ eCIS และความสำเร็จในการวิศวกรรม PVC เป็นตัวอย่างให้เห็นว่าระบบนี้น่าจะมีความยืดหยุ่นสูง ยอมให้เราปรับแก้ต่อเติมฟังก์ชั่นของมันได้ค่อนข้างอิสระ

ความสามารถในการนำส่งโปรตีนอะไรก็ได้ไปยังเซลล์อะไรก็ได้อย่างเจาะจงจะเปิดโอกาสอีกมากมายในการวิศวกรรมและรักษาโรคระดับเซลล์ในอนาคต

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022