FANZOR กรรไกรตัดดีเอ็นเอเวอร์ชั่นใหม่ | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

สัปดาห์ก่อนมีข่าวใหญ่ว่าด้วยการค้นพบ “แฟนซอร์ (Fanzor)” เครื่องมือปรับแก้พันธุกรรมตัวใหม่ที่อาจจะมาเป็นคู่แข่งของ “คริสเปอร์ (CRISPR)”

การค้นพบนี้สำคัญยังไง? สะเทือนวงการแค่ไหน? ตอนนี้จะเล่าให้ฟัง

สิบปีที่แล้วการค้นพบวิธีประยุกต์ใช้ระบบ “คริสเปอร์” ในการปรับแก้พันธุกรรมเป็นหนึ่งในการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของวงการชีววิทยาในรอบหลายทศวรรษ

เครื่องมือปรับแก้พันธุกรรมนี้เขย่าแทบทุกวงการตั้งแต่การแพทย์ การเกษตร อุตสาหกรรมชีวภาพ

และเปิดประตูให้วิจัยท้าทายกรอบศีลธรรมอย่างการวิศวกรรมเด็กทารก คืนชีพสัตว์สูญพันธุ์ และกวาดล้างสิ่งมีชีวิตทั้งสปีชีส์

ทีมที่คิดค้นวิธีใช้งานคริสเปอร์ได้รางวัลโนเบลไปเรียบร้อยในปี 2020

ส่วนตอนนี้คริสเปอร์ก็กลายเป็นหนึ่งในเครื่องมือสามัญประจำแล็บที่หาใช้กันทั่วไปตั้งแต่แล็บเล็กๆ ในโรงเรียนมัธยมถึงศูนย์วิจัยพันล้านในบริษัทใหญ่ๆ

เซลล์สิ่งมีชีวิตมีขนาดในช่วงไมครอน (1/1000 มิลลิเมตร) ส่วนโมเลกุลในเซลล์อย่างดีเอ็นเอและโปรตีนเล็กกว่านั้นอีกเป็นร้อยเป็นพันเท่า ยิ่งกว่านั้นภายในเซลล์ก็ยังไม่ใช่พื้นที่โล่งๆ แต่เป็นน้ำซุปข้นๆ ที่มีโมเลกุลเป็นล้านล่องลอยเกะกะ

ในสภาวะนี้เราไม่สามารถตัดต่อโยกย้ายชิ้นส่วนต่างๆ ได้โดยตรงเหมือนเวลาเราใช้มือจับกรรไกรตัดกระดาษ

เราทำได้แค่โยน “กรรไกร” ขนาดเล็กจิ๋วเข้าเซลล์ให้มันวิ่งตรงเข้าไปจัดการเป้าหมายเอง

กรรไกรมุ่งเป้าแบบนี้หลักๆ ในธรรมชาติคือเอนไซม์ พวกมันไม่มีแผนที่หรือจีพีเอสนำทาง ได้แต่ล่องลอยไปเรื่อยในเซลล์ ชนโมเลกุลโน้นทีกระแทกโมเลกุลนี้ทีจนจนเจอกับตำแหน่งเหมาะสมบนโมเลกุลเป้าหมายจึงเริ่มทำงาน

เอนไซม์ที่มีบทบาทมากที่สุดกับงานพันธุวิศวกรรมคือพวกที่เกี่ยวข้องกับระบบภูมิคุ้มกันและปรสิตภายในเซลล์

เซลล์ทั้งหลายตั้งแต่แบคทีเรียถึงรา สาหร่าย พืช สัตว์ มนุษย์ ถูกรุกรานอย่างต่อเนื่องจากปรสิตอย่างไวรัสที่ลักลอบส่งสารพันธุกรรมเข้ามายึดครองเซลล์

ภัยคุกคามนี้ทำให้เซลล์ต่างๆ ถูกวิวัฒนาการคัดเลือกให้มีระบบเอนไซม์ภูมิคุ้มกันต่างๆ เป็นกรรไกรตัดทำลายสารพันธุกรรมแปลกปลอม

เอนไซม์พวกนี้มักจะมีความแม่นยำสูงมากเพราะมันต้องแยกแยะให้ได้ระหว่างสารพันธุกรรมของเซลล์เองกับสารพันธุกรรมแปลกปลอม

พวกปรสิตเองก็วิวัฒนาการหลบเลี่ยงกรรไกรนี้และบางทีก็ไปหยิบเอากรรไกรมาเป็นอาวุธโต้กลับได้อีกต่างหาก

การวิวัฒนาการแข่งกันไปแข่งกันมาระหว่างปรสิตกับเซลล์เจ้าบ้านตลอดหลายร้อยหลายพันล้านปีทำให้ในธรรมชาติมีระบบเอนไซม์กรรไกรแม่นๆ เต็มไปหมด

เอนไซม์แม่นๆที่ตัดสารพันธุกรรมถูกใช้เป็นอาวุธป้องกันเซลล์จากไวรัสผู้รุกราน
Cr:ณฤภรณ์ โสดา

กว่าครึ่งศตวรรษที่ผ่านมาก้าวกระโดดสำคัญๆ ของวงการไบโอเทคมาพร้อมกับการค้นพบและใช้ประโยชน์จากกรรไกรแม่นๆ พวกนี้

การค้นพบและใช้ประโยชน์จากเอนไซม์ตัดจำเพาะ (restriction enzyme) จากแบคทีเรียช่วงต้นยุค 1970s เป็นจุดเริ่มต้นของวงการพันธุวิศวกรรมที่เราสามารถตัดต่อดีเอ็นเออย่างแม่นยำในหลอดทดลอง

ส่วนการจะไปตัดต่อดีเอ็นเอในเซลล์เป็นๆ ต้องอาศัยกรรไกรที่แม่นกว่านั้นเพราะต้องระวังไม่ให้ไปกระทบดีเอ็นเอหลักส่วนอื่นๆ ของเซลล์

เอนไซม์พวกนี้เริ่มถูกค้นพบและใช้ประโยชน์ช่วงยุค 1980s

กรรไกรในอุดมคตินอกจากจะต้องทำงานไวและแม่นยำแล้ว ความยืดหยุ่นในการปรับใช้ก็เป็นอีกประเด็นสำคัญ

เรื่องน่าปวดหัวของงานพันธุวิศวกรรมยุคแรกๆ คือแต่ละครั้งที่เราอยากเปลี่ยนตำแหน่งเป้าหมายการตัดเราต้องไปหากรรไกรอันใหม่มา สิ่งมีชีวิตเรียบง่ายอย่างแบคทีเรียมีตำแหน่งเป้าหมายที่เราอาจจะสนใจตัดเพื่อการประยุกต์ใช้ต่างๆ อยู่หลักแสนหลักล้านตำแหน่ง

ส่วนมนุษย์ สัตว์หรือพืชอาจจะมีตำแหน่งน่าลองตัดอยู่หลักพันล้านหรือหมื่นล้านตำแหน่ง

แทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะไปหากรรไกรสำหรับทุกตำแหน่งที่อยากตัด

ดังนั้น วงการพันธุวิศวกรรมก็เลยพยายามไปหากรรไกรแบบที่เราสามารถโปรแกรมให้มันไปตัดดีเอ็นเอตรงไหนก็ได้ที่เราต้องการ (โดยไม่ต้องเปลี่ยนกรรไกรใหม่)

กรรไกรแบบนี้ที่โด่งดังที่สุดตอนนี้ก็คือระบบ “คริสเปอร์” นั่นเอง

กรรไกรนี้ใช้เอนไซม์เป็นตัวตัดดีเอ็นเอก็จริงแต่ส่วนทำหน้าที่ชี้เป้าว่าต้องไปตัดตรงไหนเป็นโมเลกุลอีกตัวที่ชื่อว่าอาร์เอ็นเอ

เทียบกับเอนไซม์แล้วอาร์เอ็นเอชี้เป้านี้ขนาดเล็กว่า สังเคราะห์ง่ายกว่าและที่สำคัญคือกฏกติกาในการชี้เป้าเรียบง่ายกว่ามาก

ถ้าเราอยากได้เอนไซม์สักตัวให้ไปจับและตัดดีเอ็นเออย่างเจาะจงอาจจะต้องทำโมเดลคอมพิวเตอร์ ออกแบบ ลองผิดลองถูกในห้องแล็บอยู่หลายเดือน

แต่ถ้าจะให้อาร์เอ็นเอพาไปจับดีเอ็นเอก็แค่ขีดๆ เขียนๆ ลำดับเบสในกระดาษก็รู้แล้วว่าต้องใช้ตัวไหน ลองใช้ลองทำในแล็บไม่กี่วันส่วนมากก็ใช้ได้แล้ว

ระบบเอนไซม์ตัดดีเอ็นเออย่าง “คริสเปอร์” ใช้อาร์เอ็นเอเป็นตัวชี้เป้าตำแหน่งตัด
Cr:ณฤภรณ์ โสดา

ระบบ “คริสเปอร์” ในฐานะระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรียเริ่มศึกษากันมาหลายสิบปีแล้ว แต่เราเพิ่งค้นพบส่วนประกอบหลักรวมทั้งกลไกชี้เป้าด้วยอาร์เอ็นเอและการประยุกต์ใช้ในงานพันธุวิศวกรรมช่วงปี 2013 หลังจากนั้นมันก็กลายเป็นเครื่องมือปรับแต่งพันธุกรรมสุดฮิตสะเทือนวงการอย่างที่เล่าไปข้างต้น

กระนั้นคริสเปอร์เองก็ยังมีข้อจำกัดหลายอย่าง ประสิทธิภาพและความแม่นยำยังไม่สูงพอในบางเซลล์บางสภาวะ ตำแหน่งตัดบางตำแหน่งเข้าถึงไม่ได้ ขนาดที่ยังใหญ่ไปกับการนำส่งสู่บางเซลล์ในร่างกาย ความเป็นพิษต่อเซลล์ที่เปราะบาง ฯลฯ

นอกจากนี้ ยังมีปัญหาเรื่องทรัพย์สินทางปัญญาที่ทีมวิจัย องค์กรและภาคธุรกิจหลายๆ เจ้าอ้างสิทธิฟ้องร้องกันอีนุงตุงนังไปหมด ทีมวิจัยทั่วโลกก็เลยพยายามอัพเกรดระบบคริสเปอร์ให้เก่งขึ้นพร้อมกับไปเสาะแสวงหาในธรรมชาติว่ามีระบบกรรไกรแม่นๆ ที่ชี้เป้าด้วยอาร์เอ็นเออื่นอีกไหม

ระบบคริสเปอร์ตัวแรกที่ถูกเอามาใช้งานตอนปี 2013 คือระบบ คริสเปอร์แคสไนน์ (CRISPR/Cas9) จากแบคทีเรียชื่อ Streptococcus pyogenes แต่การศึกษาต่อๆ มาพบว่าแบคทีเรียส่วนใหญ่มีระบบคริสเปอร์อยู่เช่นกัน

ระบบคริสเปอร์พวกนี้แบ่งออกเป็นหลายกลุ่มหลายตระกูล แต่ละชนิดก็มีคุณสมบัติ จุดเด่น ข้อจำกัดต่างๆ กันไป ช่วงไม่กี่ปีมานี้มีระบบคริสเปอร์หน้าใหม่ๆ อย่าง CRISPR/Cas12, CRISPR/Cas13, CRISPR/Cas14 รวมทั้ง CRISPR/Cas9 จากแบคทีเรียอื่นๆ ออกมาให้ใช้งานกันนับไม่ถ้วน

แต่ที่ว่ามาทั้งหมดนี้เป็นระบบที่ค้นพบในแบคทีเรียและจุลชีพโบราณที่เรียกว่าอาร์เคีย ไม่มีในเซลล์ชั้นสูงที่ซับซ้อนมีนิวเคลียสหรือยูคาริโอต (Eukaryote) อย่างยีสต์ รา สาหร่าย พืช สัตว์ ฯลฯ

ถ้าระบบ “กรรไกรแม่นๆ ที่ชี้เป้าด้วยอาร์เอ็นเอ (RNA-guided DNA endonuclease)” มันเจ๋งจริงก็น่าจะมีวิวัฒนาการไปใช้ในยูคาริโอตบ้าง และถ้าเป็นตามนั้นจักรวาลของกรรไกรที่เราจะเลือกใช้ก็จะกว้างขึ้นมหาศาล

ย้อนไปปี 2013 ช่วงเวลาไล่เลี่ยกับการค้นพบวิธีใช้ระบบคริสเปอร์ ทีมวิจัยจากสถาบันวิจัยข้อมูลพันธุกรรม (Genetic Information Research Institute) จากแคลิฟอร์เนียรายงานการค้นพบโปรตีนแปลกๆ ตัวหนึ่งชื่อว่า “แฟนซอร์ (Fanzor)”

ข้อมูลพันธุกรรมบ่งชี้ว่ายีนผลิตโปรตีนนี้น่าจะมีต้นกำเนิดจากแบคทีเรีย แต่ทีมวิจัยกลับพบชิ้นดีเอ็นเอที่มียีนนี้กระจายในจีโนมยูคาริโอตหลากหลายตั้งแต่สาหร่าย รา โปรโตซัว อะมีบา จนถึงสัตว์อย่างไฮดร้าและแมลงบั่ว

นอกจากนี้ ยังพบในไวรัสอีกหลายชนิดของยูคาริโอตด้วย

ชิ้นดีเอ็นเอเป็นพวกที่เคลื่อนย้ายตัวเองในจีโนมได้ (transposable element) และก็น่าจะถูกไวรัสหิ้วติดไปแพร่กระจายในสิ่งมีชีวิตต่างๆ หน้าที่ของ “แฟนซอร์” ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดจนกระทั่งหลายปีหลังจากนั้น

ปี 2021 ทีมวิจัยจากสถาบันโบรด (Broad Institute) นำทีมโดยเฟิงจาง (Feng Zhang) หนึ่งในผู้บุกเบิกเทคโนโลยีคริสเปอร์รายงานการค้นพบระบบ “กรรไกรแม่นๆ ที่ชี้เป้าด้วยอาร์เอ็นเอ” ตัวใหม่ชื่อว่าระบบ “โอเมก้า (Omega)”

ระบบนี้พบในพวกแบคทีเรียและอยู่บนชิ้นดีเอ็นเอที่เคลื่อนย้ายตัวเองได้เช่นกัน

หนึ่งในเอนไซม์ที่ทำหน้าที่เป็นกรรไกร (และถูกชี้เป้าโดยอาร์เอ็นเอ) ในที่นี้ชื่อว่า TnpB ซึ่งก็ดันมีหน้าตาโครงสร้างคล้ายๆ กับเอนไซม์ที่เป็นกรรไกรของระบบ “คริสเปอร์” และก็คล้ายกับ “แฟนซอร์” ด้วย

ทีมวิจัยค้นพบยีนผลิตเอนไซม์ TnpB มากกว่าล้านตัวในคลังข้อมูลจีโนมแบคทีเรียและอาร์เคีย กลายเป็นหนึ่งในยีนกลุ่มใหญ่ที่สุดที่จุลินทรีย์พวกนี้มี

และด้วยความที่มันหน้าตาคล้ายๆ กับทั้งคริสเปอร์และแฟนซอร์ทำให้คาดกันว่ามันอาจจะเป็นบรรพบุรุษของสองระบบนี้

ระบบ Fanzor ในยูแคริโอตและ Cas12 ในแบคทีเรียมีบรรพบุรุษร่วมกันคือ TnpB
Cr:ณฤภรณ์ โสดา

งานวิจัยล่าสุด (2023) ของทีมเฟิงจากพิสูจน์ว่า “แฟนซอร์” คือระบบ “กรรไกรแม่นๆ ที่ชี้เป้าด้วยอาร์เอ็นเอ (RNA-guided DNA endonuclease)” อย่างที่คาดคะเนไว้ ทีมวิจัยค้นพบโปรตีนกลุ่มนี้อีกหกร้อยกว่าตัวจากฐานข้อมูลจีโนมและโปรตีนของยูคาริโอต เลือกสี่ตัวอย่างแฟนซอร์จากโปรโตซัวและหอยมาลงรายละเอียดศึกษาโครงสร้างและกลไกการทำงาน

ทีมวิจัยสามารถออกแบบอาร์เอ็นเอนำทางแฟนซอร์ไปตัดดีเอ็นเอให้ขาดแบบจำเพาะตำแหน่งได้ทั้งในหลอดทดลองและในเซลล์มนุษย์เพาะเลี้ยง

แม้ว่าแฟนซอร์เวอร์ชั่นแรกเริ่มจะมีประสิทธิภาพด้อยกว่าคริสเปอร์ที่ใช้กันอยู่ แต่ทีมวิจัยก็สามารถใช้ข้อมูลโครงสร้างเอนไซม์ที่ค้นพบใหม่นี้ในการวิศวกรรมอัพเกรดแฟนซอร์ให้ประสิทธิภาพสูงขึ้นได้เป็นสิบเท่า

นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังได้ศึกษาเปรียบเทียบโครงสร้างโมเลกุลของ TnpB, Fanzor และ Cas12 (กรรไกรจากระบบคริสเปอร์ที่ใกล้เคียง TnpB ที่สุด) พบว่าโครงสร้างหลักของพวกมันคล้ายกันมากแม้ว่าจะวิวัฒนาการแยกจากกันมานานและก็มีรายละเอียดของอาร์เอ็นเอนำทางที่ค่อนข้างแตกต่างกัน

จุดเด่น จุดด้อย ข้อจำกัดต่างๆ ของ “แฟนซอร์” เทียบกับ “คริสเปอร์” คงต้องรอการศึกษาเพิ่มเติมกันต่อกันอีกยาว

แต่งานวิจัยชิ้นนี้ก็ได้เผยความจริงว่า “กรรไกรแม่นๆ ที่ชี้เป้าด้วยอาร์เอ็นเอ” เครื่องมือปรับแก้พันธุกรรมขั้นเทพที่วงการไบโอเทคแสวงหามานานจริงๆ ก็อยู่รอบตัวพวกเราเนี่ยแหละ

เป็นหนึ่งอาวุธหนักที่ปรสิตกับเซลล์เจ้าบ้านแทบทุกชนิดตั้งแต่แบคทีเรียขึ้นมาจนถึงสัตว์ใช้รบราห้ำหั่นกันมาหลายร้อยล้านปีแล้ว

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022