Innovation Grand Challenge การแข่งขันทำนายโครงสร้างโปรตีน (1)

Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

โปรตีนคือเครื่องจักรกลระดับนาโนที่อยู่เบื้องหลังแทบทุกกระบวนการในเซลล์สิ่งมีชีวิต เป็นทั้งโครงสร้าง ตัวเร่งปฏิกิริยา ผู้นำสัญญาณ ภูมิคุ้มกัน ฯลฯ ดังนั้น ความสามารถในการออกแบบโปรตีนที่มีคุณสมบัติตามต้องการจะมีประโยชน์มหาศาลกระทบแทบทุกวงการที่ข้องเกี่ยวกับชีววิทยาตั้งแต่การแพทย์ เกษตร อาหาร สิ่งแวดล้อม วัสดุศาสตร์ ฯลฯ

โครงสร้างสามมิติเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดหน้าที่และคุณสมบัติของโปรตีน แต่การหาโครงสร้างสามมิติในด้านเทคนิคในห้องแล็บเป็นเรื่องยาก แพง และเสียเวลากว่าการหาลำดับอะมิโนในสายโปรตีนมาก ด้วยเหตุนี้หนึ่งในโจทย์แรกที่นักวิจัยทั่วโลกพยายามจะแก้คือการทำนายโครงสร้างสามมิติจากลำดับอะมิโนของโปรตีน

ความพยายามนี้นำมาสู่การแข่งขันทำนายโครงสร้างโปรตีนหรือ CASP (Critical Assessment of Structure Prediction) ที่จัดขึ้นทุกสองปีมาตั้งแต่ปี 1994 ทั้งวงการแข่งขันและช่วยกันผลักดันเทคโนโลยีการทำนายโครงสร้างสามมิติมาเรื่อยเป็นสิบปี

บทความหลายตอนที่ผ่านมาเราได้อ่านเรื่องราวของ Rosetta แชมป์หลายสมัยจากทีมวิจัยของ David Baker และเรื่องราวของม้ามืดอย่าง AlphaFold จาก Google DeepMind ที่โชว์ผลงานยอดเยี่ยมสะเทือนวงการ

จนหลายคนบอกว่าปริศนากว่าห้าสิบปีของการทำนายโครงสร้างโปรตีนนั้นถูกแก้สำเร็จแล้ว

กระนั้นการทำนายฟังก์ชั่นการทำงานของโปรตีนก็ยังคงเป็นเรื่องยากกว่าการทำนายโครงสร้างสามมิติอีกหลายขุมนัก เปรียบเหมือนกับการที่เราได้เห็นหน้าตารูปร่างของเครื่องจักรสารพัดอย่างทั้งภายนอกและภายในอย่างละเอียดก็ไม่ได้การันตีว่าเราจะเดาถูกว่ามันใช้ทำอะไร ทำงานอย่างไร และเราจะอัพเกรดปรับปรุงมันตรงไหนได้บ้าง

การจะทำนายความสัมพันธ์ใดๆ อย่างแม่นยำนั้นต้องการข้อมูลคุณภาพสูงปริมาณมากให้เอไอได้เรียนรู้แบบแผน ปัญหาคือเรามีข้อมูลความสัมพันธ์ระหว่างฟังก์ชั่นและลำดับอะมิโน (sequence – function) น้อยมากเมื่อเทียบกับข้อมูลความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและลำดับอะมิโน (sequence – structure) แถมข้อมูลยังหลากหลายกว่า กระจัดกระจายกว่า มาตรฐานคุณภาพด้อยกว่า

เมื่อประมาณสามปีที่แล้ว (2023) ทีมวิจัยจาก Shenzhen Institute of Advance Technology (SIAT) แห่งเมืองเซิ่นเจิ้น ประเทศจีน ริเริ่มการแข่งขันวิศวกรรมโปรตีนให้มีฟังก์ชั่นตามต้องการ

การแข่งขันมีชื่อนี้ว่า CAPE (Critical Assessment of Protein Engineering) ล้อตามชื่อการแข่งขัน CASP ที่มีมาก่อนหน้า

ในเฟสเริ่มต้นนี้ทีมวิจัยยังไม่ได้หวังสูงขนาดจะหาผู้ชนะที่สามารถออกแบบฟังก์ชั่นของโปรตีนอะไรก็ได้ แต่เริ่มจากโจทย์เล็กๆ เอาโปรตีนแค่หนึ่งชนิดและขอบเขตการออกแบบที่จำกัด

ทีมวิจัยเลือกใช้โปรตีนชื่อ RhlA เป็นเอนไซม์ตัวสำคัญในกระบวนการสังเคราะห์ rhamnolipid ที่สามารถนำไปใช้เป็นสารลดแรงตึงผิว (biosurfactant) สำหรับอุตสาหกรรม ก่อนหน้านี้ทีมวิจัยเดียวกันเพิ่งตีพิมพ์ผลงานว่าด้วยการออกแบบวิศวกรรมเอนไซม์ดังกล่าวให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ดังนั้น ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการทำงานและออกแบบโปรตีนตัวนี้ยังพอมีอยู่บ้างให้ผู้เข้าแข่งขันได้ใช้เป็นจุดตั้งต้น นอกจากนี้ทีมวิจัยยังได้วางระบบ Biofoundry ศูนย์เครื่องมือใหญ่ที่เซิ่นเจิ้นสำหรับการออกแบบ-สร้าง-ทดสอบ-เรียนรู้ (Design-Built-Test-Learn, DBTL cycle) ครบวงจรจากงานวิศวกรรมสำหรับโปรตีนตัวดังกล่าว

CAPE ครั้งนี้จะเป็นการทดสอบว่านอกจากการออกแบบวิศวกรรมโดยผู้เชี่ยวชาญภายในของ SIAT แล้ว ถ้าเรากระจายโจทย์นี้ออกไป ให้ผู้เข้าแข่งขันภายนอกที่หลากหลายมาแข่งกันคิดพัฒนาต่อเราจะดันขีดจำกัดของการวิศวกรรมนี้ไปได้ไกลอีกขนาดไหน