ประวัติศาสตร์ธุรกิจถอดรหัสจีโนม (4)

Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

David Walt นักเคมีจากมหาวิทยาลัย Tufts ได้พัฒนาเทคโนโลยี BeadArray สังเคราะห์และวางเม็ดลูกปัดขนาดจิ๋วลงในหลุมเล็กๆ บนเส้นในไฟเบอร์ออปติก ความตั้งใจเดิมคือจะใช้เป็น optical nose สำหรับตรวจจับสารระเหยและแปลงสัญญาณเป็นการเรืองแสงบนพื้นผิวทดสอบ

กลุ่มนักลงทุนสายไบโอเทคเห็นแล้วก็ปิ๊งไอเดียว่าเทคโนโลยี BeadArray น่าจะเอามาปรับใช้สร้าง DNA microarray ได้เช่นกัน แถมยังน่าจะยืดหยุ่น สเกลได้ง่ายกว่า วิธีของเจ้าตลาดอย่าง Affymetrix

ปี 1998 ปลาน้อยตัวใหม่แห่งวงการ DNA microarray ถือกำเนิดขึ้นภายใต้ชื่อ Illumina สำนักงานใหญ่ที่เมือง San Diego แถบแคลิฟอร์เนียตอนใต้ ประกอบด้วยดรีมทีมนักวิจัยนักธุรกิจมาประสบการณ์ร่วมก่อตั้งหลายท่านรวมทั้งผู้แปรพักตร์บางส่วนจาก Affymetrix ด้วย

Illumina เข้าตลาดหุ้นในปี 2000 ระดมทุนไปได้เกือบ 100 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

BeadArray เป็นไม้เด็ดที่ทำให้ปลาน้อยหน้าใหม่อย่าง Illumina เติบโตพรวดพราดในน่านน้ำสีเลือดที่แข่งขันกันดุเดือดของธุรกิจ DNA microarray จนขึ้นทาบรัศมี Affymetrix เจ้าตลาดเดิม ยอดขายโตต่อเนื่องยาวหลายสิบไตรมาสขึ้นไปแตะหลักร้อยล้านดอลลาร์สหรัฐช่วงกลางทศวรรษ 2000

และเป็นหนึ่งบริษัทไบโอเทคไม่กี่เจ้าที่เริ่มทำกำไรภายในไม่กี่ปีจากผลิตภัณฑ์ตั้งแต่ตัวแรก

ด้วยราคาที่ถูกกว่าและความสามารถวิเคราะห์ยีนจำนวนมากกว่า BeadArray กลายเป็นเครื่องมือยอดนิยมของโครงการวิเคราะห์จีโนมสเกลใหญ่ๆ อย่างโครงการ HapMap ที่ศึกษาความหลากหลายพันธุกรรมในประชากรมนุษย์

ข้ามจากอเมริกามาที่ฝั่งอังกฤษ Nick McCooke นักวิจัยสายธุรกิจกำลังว่างงาน หลังจากเพิ่งขายกิจการธุรกิจจีโนมไปให้ Qiagen บริษัทเครื่องมือและเคมภัณฑ์ด้านชีวโมเลกุลเจ้าใหญ่จากเยอรมัน McCooke ได้ยินเรื่องราวของสองนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Cambridge และสตาร์อัพหน้าใหม่ด้านการถอดรหัสพันธุกรรม

Shanker Balasubramanian และ David Klenerman เป็นนักเคมีที่พยายามศึกษากลไกพื้นฐานในการทำงานของ DNA polymerase เอนไซม์ที่ใช้ในการก๊อบปี้ดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิต

ในงานนี้ทั้งคู่พัฒนาเทคนิคการตรึงดีเอ็นเอแม่แบบไว้บนพื้นผิว และนิวคลีโอไทด์เรืองแสงที่ทำให้เราสามารถถ่ายภาพเห็นจังหวะการเอานิวคลีโอไทด์ทีละตัวมาต่อกันเป็นดีเอ็นเอสายใหม่

ภาพใต้กล้องจุลทรรศน์กำลังสูง เราจะเห็นจุดสว่างระยิบระยับบนพื้นหลังสีดำสนิทเหมือนท้องฟ้าคืนเดือนแรม แต่ละจุดคือ DNA polymerase หนึ่งโมเลกุล กำลังเติมนิวคลีโอไทด์หนึ่งตัวบนดีเอ็นเอหนึ่งสายที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นใหม่ประกบคู่กับสายต้นแบบ

พอเห็นแบบนี้ทั้งคู่ก็ได้ไอเดียต่อยอดว่าแต่ละจังหวะสัญญาณเรืองแสงจากการเติมนิวคลีโอไทด์ก็จะบอกเราด้วยว่าดีเอ็นเอสายต้นแบบมีลำดับเบสอะไรบ้าง

งานวิจัยพื้นฐานที่ทำอยู่ก็อาจจะเอามาแต่งตัวใหม่เป็นนวัตกรรม DNA sequencing

เทคนิคการอ่านลำดับเบสดีเอ็นเอแบบนี้จัดอยู่ในกลุ่ม Sequencing by Synthesis (SBS) เช่นเดียวกับ pyrosequencing และ Ion Torrent ที่เราเห็นไปตอนก่อนเพราะกระบวนการอ่านลำดับเบสด้วยการสังเคราะห์เอ็นเอสายใหม่ ส่วนรายละเอียดกระบวนการบังคับให้ DNA polymerase เติมนิวคลีโอไทด์ทีละตัว มีจังหวะหยุดรอที่เราควบคุมได้นานพอให้เก็บภาพก่อนจะกลับมาปล่อยให้เติมนิวคลิโอไทด์ตัวต่อมา เติม/หยุด/เติม/หยุดแบบนี้วนไปเรื่อยๆ ทำให้เราเรียกมันว่า reversible terminator sequencing

บนชิปหนึ่งชิ้นเราอาจจะมีสายดีเอ็นเอต้นแบบที่จะถูกอ่านลำดับเบสไปพร้อมๆ กันจำนวนมหาศาลเป็นสิบๆ ล้านเส้น (massively parallel sequencing) ซึ่งน่าจะให้ต้นทุนและระยะเวลาการถอดรหัสพันธุกรรมลดลงมามหาศาลจากวิธีเดิมที่ Applied Biosystems (ABI) ปลาใหญ่เจ้าตลาดทำอยู่

สตาร์ตอัพหน้าใหม่จาก Cambridge ของ Balasubramanian และ Klenerman ชื่อ Solexa ก่อตั้งในปี 1998 ปีเดียวกับที่ Illumina และก็ได้ McCooke มาเป็น CEO บริษัทสองปีหลังจากนั้น

McCooke น่าจะเป็น CEO คนแรกๆ ของวงการที่ประกาศว่าอนาคตของการถอดรหัสจีโนมมนุษย์จะมีต้นทุนที่ถูกลงอย่างมหาศาลลงมาแตะ $1000 ต่อจีโนมในขณะที่ตอนนั้น Human Genome Project ยังไม่เสร็จดีด้วยซ้ำด้วยต้นทุนหลักร้อยล้านดอลลาร์สหรัฐต่อจีโนม

McCooke เล่าในภายหลังว่าตอนนั้นเขาไม่ได้โม้ลอยๆ แต่ให้ทีมวิเคราะห์คิดประเมินต้นทุนออกมาแล้วว่าอยู่ในวิสัยที่เป็นไปได้ด้วยเทคโนโลยีที่ Solexa ถืออยู่

เพียงแต่พอลงมือทำจริงก็มีอุปสรรคอยู่ระหว่างทางอีกหลายด่านมาก

ทีม Solexa ทำงานหนักกันอยู่หลายปีเพื่อพัฒนาระบบ DNA sequencing ใหม่นี้ให้ใช้การได้

McCooke เล่าว่าแม้ไอเดียเริ่มต้นจาก Balasubramanian และ Klenerman จะเยี่ยมยอดแต่ยังมีรายละเอียดอีกมากมายทั้งฝั่งเคมีและตัวฮาร์ดแวร์ที่ต้องทำงานสอดประสานกันได้อย่างเหมาะเจาะ ตั้งแต่นิวคลีโอไทด์เรืองแสงที่ใช้ ไปจนถึง DNA polymerase ที่ต้องถูกวิศวกรรมใหม่

ผ่านไปหกปีตั้งแต่วันก่อตั้ง Solexa ก็ยังไม่มี DNA sequencer ที่ใช้การได้ออกตลาด

หนึ่งในปัญหาสำคัญที่ทีม Solexa แก้ไม่ตกคือ สัญญาณเรืองแสงจากดีเอ็นเอแต่ละสายบนชิปที่จะใช้อ่านลำดับเบสนั้นอ่อนเกินไป

ความคลาดเคลื่อนของสัญญาณหรือจากตัวสายดีเอ็นเอเอง ทำให้ลำดับเบสที่อ่านมาไม่ต่อเนื่องแปลผลพลาดไปหมด

ข้ามมาที่ภาคพื้นทวีปยุโรปสตาร์ตอัพอีกเจ้าสวิตเซอร์แลนด์มีคำตอบของปัญหานี้โดยบังเอิญ

สตาร์ตอัพชื่อ Manteia Predictive Medicine เป็นปลาเล็กอีกตัวในตลาดการถอดรหัสจีโนม และเป็นบริษัทลูกของบริษัทยาเก่าแก่สัญชาติสวิส ชื่อ Serono

ทีมวิจัยของ Manteia พัฒนาเทคโนโลยีก๊อปปี้ดีเอ็นเอบนพื้นผิว (solid phase DNA amplification) มาตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1990 บนชิปที่มีดีเอ็นเอหลายหลายลำดับเบสกระจายตัวกันอยู่

เทคโนโลยีนี้ก๊อปปี้ดีเอ็นเอ ณ จุดที่มันอยู่จนได้เป็นกระจุกดีเอ็นเอที่มีลำดับเบสเหมือนกัน เป็นโคลนของกันและกัน (DNA colony) กระจุกโคโลนีดีเอ็นเอที่ว่านี้สามารถใช้เป็นจุดกำเนิดสัญญาณเรืองแสงที่แรงกว่าเสถียรกว่าในระหว่างการทำ DNA sequencing เทียบสัญญาณจากดีเอ็นเอเส้นเดี่ยวๆ

กระนั้น Manteia ก็ยังขาดเทคโนโลยีสำหรับขั้นตอนอื่นๆ ในการอ่านลำดับเบส

ถ้า Solexa คือปลาเล็กในวงการถอดรหัสจีโนม Manteia ก็คือลูกปลาตัวเล็กยิ่งกว่า ขาดแคลนทั้งเงินทุนและกำลังคนที่ดันงานให้สุด แม่ปลาอย่าง Serono เองก็มีแผนจะขายลูกปลาที่ดูจะไม่ค่อยมีอนาคตเท่าไรตัวนี้ออกไป

แต่สำหรับ McCooke แล้ว Manteia กำลังถือจิ๊กซอว์ที่หายไปของ Solexa

ปี 2004 วงการถอดรหัสจีโนมก็ได้เห็นปรากฏการณ์ปลาเล็กกินปลาเล็กกว่าเมื่อ Solexa เข้าซื้อกิจการ Manteia สำเร็จที่มูลค่ารวมราว 4 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

แม้จะดูไม่เยอะมากสำหรับวงการนี้แต่ก็ไม่น้อยสำหรับ Solexa สตาร์ตอัพหน้าใหม่ที่ยังไม่มีผลงานอ่านลำดับเบสดีเอ็นเอออกมาเป็นเรื่องเป็นราวเลยสักชิ้น

เมื่อ solid phase DNA amplification ของ Manteia มาบวกกับ sequencing by synthesis ของ Solexa เรื่องมหัศจรรย์ก็เริ่มเกิดขึ้น

เพียงหนึ่งปีถัดมา ทีม Solexa ถอดรหัสพันธุกรรมของไวรัส PhiX174 สำเร็จ ตัวเดียวกับจีโนมแรกที่วงการนี้ถอดรหัสได้เมื่อ 1977 ด้วย Sanger sequencing แต่คราวนี้ใช้เทคโนโลยีใหม่ของบริษัทที่ทั้งเร็วและถูกกว่ามาก

ปี 2006 Solexa เข็น DNA sequencing รุ่นแรกออกตลาดในชื่อ Genome Analyzer G1 ประกาศตัวเป็นปลาเล็กไฟแรงตัวใหม่แห่งวงการถอดรหัสจีโนมซึ่งขณะนั้นมี ABI ปลาอาวุโสตัวใหญ่เป็นเจ้าตลาด และ 454 Corporation เป็นปลาเล็กไฟแรงอีกตัวเข้ามาเป็นคู่ท้าชิงตั้งแต่ปีก่อนหน้า

ทศวรรษ 2000 หลังเสร็จสิ้น Human Genome Project เทรนด์ธุรกิจไบโอเทคมุ่งหน้าเต็มสูบสู่การถอดรหัสจีโนมเชิงการค้า หน่วยงานภาครัฐอย่างสถาบันสุขภาพแห่งชาติ (National Institute of Health, NIH) อัดฉีดทุนวิจัยในโครงการ Revolutionary Genome Sequencing Technology ตั้งเป้าลดต้นทุนการถอดรหัสพันธุกรรมมนุษย์ให้ได้อย่างน้อย 10,000 เท่า

ฝั่งเอกชนก็มี Archon Genome X prize ตั้งรางวัล 10 ล้านดอลลาร์สหรัฐให้ทีมวิจัยที่สามารถถอดรหัสพันธุกรรมมนุษย์ 100 จีโนมภายใน 10 วันที่ต้นทุนไม่เกิน $10,000 ต่อจีโนม

แรงสนับสนุนพวกนี้ดึงในทั้งสถาบันวิจัย มหาวิทยาลัย สตาร์ตอัพ หรือแม้แต่บริษัทใหญ่ต่างวงการกระโดดลงมาเล่นในสนามการถอดรหัสจีโนมยุคใหม่ (Next Generation Sequencing, NGS) นี้ด้วย

Illumina ซึ่งขณะนั้นเติบโตขึ้นไปเป็นเบอร์ใหญ่ในวงการ DNA microarray มองเทรนด์นี้ด้วยความตื่นเต้นและหวาดหวั่น

DNA microarray คือเทคนิคสุดฮ็อตแห่งทศวรรษ 1990 ในยามที่ข้อมูลจีโนมเริ่มมีมากพอให้ใช้ออกแบบดีเอ็นเอบนชิป แต่ต้นทุนการถอดรหัสจีโนมยังคงสูงเกินกว่าทีมวิจัยส่วนมากจะเข้าถึงได้

จะเกิดอะไรขึ้น ถ้าวันหนึ่งต้นทุนการถอดรหัสจีโนมถูกลงกว่านี้เป็นหมื่นเป็นแสนเท่า?

วันนั้น DNA microarray ก็คงจะล้าสมัยไปสำหรับการประยุกต์ใช้ส่วนใหญ่ เพราะแทนที่จะมานั่งใช้ DNA microarray ว่ายีนในรายการที่สนใจมีหรือไม่มีในจีโนมตัวอย่าง สู้ทำ DNA sequencing อ่านจีโนมออกมาทั้งหมดไม่ดีกว่าหรือ?

Illumina ไม่รอให้ตัวเองถูกดิสรัปต์ ตัดสินใจเป็นปลาใหญ่ที่กระโดดข้ามหนองน้ำมาเล่นในตลาด DNA sequencing เสียเอง

ด้วยเงินทุนที่สะสมมามากมายจากกิจการ DNA microarray แบรนด์ที่เข้มแข็ง สายการผลิตและการตลาดที่มีพร้อม Illumina เดิมพันก้อนใหญ่กับสตาร์ตอัพน้องใหม่อย่าง Solexa เข้าซื้อกิจการด้วยดีลประวัติศาสตร์ที่ราคาสูงถึง 650 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2007

ฝั่ง ABI เองเริ่มรู้ตัวว่า Sanger Sequencing เทคโนโลยีเก่าแก่ตัวหลักที่ใช้ยึดครองตลาดมาร่วมยี่สิบปีเริ่มจะถูกพวก NGS ของบริษัทหน้าใหม่ๆ เข้ามาตีตลาดก็เลยเข็น NGS ของตัวเองที่ใช้เทคนิค SOLiD ออกมาด้วย

กลายเป็นว่าในปีนั้นวงการ DNA sequencing มีทั้ง ABI เจ้าตลาดเดิมที่ถือทั้ง Sanger และ SOLiD อยู่ในมือ, Roche ที่ซื้อกิจการ 454 Corporation ผู้บุกเบิกเครื่อง pyrosequencing, Illumina ที่ได้ Solexa กับเทคนิค reversible terminator sequencing นอกจากนี้ยังมี Ion Torrent และสตาร์ตอัพปลาเล็กปลาน้อยอีกหลายเจ้า

วงการนี้จะเป็นยังไงต่อ ติดตามตอนหน้าครับ