ชีวิตเกิดขึ้นได้อย่างไร (บนโลกที่ไร้ชีวิต) (2) : ปีศาจของสปิเกลแมน กับวิวัฒนาการของสิ่งไม่มีชีวิต

ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ

ผมเคยถามหลายคนว่า “เซ็นทรัล ด๊อกมา (Central Dogma)” หรือทฤษฎีหลักมูลทางชีววิทยาคืออะไร

คนส่วนใหญ่ที่เคยสัมผัสวิชาชีววิทยามาบ้าง ก็มักจะตอบได้ทันทีว่าเป็นการถอดรหัส “ดีเอ็นเอ” เป็น “อาร์เอ็นเอ” และแปลรหัส “อาร์เอ็นเอ” ต่อไปเป็น “โปรตีน”

ซึ่งก็ไม่ผิด…

แต่ถ้าถามต่อให้ช่วยนิยาม “เซ็นทรัล ด๊อกมา (Central Dogma)” ในทางชีววิทยาให้หน่อย ส่วนใหญ่จะมีสะดุ้ง …แม้แต่ในกลุ่มนักเรียนและผู้คร่ำหวอดในวงการชีววิทยา…

เพราะโดยปกติแล้ว ในการเรียนชีววิทยาส่วนใหญ่ คอนเซ็ปต์ของเซ็นทรัล ด๊อกมา มักจะเป็นการท่องมาแบบนกแก้วนกขุนทอง ดีเอ็นเอ เป็นอาร์เอ็นเอ เป็นโปรตีน ท่องมาอยู่แค่นั้น

แต่ความหมายจริงๆ ของเซ็นทรัล ด๊อกมา ก็คือการถ่ายทอดข้อมูลสำคัญในทางชีววิทยา ซึ่งก็คือข้อมูลพันธุกรรม จากเบส A T C G ของดีเอ็นเอ ไปเป็นเบส A U C G ของอาร์เอ็นเอ ไปเป็นกรดอะมิโน 20 ชนิดในโปรตีน

ไอเดียนี้ถูกเสนอขึ้นมาในงานประชุม Symposia of the Society for Experimental Biology, Number XII : The Biological Replication of Macromolecules ในปี 1957 โดยฟรานซิส คริก (Francis Crick) นักฟิสิกส์นามอุโฆษจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (University of Cambridge) เจ้าของผลงานโครงสร้างเกลียวคู่ของดีเอ็นเอร่วมกับเจมส์ วัตสัน (James Watson)

เพราะข้อมูลเหล่านี้คือข้อมูลที่กำหนดให้สิ่งมีชีวิตแสดงออกลักษณะต่างๆ ในแบบที่เป็น ทั้งรูปร่าง ลักษณะนิสัย ตลอดจนรายละเอียดเล็กน้อยที่มองไม่เห็นด้วยตา และเป็นชุดข้อมูลที่พ่อแม่จะส่งต่อไปให้ลูกหลาน ทำให้สปีชีส์ของสิ่งมีชีวิตดำรงสืบทอดลักษณะต่างๆ ได้…จากรุ่น สู่รุ่น สู่รุ่น ต่อเนื่องไปได้

และถ้ามองว่า ข้อมูลพวกนี้คือสิ่งจำเป็น ชีวิตแรกก็น่าจะเกิดจากกระบวนการสืบต่อข้อมูลแบบนี้

“และนั่นหมายความว่า เราจะต้องมีโมเลกุลอะไรสักอย่างที่สามารถเก็บข้อมูลได้ (informational molecule) และที่สำคัญควรจะเร่งปฏิกิริยาเคมี (ในการก๊อบปี้ข้อมูลพวกนั้น) (catalytic molecule) ได้ด้วย” ฟรานซิสเสนอในเปเปอร์ของเขาในปี 1968

ไอเดียของคริกนั้นชัดเจน ตรงไปตรงมา และตรงใจเลสลี ออร์เจล (Leslie Orgel) นักชีววิทยาจากสถาบันวิจัยซอล์ค (Salk Institute)

แต่ในตอนนั้น คำถามคือโมเลกุลที่ว่าจะเป็นโมเลกุลไหนล่ะ? ดีเอ็นเอ อาร์เอ็นเอ หรือโปรตีน?

ดีเอ็นเอมีเบสคู่สม คือ A คู่กับ T เสมอ และ C คู่กับ G เสมอ และเมื่อมีสองเส้น เส้นหนึ่งก็จะเป็นต้นแบบให้อีกเส้นได้ นั่นหมายความว่าดีเอ็นเอนั้นมีคุณสมบัติแรกชัดเจน ด้วยกลไกนี้ ดีเอ็นเอเก็บข้อมูลได้ คัดลอกและถ่ายทอดข้อมูลได้ ถือเป็น informational molecule ได้อย่างสบายๆ

แต่ดีเอ็นเอมักจะฟอร์มตัวประกบกันสองสายเป็นเกลียวคู่เสมอ ไม่ได้มีโครงสร้างอะไรพิเศษพิสดารไปกว่านั้นเท่าไร ก็เลยไม่น่าจะเร่งปฏิกิริยาเคมีอะไรได้ พูดง่ายๆ ก็คือไม่สามารถเป็น catalytic molecule ได้

แต่ในทางตรงกันข้าม โปรตีนมีองค์ประกอบเป็นกรดอะมิโนถึงยี่สิบชนิดที่มีหมู่ทางเคมีที่หลากหลายมาต่อกันเป็นสายยาวที่สามารถพับตัวเป็นสามมิติที่หลากหลาย ซับซ้อน และอลังการ ซึ่งช่วยให้มันสามารถที่จะทำงานได้สารพัด เร่งปฏิกิริยาเคมีได้เกือบทุกแบบ ทำได้แทบจะทุกอย่างภายในเซลล์ ถือเป็น catalytic molecule ที่ดีเลิศประเสริฐศรี

แต่ถ้ามองย้อนกลับไปที่การก๊อบปี้ข้อมูล โปรตีนไม่น่าจะเป็น informational molecule ที่ดี เพราะข้อมูลของโปรตีนนั้นล้วนแปลรหัสมาจากข้อมูลอาร์เอ็นเอ ไม่ได้มีกระบวนการเก็บและก๊อบปี้ข้อมูลของตัวเองอยู่เลยแม้แต่น้อย

ด้วยเหตุนี้ อาร์เอ็นเอดูจะเป็นตัวเก็งที่น่าลุ้นที่สุด เพราะนอกจากจะมีกลไกเบสคู่สมเช่นเดียวกันกับดีเอ็นเอแล้ว โครงสร้างของอาร์เอ็นเอนั้นยังซับซ้อนอีกด้วย จึงน่าจะเป็นไปได้ที่อาจจะสามารถเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีได้

“ปัญหาทุกอย่างมันจะหมดไปถ้าอาร์เอ็นเอจะเร่งปฏิกิริยาได้” เลสลีเปิดประเด็น

“อาจจะเป็นไปได้ก็ได้” คาร์ล โวเซ (Carl Woese) นักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยอิลลินอย เออร์บานา แชมเปญ (University of Illinois Urbana Champaign) ผู้โด่งดังจากการค้นพบอาร์เคีย (Archaea) เห็นร่วม เพราะที่จริงโครงสร้างแกนหลักที่ใช้ในการเร่งปฏิกิริยาของไรโบโซมนั้นก็มีองค์ประกอบทั้งหมดเป็นอาร์เอ็นเอ ส่วนโปรตีนเป็นแค่โครงสร้างซัพพอร์ตเท่านั้นในไรโบโซม

ไอเดียพวกนี้ถูกพูดถึงอย่างแพร่หลายมากในช่วงปี 1967-68 ซึ่งแปลกประหลาดมาก เพราะโดยส่วนใหญ่คนจะไม่ค่อยให้ความสำคัญกับอาร์เอ็นเอเท่าไร ในตอนนั้น อาร์เอ็นเอถูกมองว่ามีบทบาทแค่เป็นพระรอง เป็นตัวกลางในการส่งผ่านข้อมูลระหว่างดีเอ็นเอกับโปรตีนก็แค่นั้น

แต่ในปี 1967 ก็มีงานวิจัยระดับตำนานผุดขึ้นมา โดยทีมวิจัยของซอล สปิเกลแมน (Sol Spiegelman) ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอย เออร์บานา แชมเปญ ในตอนนั้น ซอลศึกษาไวรัสฆ่าแบคทีเรีย (bacteriophage) ที่มีจีโนมเป็นอาร์เอ็นเอ ที่มีชื่อว่า Q

ซอลแยกจีโนมของไวรัส Q แล้วเอาไปลองใส่เพิ่มจำนวนดูในหลอดทดลองที่มีเอนไซม์สำหรับก๊อบปี้อาร์เอ็นเอไวรัสที่เรียกว่า “เรพลิเคส (replicase)” และสารตั้งต้นในการสร้างอาร์เอ็นเออยู่

ผลปรากฏว่า เขาสามารถเพิ่มจำนวนก๊อบปี้ของอาร์เอ็นเอของไวรัสได้สำเร็จ

ซึ่งที่จริงก็ไม่ได้น่าตื่นเต้นอะไรเท่าไร เพราะมีเอนไซม์ก๊อบปี้อาร์เอ็นเอ มีสารตั้งต้นสำหรับสร้างอาร์เอ็นเออยู่ครบ ใส่อาร์เอ็นเอต้นแบบเข้าไป ก๊อบปี้ออกมาได้ก็เป็นเรื่องปกติ

ซอลรู้อยู่แล้วว่าการก๊อบปี้อาร์เอ็นเอนั้นยังไงก็ได้ผล ที่จริงเขาเริ่มสร้างระบบก๊อบปี้อาร์เอ็นเอนี้ในหลอดทดลองมาตั้งแต่ปี1965 และได้ตีพิมพ์เปเปอร์เผยแพร่งานของเขาออกมาในวารสาร PNAS ไปแล้ว

แต่คำถามวิจัยของซอลไปไกลกว่าเปเปอร์ปี 1965 นั้นมาก เขาไม่ได้อยากจะสร้างระบบที่ก๊อบปี้อาร์เอ็นเอได้อย่างเดียว แต่เขาอยากรู้ว่าระบบของเขาที่มีแค่อาร์เอ็นเอ เอนไซม์ และสารเคมีสามารถที่จะวิวัฒนาการได้หรือไม่…

อีกนัยหนึ่งก็คือ เขาอยากทราบว่า “ระบบที่ไม่มีชีวิตจะวิวัฒนาการได้หรือเปล่า!!??”

เป็นคำถามที่แรงมากในทางชีววิทยา

และเพื่อเป็นการสร้างแรงคัดเลือกสำหรับการวิวัฒนาการในกับระบบของเขา ซอลตัดสินใจลดเวลาในการก๊อบปี้ลง เขาจำกัดเวลาในการทำปฏิกิริยา แล้วแบ่งเอาส่วนหนึ่งไปใส่หลอดใหม่ที่มีเอนไซม์และสารตั้งต้นอยู่ ทำแบบนี้ซ้ำไปเรื่อยๆ

สำหรับซอล เวลาที่จำกัดคือแรงคัดเลือก

ผลที่ได้ออกมาน่าสนใจ เขารายงานว่า “หลังจากการแบ่งถ่ายครั้งที่ 74 จีโนมดั้งเดิมของไวรัสนั้นหายไปมากถึง 83 เปอร์เซ็นต์” จากราวๆ 4200 เบส เหลือแค่ราวๆ 700 เบสเท่านั้น และจากการทดลองในภายหลัง จากการลดเวลาเพิ่มเติมเพื่อคัดเลือก อีกหลายทีมพบว่า สายอาร์เอ็นเอที่เป็นผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ก็จะยิ่งเล็กลงไปอีก ในบางการทดลอง ขนาดอาร์เอ็นเอที่ได้อาจจะเหลือแค่ 400-500 เบสเท่านั้น (และในบางเปเปอร์บอกว่าอาจจะเหลือแค่ราวๆ 200 เบสเลยก็มี)

สรุปคือ เมื่อแรงคัดเลือกคือเวลา อาร์เอ็นเอที่ก๊อบปี้ได้ไวที่สุดก็จะเป็นผู้ชนะ

การทดลองของซอล แม้ว่าจะไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าอาร์เอ็นเออาจจะมีคุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาได้ และยังไม่สามารถฟันธงได้ว่าอาร์เอ็นเอนี่แหละที่น่าจะเป็นโมเลกุลแรกแห่งชีวิต แต่ก็ช่วยชี้ให้เห็นในอีกประเด็นว่า แค่อาร์เอ็นเอเฉยๆ แม้จะไม่มีเซลล์ ไม่มีชีวิตใดๆ ถ้ามีเอนไซม์ สารพันธุกรรม (ก็อาร์เอ็นเอนั่นแหละ) สารตั้งต้น และสภาวะที่เหมาะสม แค่นี้ก็วิวัฒนาการได้

แถมวิวัฒนาการได้ราวกับปีศาจ ในเวลาต่อมา อาร์เอ็นเอจิ๋วที่ซอลค้นพบก็เลยมักถูกเรียกว่า ปีศาจของสปิเกลแมน (Spiegelman’s Monster)

แค่สารเคมียังวิวัฒน์ได้ ระบบในธรรมชาติทำให้เราประหลาดใจได้เสมอ

ในคราวหน้าเราจะมาเล่าถึงเรื่องการค้นพบไรโบไซม์ และไอเดียว่าชีวิตแรกเกิดขึ้นได้อย่างไรต่อกันครับ