ชีวิตเกิดขึ้นได้อย่างไร (บนโลกที่ไร้ชีวิต) (5) : อาร์เอ็นเอที่ก๊อบปี้ตัวเองได้

ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 การค้นพบอาร์เอ็นเอที่สามารถ “ตัดตัวเองได้ (self splicing)” ของโทมัส เชค (Thomas Cech) และทีมจากมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ (University of Colorado Boulder) กลายเป็นเหมือน “ยูเรก้า” ที่ดังก้องในวงการวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในหมู่นักบุกเบิกในภารกิจตามล่าเสาะหาโมเลกุลแรกแห่งชีวิต

เพราะการค้นพบของโทมัสและทีมได้แสดงให้เห็นชัดเจนว่า อาร์เอ็นเอนั้นก็สามารถทำงานเป็นเอนไซม์ที่สามารถเร่งปฏิกิริยาได้เช่นเดียวกับโปรตีน

งานนี้ได้เปลี่ยนภาพจำของอาร์เอ็นเอจากแค่ผู้ส่งสารธรรมดา ใน Central Dogma (ที่มักท่องจำกันว่า จากดีเอ็นเอเปลี่ยนให้เป็นอาร์เอ็นเอ และเปลี่ยนต่อให้เป็นโปรตีน) ให้กลายเป็นผู้เล่นที่อาจเป็นโมเลกุลที่เป็นต้นกำเนิดของชีวิต

ประเด็นคือ ในยุคก่อนหน้านั้น ปัญหาใหญ่ของการอธิบายกลไกของการกำเนิดชีวิตก็คือ โมเลกุลแรกต้องมีคุณสมบัติอย่างน้อยสองอย่าง

ข้อแรกคือ ต้องสามารถเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมได้ (genetic information storage)

และข้อที่สองคือ ต้องเร่งปฏิกิริยาเคมีได้ (chemical catalysis)

เพราะหากจะเริ่มต้นวงจรของชีวิต โมเลกุลนั้นต้องสามารถเป็น “แม่แบบ” ให้ตัวเองได้ (self-templating) และที่สำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่ากันก็คือ ต้องช่วยเร่งปฏิกิริยาเคมีเพื่อคัดลอกตัวเอง (self-replication) เพื่อเพิ่มจำนวนได้ด้วย

เมื่อมองผ่านกรอบของ Central Dogma ตัวเลือกหลักมีเพียงแค่สามอย่าง คือ ดีเอ็นเอ อาร์เอ็นเอ และโปรตีน

ดีเอ็นเอ แม้จะยอดเยี่ยม ล้ำเลอค่า ในการเก็บข้อมูล ด้วยระบบเบสคู่สม (A=T, C ?G) ที่แม่นยำ แต่ด้วยโครงสร้างเกลียวคู่ (double helix) ที่ค่อนข้างตายตัว ทำให้ไม่เหมาะกับการสร้างบริเวณเร่งปฏิกิริยา จึงแทบไม่มีบทบาทเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีใดๆ

ในทางตรงกันข้าม โปรตีนมีความยืดหยุ่นสูง สามารถพับตัวเป็นโครงสร้างสามมิติได้หลากหลาย จึงเหมาะแก่การสร้างบริเวณเร่ง หรือ active site ของเอนไซม์เพื่อช่วยในการเร่งปฏิกิริยาเคมีแบบต่างๆ แต่ถ้ามองย้อนกลับไปเรื่อง Self templating โปรตีนกลับเป็นแคนดิเดตที่แย่มากในฐานะโมเลกุลแรกแห่งชีวิต เพราะไม่มีระบบอะไรที่ชัดเจนในการเก็บและถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมเลยแม้แต่น้อย

ดังนั้น เมื่อพิจารณาในเชิงโครงสร้างอย่างละเอียด ดูเหมือนว่าช้อยส์ที่เป็นไปได้จะค่อยๆ ถูกตัดออกไปทีละตัว จนเหลือเพียงแค่อาร์เอ็นเอตัวเดียวที่ “ยังพอมีลุ้น”

อาร์เอ็นเอก็เป็นกรดนิวคลิอิกที่มีระบบเบสคู่สมคล้ายๆ กันกับดีเอ็นเอ (A=U, C?G) จึงสามารถเก็บและถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมได้ใกล้เคียงกับดีเอ็นเอ

ขณะเดียวกัน โครงสร้างสายเดี่ยวของอาร์เอ็นเอค่อนข้างยืดหยุ่นไม่ได้ถูกจำกัดให้ต้องพับตัวเป็นโครงสร้างเกลียวคู่เสมอไปเช่นเดียวกับดีเอ็นเอ แต่สามารถพับตัวเป็นรูปทรงสามมิติที่หลากหลาย ซึ่งทำให้เป็นไปได้ที่จะประกอบสร้างกลายเป็นบริเวณเร่ง หรือ active site ที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาได้

“ข้อมูลทางพันธุกรรมสามารถถูกคัดลอกและส่งต่อได้ หากมีปฏิกิริยาที่ช่วยให้มันเพิ่มจำนวนตัวเองเกิดขึ้น” และถ้าอาร์เอ็นเอสามารถทำได้ทั้ง “เก็บข้อมูล” และ “เร่งปฏิกิริยา” บางทีก็อาจทำหน้าที่เป็นแม่แบบให้ตัวเองได้ และเป็นตัวที่เหมาะที่จะเป็นโมเลกุลแรกแห่งชีวิต

ติดอยู่แค่ว่า ภาพจำแบบเดิมๆ ในทางชีววิทยา ตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพก็คือ “เอนไซม์” ซึ่งก็คือโปรตีน…

“ปัญหาทั้งหมดนี้อาจคลี่คลายได้ หากเพียงอาร์เอ็นเอสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้” เลสลี ออร์เจล (Leslie Orgel) แห่งสถาบันซอล์ค (Salk Institute) กล่าว

ดังนั้น การค้นพบของโทมัสก็เลยเป็นเหมือนจิ๊กซอว์ตัวสำคัญที่ช่วยเชื่อมโยงความสามารถในการเป็นแม่แบบของตัวเองของอาร์เอ็นเอ และการทำงานเป็นเอนไซม์ที่สามารถเร่งปฏิกิริยาได้เช่นเดียวกับโปรตีน พวกเขาเรียกอาร์เอ็นเอที่สามารถเร่งปฏิกิริยาทางเคมีนี้ว่า ไรโบไซม์ (ribozyme)

และเมื่อการการค้นพบ ribozyme จริง ภาพที่เคยเป็นเพียงสมมุติฐานก็เริ่มมีตัวตนขึ้นมา

อาร์เอ็นเอจึงไม่ใช่แค่ “ผู้ส่งสาร” ระหว่างดีเอ็นเอกับโปรตีนอีกต่อไป แต่อาจจะเป็นได้ทั้ง “เนื้อหาของเรื่อง” และ “ผู้เล่นหลัก” ในคราวเดียวกันในยุคแรกของชีวิต

เพราะจากโมเลกุลสามชนิดใน Central Dogma อาร์เอ็นเอคือผู้เล่นเพียงคนเดียวที่ดูเหมือนจะสามารถ “เล่นได้ครบทุกบทบาท” ในฉากเปิดของชีวิตบนโลกใบนี้

ทว่าอาร์เอ็นเอที่โทมัสเจอมันไม่ได้เร่งปฏิกิริยาในการก๊อบปี้ แต่เป็นปฏิกิริยาการตัด ซึ่งเป็นคนละเรื่อง

คำถามต่อมาจึงต้องถามให้ชัดว่า แล้วอาร์เอ็นเอที่สามารถเร่งปฏิกิริยาในการก๊อบปี้ หรือเพิ่มจำนวนตัวเองนั้นที่เรียกว่า อาร์เอ็นเอโพลิเมอเรสไรโบไซม์ (RNA polymerase ribozyme) มีจริงหรือเปล่า

แล้วอาร์เอ็นเอโพลิเมอเรสไรโบไซม์นั้นสามารถก๊อบปี้อาร์เอ็นเอได้ดีแค่ไหน ดีพอที่จะเอามาวิวัฒน์ต่อได้ไหม โดยไม่ผิดเสียจนเสียข้อมูล…

หรือที่เรียกว่าเกิดหายนะจากความผิดพลาด (error catastrophe)

จากการค้นหาในธรรมชาติ จนถึงปัจจุบันยังไม่มีใครพบอาร์เอ็นเอโพลิเมอเรสไรโบไซม์

แต่นั่นก็ไม่ได้หมายความว่าจะเป็นไปไม่ได้ที่จะมีอาร์เอ็นเอบางแบบที่สามารถทำหน้าที่เป็นไรโบไซม์ที่ก๊อบปี้อาร์เอ็นเอได้ และเพื่อค้นหาว่าหน้าตาของอาร์เอ็นเอโพลิเมอเรสไรโบไซม์นั้น ถ้ามีจริง หน้าตาจะเป็นอย่างไร

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 เดวิด บาร์เทล (David Bartel) และแจ็ค โซสแต็ค (Jack Szostak) จากโรงพยาบาลแมสซาชูเซตส์ เจเนรัล (Massachusetts General Hospital) ได้ทำการคัดเลือกอาร์เอ็นเอจากห้องสมุดอาร์เอ็นเอลำดับสุ่ม (random RNA pool) ที่ประกอบไปด้วยสายอาร์เอ็นเอยาวราวๆ สองร้อยยี่สิบเบสที่มีลำดับเบสแบบสุ่มมั่วจนแทบจะไร้รูปแบบที่ออกแบบขึ้นมาในห้องปฏิบัติการ อ้างอิงจากข้อมูลจากเปเปอร์ของเขาในวารสารในปี 1993 ห้องสมุดอาร์เอ็นเอของพวกเขามีความหลากหลายราว “หนึ่งพันหกร้อยล้านล้านแบบ” หรือราวๆ “หนึ่งจุดหกควอดริลเลียน (quadrillion)”

และจากการสำรวจนี้ พวกเขาก็พบไรโบไซม์ชนิดที่ทำหน้าที่เป็นโพลิเมอเรสได้จริงๆ คือสามารถต่อสายอาร์เอ็นเอได้ ตามลำดับอาร์เอ็นเอต้นแบบจริงๆ แม้จะยังทำงานได้ไม่ดีนัก แต่นี่คือก้าวสำคัญ เพราะแสดงให้เห็นว่าอาร์เอ็นเอสามารถทำหน้าที่คล้ายโพลิเมอเรสได้ แม้จะยังไม่สมบูรณ์

อย่างไรก็ตาม ไรโบไซม์ที่พวกเขาเจอยังมีข้อจำกัดสำคัญคือ สามารถต่อสายอาร์เอ็นเอได้แค่ช่วงสั้นๆ แค่หลักสิบถึงยี่สิบเบสเท่านั้น ไม่ได้ยาวมาก แค่ต่อปลายได้แค่นิดๆ หน่อยๆ เท่านั้น ไม่สามารถก๊อบปี้สายอาร์เอ็นเอทั้งเส้นได้

แต่ได้แค่นี้ก็น่าตื่นเต้นมากแล้ว อย่าลืมว่านี่คือไรโบไซม์ตัวแรกที่มนุษย์รู้จักที่สามารถต่อสายอาร์เอ็นเอได้ และถ้ามองว่านี่คือการพิสูจน์หลักการว่า อาร์เอ็นเอสามารถก๊อบปี้อาร์เอ็นเอได้จริงด้วยตัวมันเองโดยไม่ต้องใช้โปรตีนใดๆ มาช่วย ก็ถือว่าทำได้ดีและน่าประทับใจ และนี่คือการเปิดศักราชใหม่ในการศึกษาอาร์เอ็นเอในมุมของต้นแบบโมเลกุลแรกแห่งชีวิต

“การคัดเลือกสายอาร์เอ็นเอราวพันล้านล้านรูปแบบแล้วพบ “สายที่ทำงานได้จริง” ถือเป็นสิ่งที่น่าตื่นเต้นมาก” เดวิดเผย แม้ว่าหนึ่งพันล้านล้าน หรือหนึ่งควอดริลเลียนจะดูเหมือนเป็นตัวเลขที่เยอะ แต่จริงๆ หนึ่งควอดริลเลียนถือเป็นเศษเสี้ยวจิ๋วจ้อยมากถ้าเทียบกับอาร์เอ็นเอที่เป็นไปได้ทั้งหมดที่จะเจอในธรรมชาติ

เพราะถ้าดูความน่าจะเป็นแบบคำนวณเร็วๆ สายอาร์เอ็นเอยาว 220 เบส แต่ละลำดับจะมีความเป็นไปได้ของเบสเป็น 4 แบบ คือ A U C และ G

จะได้สายอาร์เอ็นเอที่เป็นไปได้ที่แตกต่างกันอยู่ราวๆ สี่ยกกำลังสองร้อยยี่สิบ…หรือประมาณสิบยกกำลังร้อยสามสิบสองกับอีกนิดหน่อย (หนึ่งแล้วตามด้วยศูนย์ร้อยสามสิบสองตัวโดยประมาณ)

จินตนาการว่า จากความน่าจะเป็นมหาศาลขนาดนี้ เขาเพิ่งคัดเลือกไปได้แค่สิบยกกำลังสิบห้า ซึ่งถือว่าเป็นส่วนน้อยเล็กจิ๋วจ้อยมากเมื่อเทียบกับความเป็นไปได้ทั้งหมด นั่นหมายความว่าถ้าพวกเขาคัดเลือกเพิ่มก็อาจจะพบเจออาร์เอ็นเอโพลิเมอเรสไรโบไซม์ที่ดี ที่เด็ด ที่มีประสิทธิภาพกว่านี้อีกมากมายมหาศาลก็เป็นได้

ซึ่งหมายความว่า ทฤษฎี RNA world ของวอลเทอร์ กิลเบิร์ต (Walter Gilbert) ที่ว่า “โมเลกุลแห่งชีวิตยุคแรกอาจจะมาจากอาร์เอ็นเอที่ทั้งสามารถเก็บและถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม และสามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีเพื่อช่วยเพิ่มอาร์เอ็นเอได้ในโมเลกุลเดียว” ก็เป็นไปได้…!!!