วิวัฒนาการที่กำกับได้ (1) : เปิดตัววิศวกรสาวสายลุย ฟรานซิส อาร์โนลด์

ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ

ฤดูร้อน ปี 1982 แบร์รี ฮอลล์ (Barry Hall) นักจุลชีววิทยาผู้มีความสนใจในเอนไซม์เป็นพิเศษ จากมหาวิทยาลัยคอนเนทิคัต (University of Connecticut) ได้เขียนบทความ Evolution on a Petri Dish หรือ “วิวัฒนาการในจานเพาะเชื้อ” ตีพิมพ์เผยแพร่ออกมาในหนังสือ Evolutionary Biology (ชีววิทยาวิวัฒนาการ)

บทความนี้เล่าถึงคำถามที่คอยติดตามกวนใจเขามานานว่า “ในกระบวนการวิวัฒนาการ สิ่งมีชีวิตได้ความสามารถใหม่ๆ มาได้อย่างไร?” โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สิ่งมีชีวิตที่ดูเหมือนจะวิวัฒน์มาจนฟิตกับถิ่นที่อยู่อาศัยของตัวเองแล้ว พวกมันจะปรับตัวอย่างไร เมื่อต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมใหม่ที่ต่างไปจากเดิม”

มองเหมือนเกม ก็คือสิ่งมีชีวิตที่เล่นด่านเดิมจนชำนาญแล้ว อยู่ๆ จะปลดล็อกสกิลใหม่ได้ยังไง โดยเฉพาะเมื่อมันต้องถูกโยนเข้าไปในด่านใหม่ สภาพแวดล้อมใหม่ กติกาใหม่ และของกินแบบใหม่ที่ไม่เคยต้องรับมือมาก่อน

และเพื่อไล่ตามคำถามนั้น ฮอลล์ไม่ได้เริ่มจากสัตว์ใหญ่ ไม่ได้เริ่มจากฟอสซิล ไม่ได้เริ่มจากวิวัฒนาการระดับมหากาพย์แบบไดโนเสาร์กลายเป็นนก

แต่เขาย่อจักรวาลของวิวัฒนาการลงมาไว้ในจานเพาะเชื้อใบเล็กๆ มีแบคทีเรีย มีอาหารเลี้ยงเชื้อ

และมีเอนไซม์ตัวหนึ่งเป็นพระเอกที่ชะตากรรมค่อนข้างรันทด

เอนไซม์ตัวนั้นคือเบต้ากาแล็กโทซิเดส หรือ ?-galactosidase

เอนไซม์ที่ช่วยให้แบคทีเรียย่อยน้ำตาลแล็กโทสได้

ปกติแล้วมันคือเครื่องมือทำมาหากินชั้นดีของแบคทีเรีย เจอแล็กโทสเมื่อไรก็จัดการหั่น แปรรูป แล้วเอาไปใช้สร้างพลังงานได้

แต่ฮอลล์อยากรู้ว่า ถ้าเครื่องมือนี้พังไปแล้ว มันจะกลับมาทำงานได้อีกไหม

ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1970 เขาใช้เวลาหลายปีเพื่อสร้างระบบทดลองขึ้นมาในแบคทีเรีย Escherichia coli โดยทำให้ยีนของเอนไซม์นี้ค่อยๆ สะสมการกลายพันธุ์ในแบคทีเรีย

จนเอนไซม์ที่เคยทำงานได้ กลายเป็นเอนไซม์ที่หมดสภาพ ย่อยสลายน้ำตาลแล็กโทสไม่ได้อีกต่อไป

คือแม้แบคทีเรียยังผลิตมันออกมาเหมือนเดิม แต่เอนไซม์ที่ได้ออกมาทั้งหมดกลับกลายเป็นของตกเกรด เป็นเหมือนเครื่องปั่นที่เสียบปลั๊กแล้วมีไฟติด แต่ใบมีดไม่หมุน ผลิตไปก็เปลืองพลังงาน ทำงานจริงไม่ได้ไม่ต่างอะไรกับซากเครื่องจักรในโรงงานชีวภาพ

จากนั้นฮอลล์สร้างเวทีคัดเลือกอันโหดร้ายขึ้นมา เขาเอาแบคทีเรียที่มีเอนไซม์พังๆ ไปเลี้ยงในสภาพแวดล้อมที่มีแล็กโทสเป็นแหล่งอาหารหนึ่งเดียว

เปรียบก็คือ เหมือนบนโต๊ะอาหารมีอยู่เมนูเดียว ถ้ากินเมนูนี้ไม่ได้ก็จบ พูดง่ายๆ คือ ถ้าย่อยแล็กโทสไม่ได้ก็อดตาย ไม่มีแผนสำรอง หรืออาหารทางเลือก มีแต่แล็กโทสกองอยู่ตรงหน้าและชะตากรรมที่รออยู่

แบคทีเรียส่วนใหญ่จึงไปต่อไม่ได้ เพราะเอนไซม์ของมันย่อยแล็กโทสไม่ได้ แต่ในโลกของจุลชีพ ประชากรมีจำนวนมหาศาล การกลายพันธุ์เกิดขึ้นตลอดเวลา

และบางครั้งความผิดพลาดเล็กๆ ในดีเอ็นเอก็กลายเป็นตั๋วรอดชีวิต

แบคทีเรียบางกลุ่มเริ่มมีการกลายพันธุ์ใหม่ๆ ทำให้เอนไซม์ซึ่งเคยพัง กลับมาทำงานได้อีกครั้ง

อาจไม่ได้กลับมาดีเลิศล้ำเหมือนของเดิมในทันที แต่อย่างน้อยก็พอจะย่อยแล็กโทสได้ พอให้มีแรง พอให้แบ่งเซลล์ พอให้มีลูกหลาน และเมื่อตัวที่รอดแบ่งเซลล์มากขึ้น ความสามารถใหม่นี้ก็ถูกส่งต่อไปในประชากร

ฮอลล์เรียกระบบเอนไซม์ที่ฟื้นคืนฟังก์ชั่นนี้ว่า Evolved ?-Galactosidase หรือ EBG

แปลตรงๆ ได้ว่า “เบต้ากาแล็กโทซิเดสที่วิวัฒน์ขึ้นมา”

สิ่งที่น่าสนใจมากที่ฮอลล์ได้เรียนรู้จาก EBG ก็คือ การฟื้นคืนชีพของเอนไซม์ไม่ได้เกิดขึ้นด้วยเส้นทางเดียว

วิวัฒนาการไม่ใช่ GPS ที่บอกว่า “อีก 300 เมตร เลี้ยวซ้าย แล้วคุณจะได้เอนไซม์ใหม่” แต่มันเหมือนการเดินเข้าป่า บางทางเป็นทางลัด บางทางเป็นทางอ้อม บางทางเหมือนจะตันแต่ดันมีรูรอด และบางทางพาไปเจอความสามารถที่ไม่เคยตั้งใจจะหาแต่แรก

ฮอลล์พบว่า การกลายพันธุ์ต่างชุดกันสามารถทำให้เอนไซม์กลับมาย่อยแล็กโทสได้เหมือนกัน นั่นแปลว่า ปัญหาเดียวกันอาจมีคำตอบได้หลายแบบ และธรรมชาติก็ไม่ได้เลือกจากความสวยงามตามตำรา แต่เลือกจากคำถามง่ายๆ ว่า “แบบไหนรอด”

บางกรณียิ่งน่าสนใจกว่านั้น เพราะเอนไซม์ไม่ได้แค่กลับมาทำงานเดิมได้ แต่เริ่มมีความสามารถใหม่ๆ เช่น ย่อยสารตั้งต้นแปลกๆ ที่เอนไซม์เดิมไม่เคยถนัดมาก่อน

ตรงนี้เองที่งานของฮอลล์กลายเป็นสะพานสำคัญไปสู่งานของนักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งในเวลาต่อมา คนที่ไม่ได้แค่ “สังเกต” วิวัฒนาการในจานเพาะเชื้อ แต่ตัดสินใจจะ “ใช้” วิวัฒนาการเป็นเครื่องมือออกแบบโลกใหม่

เธอคนนั้นคือ ฟรานเซส อาร์โนลด์ (Frances Arnold)

อาร์โนลด์เกิดในปี 1956 ที่เมืองพิตต์สเบิร์ก รัฐเพนซิลเวเนีย เติบโตมาในครอบครัวที่ใกล้ชิดกับโลกวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมมากๆ พ่อของเธอเป็นนักฟิสิกส์นิวเคลียร์

แต่ชีวิตของอาร์โนลด์ไม่ได้เดินตามเส้นทางนักวิทยาศาสตร์แบบเรียบร้อยตั้งแต่ต้น เธอเป็นคนหัวแข็ง ชอบตั้งคำถาม และไม่ค่อยยอมให้ใครบอกว่าอะไรเป็นไปไม่ได้ง่ายๆ

ตอนเป็นวัยรุ่น เธอถึงขั้นออกจากบ้านไปใช้ชีวิตด้วยตัวเอง ทำงานสารพัดเพื่อส่งตัวเองเรียน

ตั้งแต่อายุ 14 ปี เธอก็เป็นพนักงานตักอาหารกลางวันแล้ว พออายุ 15 ปี ก็เลื่อนขั้นมาเป็นผู้ช่วยร้านพิซซ่า อายุ 16 มาเป็นเสมียนห้างสรรพสินค้า เป็นพนักงานต้อนรับ และพออายุ 17 ปี ก็เป็นพนักงานเสิร์ฟบาร์ค็อกเทล ซึ่งจริงๆ เธอไม่ควรทำได้

เธอเล่าว่า ในตอนนั้นเธอโกงอายุ บอกว่าอายุ 22 ปี และต่อมาก็เป็นโชเฟอร์รถแท็กซี่…

อาร์โนลด์เข้าเรียนที่มหาวิทยาลัยพรินส์ตัน (Princeton University) ในปี 1974 สาขาวิศวกรรมเครื่องกลและอวกาศ (Mechanical and Aerospace Engineering) เธอเล่าว่า ไม่รู้ว่าทำไมกรรมการถึงเลือกเธอเข้าไปเรียน

บางทีอาจจะเป็นเพราะในตอนนั้นมีผู้หญิงเรียนวิศวะน้อย หรืออาจจะเป็นเพราะความเรียงที่เธอเขียนส่งไปมันดีเลิศประเสริฐ

หรือบางทีก็อาจจะเป็นเพราะคุณพ่อของเธอจบปริญญาเอกที่นั่นและรู้จักคณบดี

แต่ไม่ว่าจะอย่างไร ในท้ายที่สุด เธอก็ได้เข้าไปเรียน และเริ่มปรนเปรอตัวเองด้วยศาสตร์ต่างๆ

เธอเล่าว่า ทุกวิชาเลิศเลอเพอร์เฟ็กต์สำหรับเธอ ไม่ว่าจะเป็นภาษาอิตาลี เศรษฐศาสตร์ ทฤษฎีสังคม ภาษารัสเซีย ประวัติศาสตร์ศิลปะ คณิตศาสตร์ หรือแม้แต่ฟิสิกส์…

แต่มีวิชาเดียวที่เธอไม่ชอบ และเกรดของมันก็ไม่ค่อยจะชอบเธอเท่าไร นั่นก็คือ “เคมี”

(ซึ่งเป็นอะไรที่พิลึกกึกกือ เพราะรางวัลโนเบลที่เธอพิชิตมาได้ในปี 2018 คือ สาขาเคมี)

อาร์โนลด์เล่าว่า ในตอนนั้นเธอยังรับงานโชเฟอร์แท็กซี่อยู่ เพราะเธอติดเที่ยว เธอเป็นสายลุย และที่เธอต้องขับแท็กซี่ก็เพื่อจะได้เอามาซื้อตั๋วเครื่องบินราคาถูก ที่บางคนเรียกตั๋วตาแดง แบบรอต่อคิวซื้อตั๋วตอนตี 4 และขึ้นเครื่องตอนเที่ยงคืน เพื่อที่จะบินไปตะลอนทัวร์ในที่ต่างๆ เช่น ลอนดอน อิตาลี หรือปารีส ในราคาไม่ถึงร้อยเหรียญ (ราวๆ สามพันห้าร้อยบาท)

ในสองปีแรก อาร์โนลด์ใช้ชีวิตวัยรุ่นอย่างคุ้มค่า แนว work hard play harder

แต่พอถึงปีสาม ความสนใจของเธอก็เริ่มเปลี่ยน วิชาขั้นสูงของพรินส์ตันที่ค่อนข้างท้าทายทำให้เธอรู้สึกฮึกเหิมและอยากเรียน

ในตอนนั้นเธอโดดเด่นมากในเรื่องคณิตศาสตร์และวิศวกรรม

…เธอเล่าว่า ในช่วงที่เธอยังเรียนอยู่นั้นมีวิกฤตพลังงานเกิดขึ้น และด้วยที่ปรึกษาของเธอที่พรินส์ตันสนใจเรื่องพลังงานทางเลือก และปลูกฝังเมล็ดพันธุ์แห่งความสนใจนี้ให้เธอ

อาร์โนลด์ก็เลยสนใจพลังงานทดแทนและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสิ่งแวดล้อมไปด้วย

เธอเรียนจบพรินส์ตันในสาขาวิศวกรรมเครื่องกลและอวกาศ พร้อมเกียรตินิยม ในปี 1979

หลังจากจบ เธอแบกเป้ออกแบ็กแพ็กกิ้งอีกครั้ง

คราวนี้ไปทัวร์เอกวาดอร์ ต่อไปยังบราซิล ที่ซึ่งเธอได้เข้าฝึกงานกับศาสตราจารย์โฮเซ่ โกลเดมเบิร์ก (Jose Goldemberg) นักวิทยาศาสตร์ที่มีบทบาทสำคัญในการก่อตั้งโครงการเชื้อเพลิงเอทานอลที่โด่งดังของบราซิล

และต่อมาเขาก็ได้เป็นรัฐมนตรีสิ่งแวดล้อมของบราซิล ซึ่งทำให้เธอยิ่งมองเห็นความสำคัญ และยิ่งสนใจในเทคโนโลยีพลังงานมากขึ้นไปอีก

และหลังจากทัวร์เปรูและประเทศใกล้เคียงในทวีปอเมริกาใต้ต่อจนหนำใจ อาร์โนลด์ก็เดินทางกลับสหรัฐ ในตอนนั้นเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์เป็นอะไรที่น่าตื่นเต้นในวิกฤตพลังงาน

เธอตัดสินใจเริ่มทำงานแบบจริงๆ จังๆ ที่แรกที่สถาบันวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Energy Research Institute) ในโคโลราโด ซึ่งในปัจจุบันก็คือ ห้องทดลองพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ (National Renewable Energy Laboratory)

แต่ยังทำงานได้ไม่ถึงปี ก็มีการเปลี่ยนขั้วทางการเมือง และมีการรื้อนโยบายพลังงาน

ไฟสปอตไลต์ที่เคยส่องไปยังเทคโนโลยีพลังงานทางเลือกในยุคประธานาธิบดีจิมมี่ คาร์เตอร์ (Jimmy Carter) ก็ค่อยๆ หรี่ลง รัฐบาลใหม่ของโรนัลด์ แรแกน (Ronald Reagan) เชื่อว่า ตลาดควรตัดสินเองว่าเทคโนโลยีไหนควรอยู่ เทคโนโลยีไหนควรไป งบด้านโซลาร์และพลังงานหมุนเวียนจึงถูกเฉือนลงอย่างหนัก

มีรายงานว่าทาง SERI ที่อาร์โนลด์ทำงานอยู่นั้น ถูกตัดงบไปมากกว่าครึ่ง

สำหรับอาร์โนลด์ที่เพิ่งเริ่มต้นชีวิตนักวิจัยด้านพลังงานแสงอาทิตย์ นี่เหมือนเพิ่งเดินเข้าห้องแล็บได้ไม่นาน แล้วมีคนเดินมาล็อกกลอนประตู แล้วบอก หยุดเถอะ ไม่ต้องไปต่อ

เริ่มเห็นทางตันในการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ อย่างน้อยก็ในช่วงนั้น …อาร์โนลด์ต้องใช้กลยุทธ์ใหม่ เธอตัดสินใจถอยเพื่อรอรุก และเริ่มยื่นใบสมัครเพื่อหาที่เรียนต่อ ได้รับอิทธิพลส่วนหนึ่งมาจากโกลเดมเบิร์ก ในตอนนั้นสิ่งที่เธอสนใจมากที่สุดคือเชื้อเพลิงเซลลูโลสิก หรือการเปลี่ยนวัสดุชีวมวลอย่างพืช เศษไม้ หรือของเหลือทางการเกษตร ให้กลายเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งทั้งท้าทายและน่าสนใจ

เพราะถ้าทำได้สำเร็จและคุ้มค่า (ซึ่งยากมาก) มนุษย์อาจมีพลังงานหมุนเวียนที่ลดการพึ่งพาน้ำมันแบบเดิมไปมากโข

ด้วยภูมิหลังที่เน้นวิศวกรรมเครื่องกล และด้วยเกรดที่ไม่ค่อยเป็นมิตรของวิชาเคมี… การสมัครเข้าเรียนต่อในสายวิศวกรรมเคมีสำหรับอาร์โนลด์จึงไม่ใช่เรื่องง่าย

แต่แล้วก็มีมหาวิทยาลัยหนึ่งที่บ้าบิ่นพอที่จะรับวิศวกรเครื่องกลสาวเข้าไปเรียนปริญญาเอกในสาขาวิศวกรรมเคมี ที่นั่นก็คือ มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์ (University of California Berkeley)

แต่แล้วประวัติศาสตร์ก็เล่นมุขเดิมอีกครั้ง เพราะเมื่อเธอเข้าไปถึงเบิร์กลีย์ นโยบายภาครัฐด้านพลังงานก็ยิ่งวิกฤต ทุนวิจัยด้านพลังงานทางเลือกเริ่มถดถอยอย่างรวดเร็ว สิ่งที่เคยดูเหมือนเป็นกระแส เดินทางไหนก็ไฟเขียว กลับกลายเป็นถนนที่มีแต่ป้าย “งบหมด โปรดใช้เส้นทางอื่น” อยู่เต็มไปหมด

อาร์โนลด์จึงไม่มีทางเลือกมากนัก นอกจากต้องยอมเปลี่ยนสาย

และก็พอดี ในตอนนั้นก็มีฮาร์วีย์ แบลนช์ (Harvey Blanch) ศาสตราจารย์คนใหม่ผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีชีวภาพ เพิ่งถูกดึงเข้ามาอยู่ที่เบิร์กลีย์

ประกอบกันกับกระแสไบโอเทคบูมในตอนนั้นพอดี อาร์โนลด์ตัดสินใจเข้าร่วมกับแบลนช์และเริ่มศึกษาชีวเคมีอย่างจริงจัง

หลังจากที่เรียนจบ เธอก็เริ่มหางาน เธอสมัครไปหลายที่ ในใจอยากเป็นอาจารย์ และพอมีหลายที่ตอบรับ เธอก็ตัดสินใจเลือกไปเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัยมินนิโซตา (University of Minnesota) เพราะแรงก์ท็อปสุดในสายวิศวกรรมเคมี

แต่ชีวิตก็พลิกผันอีกครั้งเมื่อเธอได้พบกับเจย์ เบลีย์ (Jay Bailey) ศาสตราจารย์ผู้โด่งดังด้านวิศวกรรมชีวเคมี หนึ่งในผู้บุกเบิกศาสตร์ด้านวิศวกรรมเมตาโบลิซึม จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (California Institute of Technology) หรือที่มักเรียกกันสั้นๆ ว่าแคลเท็ก (Caltech) การพบกันครั้งนั้น ทำให้หญิงแกร่งอย่างอาร์โนลด์ยอมเปลี่ยนใจ ไม่ไปแล้วมินนิโซตา แต่ไปแคลเท็กแทน และในเวลาไม่ช้าไม่นาน เธอก็เข้าสู่ประตูวิวาห์กับเบลีย์

ห้องแล็บของอาร์โนลด์ที่แคลเท็กสนใจงานด้านวิศวกรรมโปรตีน เธออยากทำให้ “วิศวกรรมโปรตีน” โดดเด่น…เป็นที่สนใจในเชิงอุตสาหกรรม

แต่ความยากอยู่ที่โปรตีน… โปรตีนคือเอนไซม์ มันทำงานได้สารพัด จิปาถะ ร้อยแปดพันเก้า ตั้งแต่ช่วยตรวจระดับน้ำตาลในเลือด ไปจนถึงช่วยขจัดคราบสกปรกบนเสื้อผ้า แต่เมื่อจะเอาโปรตีนเหล่านี้ไปใช้ในอุตสาหกรรมจริงๆ ปัญหาก็ผุดขึ้นมาเป็นขบวน

ทำไมน่ะหรือ เพราะว่าโปรตีนส่วนใหญ่จะทำงานได้ดีเฉพาะในสภาพแวดล้อมธรรมชาติของมันเท่านั้น เมื่อมีการเปลี่ยนอุณหภูมิ เปลี่ยนค่า pH ใส่ตัวทำละลาย เติมสารเคมี หรือเอาไปอยู่ในกระบวนการผลิตอุตสาหกรรม มันก็มักทำงานแย่ลง เสื่อมสภาพ หรือหยุดทำงานไปดื้อๆ

วิศวกรจึงต้องสร้างระบบขึ้นมาเพื่อประคบประหงมโปรตีนเหล่านี้อย่างยุ่งยาก ต้องคิดวิธีแยกให้บริสุทธิ์ เก็บรักษา ใช้งาน และป้องกันไม่ให้มันพัง ราวกับต้องสร้างเครื่องจักรใหญ่โตขึ้นมาเพื่อดูแลโมเลกุลขี้งอนตัวหนึ่ง

แต่อาร์โนลด์มองปัญหานี้กลับด้าน แทนที่จะออกแบบกระบวนการอุตสาหกรรมให้คอยเอาใจโปรตีน เธออยากออกแบบโปรตีนให้ปรับตัวให้เข้ากับกระบวนการทางอุตสาหกรรมให้ได้

และนี่คือจุดเปลี่ยนทางความคิดที่สำคัญ…

คราวหน้าเราจะมาเล่าให้ฟังกันต่อถึง “เทคโนโลยีการกำกับวิวัฒนาการ (directed evolution) งานวิจัยพลิกโลกของอาร์โนลด์ที่นอกจากจะช่วยวางรากฐานทางด้านชีววิทยาสังเคราะห์แล้ว ยังช่วยทำให้เธอได้โนเบลมาครอบครองแบบสวยๆ อีกด้วย