วิวัฒนาการที่กำกับได้ (2) : การกำกับวิวัฒนาการในหลอดทดลอง
ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ
ปลายยุคครีเทเชียส เมื่อประมาณ 66 ล้านปีก่อน เทหวัตถุขนาดมหึมาจากอวกาศพุ่งเข้าหาโลกด้วยความเร็วที่มนุษย์ยากจะจินตนาการได้ ก่อนที่จะกระแทกเข้าไปที่บริเวณคาบสมุทรยูกาตัน ในเม็กซิโก (Yucatan Peninsula) ด้วยแรงมหาศาลราวคชสารประสานงา คลื่นกระแทกพุ่งพล่านผ่านอากาศ หินหลอมละลาย พื้นพิภพสะเทือนเลื่อนลั่น ไฟป่าลุกลามในหลายพื้นที่ ฝุ่น เถ้า ละอองพิษแผ่กระจายขึ้นปกคลุมลุกลามไปทั่วชั้นบรรยากาศจนโลกที่เคยสุกสว่างกลับมืดดำราวกับยามสนธยาอันยืดเยื้อ
พืชจำนวนมากไม่อาจสังเคราะห์แสงได้ ห่วงโซ่อาหารเริ่มขาดสะบั้น เมื่อสัตว์กินพืชล้ม สัตว์กินเนื้อก็ขาดเหยื่อ มหาสมุทรแปรปรวน ระบบนิเวศที่เคยยิ่งใหญ่ค่อยๆ พังถล่มลงมา มิต่างไปจากปราสาททรายยามเจอระลอกคลื่นซัดสาด
สัตว์มากมายดิ้นรนเพื่อความอยู่รอด ไดโนเสาร์ซึ่งเคยครองโลกมาเป็นเวลายาวนาน จำต้องสิ้นสุดบทบาทลง เหลือไว้เพียงรอยประทับในชั้นหิน ซากฟอสซิลในพิพิธภัณฑ์ และลูกหลานบางสายที่กระเสือกกระสนจนพอจะรอดชีวิตผ่านกลียุคมาได้
หลังหมอกพิษ เถ้าถ่านเริ่มจางลง ทะเลค่อยๆ ฟื้นลมหายใจ ท้องฟ้าเริ่มกลับมามีแสง สิ่งมีชีวิตที่รอดก็เริ่มเขียนประวัติศาสตร์หน้าใหม่
สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดเล็กที่เคยอยู่ตามเงามืด เริ่มกระจายพันธุ์ ดอกไม้ แมลง นก ปลา และสัตว์ทะเลกลุ่มใหม่ๆ ค่อยๆ เติมสีสันให้โลกอีกครั้ง
ในประวัติศาสตร์โลก เคยมีการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่มาแล้ว 5 ครั้งจากการเปลี่ยนแปลงของพื้นพิภพ ทั้งในช่วงปลายยุคออร์โดวิเชียน ปลายยุคดีโวเนียน ปลายยุคเพอร์เมียน ปลายยุคไทรแอสซิก และปลายยุคครีเทเชียส แต่ละครั้งล้วนเป็นรอยแผลใหญ่ของโลก และเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของเส้นทางชีวิต
หลังการสูญพันธุ์ปลายยุคครีเทเชียส (ที่เรียกว่า ct-extinction หรือ kt-extinction) ฉากใหม่ก็เปิดขึ้น ผู้เล่นอย่างไดโนเสาร์จำต้องอำลาจากเวที ผู้เล่นใหม่อย่างสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมเริ่มก้าวเข้ามาแทนที่ และหนึ่งในสายวิวัฒนาการที่ค่อยๆ เปิดตัวขึ้นอย่างช้าๆ ก่อนที่จะทะยานไปถึงจุดสูงสุดของห่วงโซ่อาหารในเวลาหลายสิบล้านปีต่อมา ก็คือสิ่งมีชีวิตที่เรียกว่า คน หรือ Homo sapiens
และที่น่าตกใจก็คือ ในตอนนี้ ขณะที่เวทีนั้นถูกครอบครองโดย “มนุษย์” เรากำลังเริ่มเห็นสัญญาณครั้งใหม่ที่อาจจะบอกเราเป็นนัยว่ากลียุคครั้งใหม่อาจจะกำลังใกล้เข้ามา สภาวะภูมิอากาศแปรปรวนราวโลกโกรธา ฟ้าพิโรธ ฤดูกาลปรวนแปร สิ่งมีชีวิตมากมายที่มนุษย์รู้จัก (และไม่รู้จัก) เริ่มทยอยสูญพันธุ์ไปจากโลกด้วยอัตราที่รวดเร็วราวไฟลาม
นักวิทยาศาสตร์เริ่มหวาดหวั่นว่านี่อาจจะเป็นสัญญาณที่บ่งบอกเราว่า …หลังจากผ่านไปแล้ว 5 ครั้ง ไม่แน่ ครั้งที่ 6 อาจจะกำลังมา
ที่สำคัญ ต้นเหตุหลัก…ที่ทำให้เกิดวิกฤตโลกนี้ก็ไม่ใช่ใคร… ไม่ใช่โลก ไม่ใช่อุกกาบาต แต่เป็น “คน”
คําว่าแอนโทรโพซีน หรือ Anthropocene จึงถูกใช้เพื่อสื่อว่า มนุษย์กลายเป็นพลังระดับดาวเคราะห์ เราเปลี่ยนวงจรคาร์บอน ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส ป่าไม้ แม่น้ำ มหาสมุทร บรรยากาศ และชะตากรรมของสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ในระดับที่เทียบได้กับแรงทางธรณีวิทยา
ความเสี่ยงจึงเด่นชัด นี่เป็นเรื่องที่น่ากังวล เพราะเวลาที่ม่านเปิดขึ้นอีกครั้ง คงบอกยากว่าตัวละครที่เรียกว่า “คน” นั้นจะยังมีบทบาทให้เล่นอยู่หรือเปล่า…เมื่อสารพัดเพื่อนร่วมยุคที่เคยอยู่ร่วมชะตากรรมกันมาในสภาพแวดล้อมเดียวกันกับเรา เริ่มทยอย say goodbye อำลาเวทีไปแล้วจนนับนิ้วไม่ทัน
แต่ต้องระวังเล็กน้อย เพราะในทางบรรพชีวินวิทยา ยังมีการถกเถียงกันอยู่พอสมควรว่า การใช้คำว่า “การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ครั้งที่หก” นั้นเหมาะสมแล้วหรือไม่
เหตุผลคือ “การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่” หรือ mass extinction ตามความหมายดั้งเดิม มักหมายถึงการสูญเสียชนิดพันธุ์จำนวนมหาศาลในระดับธรณีกาล เป็นเหตุการณ์ที่ทิ้งรอยชัดเจนไว้ในชั้นหินและบันทึกฟอสซิล
จึงเริ่มมีคำถามตามมาว่า ในเวลานี้ โลกของเราถึงเกณฑ์นั้นแล้วจริงหรือยัง
อย่างไรก็ตาม สิ่งที่แทบไม่มีข้อโต้แย้งคือ อัตราการสูญพันธุ์ในปัจจุบันสูงกว่าระดับพื้นหลังตามธรรมชาติอย่างมาก และประชากรของสิ่งมีชีวิตจำนวนมหาศาลกำลังลดลงอย่างรวดเร็วจากกิจกรรมของมนุษย์ ไม่ว่าจะเป็นการทำลายถิ่นอาศัย การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ มลพิษ การล่าเกินขนาด หรือการนำชนิดพันธุ์ต่างถิ่นเข้าไปรบกวนระบบนิเวศเดิม
แต่อย่าลืมว่า แม้เราจะเรียกสิ่งนี้ว่า “การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่” ในความเป็นจริง มันไม่ได้เป็นเพียงฉากจบของชีวิต หากเป็นการเปลี่ยนฉากบนเวทีแห่งการอยู่รอด และเบื้องหลังการเปลี่ยนแปลงนั้น คือแรงผลักดันอันเก่าแก่ที่สุดของโลก นั่นคือ วิวัฒนาการ
ในขณะที่สิ่งมีชีวิตที่เราคุ้นเคยและยังประโยชน์ให้มนุษย์ค่อยๆ สูญหายไป ไปแบบไม่มีวันกลับ แต่สิ่งมีชีวิตอีกมากมายที่เรามองไม่เห็นกำลังซ่อนตัววิวัฒนาการอยู่เบื้องหลังอย่างรวดเร็วในโลกที่ร้อนระอุ และสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนไปและปรวนแปร
เร็วแค่ไหน? คำตอบคือเร็วมาก …และที่จริง ต้องบอกว่าเร็วจนน่ากลัว
ในปี 2016 ทีมวิจัยของรอย คิโชนี (Roy Kishony) จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) ได้เตรียมจานเพาะเชื้อขนาดใหญ่โตมโหฬาร ประมาณโต๊ะตัวเขื่องๆ ภายในจานเพาะเชื้อแบ่งเป็นโซนที่ใส่ยาปฏิชีวนะความเข้มข้นสูงขึ้นเรื่อยๆ ไล่จากขอบจานที่ไม่ใส่ยาเลย เป็นใส่ยา 1 โดส เป็น 10 โดส เป็น 100 โดส เข้าไปตรงกลางจานที่ใส่ยาเข้มข้นที่สุดที่ 1,000 โดส
เมื่อปล่อยแบคทีเรีย E. coli ลงที่ขอบจาน แบคทีเรียเริ่มเติบโตและแผ่ขยายไปในพื้นที่ที่ไม่มียา พอไปชนเขตที่มียาปฏิชีวนะ มันหยุดชะงัก และจำนวนมากก็ตายไป แต่แค่เพียงแป๊บเดียว บางจุดก็มีแบคทีเรียกลายพันธุ์ที่รอดได้ โผล่ขึ้นมาเป็นแนวหน้าใหม่ แล้วขยายเข้าไปในเขตยาที่เข้มข้นกว่าเดิม จากนั้นก็หยุดอีก กลายพันธุ์อีก แล้วทะลุแนวต่อไปอีก… พวกเขาตั้งชื่องานวิจัยนี้ว่า Microbial Evolution and Growth Arena หรือ MEGA-plate
วิดีโอ time-lapse ของ MEGA-plate เป็นฮือฮา เพราะมันเป็นการทำให้สิ่งที่แทบไม่มีใครเคยมองเห็น อย่าง antibiotic resistance หรือการดื้อยาปฏิชีวนะ กลายเป็นสิ่งที่เห็นได้ด้วยตา วิวัฒนาการกำลังเกิดขึ้นตลอดเวลาจากเชื้อแบคทีเรีย E. coli ที่ไม่ดื้อยา กลายเป็นดื้อยาได้ 1,000 โดส ในเวลาแค่เพียง 11 วัน นั่นหมายความว่าโดสเดียวที่เราใช้ในโรงพยาบาลอาจจะไม่ถึง 2 วัน
แรงคัดเลือกมันชัด…การดื้อยา และยิ่งเป็นประเด็นใหญ่ด้วยในปัจจุบัน
ผมนึกย้อนกลับไปถึงการทดลอง Evolution on a Petri Dish ของแบร์รี่ ฮอลล์ (Barry Hall) ที่โชว์ให้เห็นว่าฟังก์ชั่นใหม่ๆ ของเอนไซม์นั้นเกิดมาได้อย่างไร โดยการศึกษาเอนไซม์ ?-Galactosidase ที่กลายพันธุ์ไปจนสูญเสียฟังก์ชั่นในการย่อยน้ำตาลแล็กโทส เพื่อดูว่าการกลายพันธุ์แบบไหนจะทำให้เอนไซม์ Evolved ?-Galactosidase หรือ EBG กลับมาย่อยน้ำตาลได้
ในกรณีของฮอลล์ แรงคัดเลือกของเขาคืออาหาร เขาเติมแค่น้ำตาลแล็กโทสเป็นเเหล่งอาหารหลัก ถ้าย่อยแล็กโทสไม่ได้ก็ไม่โต แรงคัดเลือกของเขาบีบบังคับให้แบคทีเรียที่มีเอนไซม์ที่ใช้งานได้เท่านั้นที่จะอยู่รอดได้
งานวิจัยของฮอลล์สนใจถามว่า เอนไซม์วิวัฒน์ได้ฟังก์ชั่นมาได้อย่างไร
และเราจะออกแบบกระบวนการอย่างไรให้เอนไซม์นั้นมีฟังก์ชั่น
แต่สำหรับฟรานซิส อาร์โนลด์ ผู้ซึ่งผ่านร้อนผ่านหนาวมามากในวงการวิศวกรรมชีวภาพมาอย่างโชกโชน ไม่สนใจว่าเอนไซม์ได้ฟังก์ชั่นมาอย่างไร
แต่สนใจว่าจะทำยังไงให้เอนไซม์นั้นมีฟังก์ชั่นตามที่เธออยากจะให้มันเป็น…และทำงานได้ในสภาวะที่เธอเป็นคนกำหนด
เช่น ในที่อุณหภูมิสูง ตัวทำละลายอินทรีย์ ค่า pH แปลกๆ หรือสารเคมีที่ธรรมชาติไม่เคยเจอ เธอต้องการเป็นคนที่ดีไซน์เอนไซม์เสียใหม่ด้วยหลักวิศวกรรม…
ในยุคนั้น นักวิจัยโปรตีนจำนวนมากเชื่อในแนวคิด rational design หรือการออกแบบอย่างมีเหตุผล กล่าวคือ หากเรารู้โครงสร้างสามมิติของโปรตีน รู้ตำแหน่ง active site และเข้าใจกลไกปฏิกิริยา เราก็น่าจะคาดเดาได้ว่า กรดอะมิโนตำแหน่งใดสำคัญ ตำแหน่งใดช่วยเร่งปฏิกิริยา และควรเปลี่ยนกรดอะมิโนตรงไหนเพื่อทำให้เอนไซม์ทำงานดีขึ้น
ช่างเป็นแนวคิดที่ทะเยอทะยานราวกับมนุษย์กำลังพยายามอ่านพิมพ์เขียวของธรรมชาติ แล้วลงมือแก้ไขมันด้วยตามหลักเหตุและผล
แต่ปัญหาคือ โปรตีนนั้นซับซ้อนจนเกินไป การเปลี่ยนกรดอะมิโนเพียงตำแหน่งเดียวอาจทำให้มันดีขึ้น หรือแย่ลง พับตัวผิด เสถียรขึ้น ไม่เสถียร หรือทำสิ่งที่ไม่มีใครคาดคิด การทำให้เอนไซม์พังนั้นง่ายมาก แต่การทำให้มันดีขึ้นกลับยากเหลือเกิน
อาร์โนลด์เองก็ลอง rational design เหมือนกันแต่แป้ก ไม่เป็นท่า
แต่ด้วยความเป็นสาวแกร่ง เธอไม่ได้กลับไปนั่งน้อยเนื้อต่ำใจ แต่กลับกระตุกให้เธอเริ่มคิดใหม่
เธอมองว่าเราอาจจะยังไม่ฉลาดพอที่จะออกแบบโปรตีนจากศูนย์ แต่ถ้าจะเอากระบวนการวิวัฒนาการมาช่วย บางทีธรรมชาติอาจจะช่วยออกแบบโปรตีนให้เราได้
เกิดเป็นแนวคิด directed evolution หรือวิวัฒนาการแบบกำกับทิศ
วิธีการเรียบง่ายแต่ทรงพลัง เริ่มจากยีนของเอนไซม์ตัวหนึ่ง ทำให้เกิดการกลายพันธุ์แบบสุ่มอย่างควบคุมได้ สร้างเอนไซม์หลายเวอร์ชั่น แล้วคัดเลือกตัวที่ทำงานได้ดีที่สุด จากนั้นเอาตัวชนะไปกลายพันธุ์อีก คัดเลือกอีก ทำซ้ำไปเรื่อยๆ จนคุณสมบัติที่ต้องการค่อยๆ ดีขึ้น จนได้คุณสมบัติที่เธอต้องการจริงๆ
ในปี 1993 อาร์โนลด์ตีพิมพ์งานสำคัญที่พิสูจน์ว่า directed evolution สามารถใช้ปรับปรุงเอนไซม์ได้จริง
เธอนำเอนไซม์ subtilisin E ซึ่งทำหน้าที่ย่อยพันธะเพปไทด์ในโปรตีน มาวิวัฒน์ให้ทำงานได้ดีขึ้นในตัวทำละลายอินทรีย์อย่างไดเมทิลฟอร์มาไมด์ หรือ DMF สภาพแวดล้อมที่ผิดธรรมชาติอย่างยิ่งสำหรับเอนไซม์
หลังผ่านการกลายพันธุ์และคัดเลือกซ้ำหลายรอบ เอนไซม์ที่ได้กลับทนและทำงานใน DMF ได้ดีขึ้นอย่างมาก
นี่จึงเป็นหลักฐานชัดเจนว่า เราไม่จำเป็นต้องออกแบบโปรตีนจากศูนย์เสมอไป
บางครั้งเพียงสร้างความหลากหลาย แล้วปล่อยให้การคัดเลือกทำงาน ธรรมชาติก็ช่วยหาคำตอบที่มนุษย์คิดไม่ถึงได้
ยิ่งไปกว่านั้น การกลายพันธุ์ที่ช่วยให้เอนไซม์ดีขึ้นมักไม่ได้อยู่ในตำแหน่งที่นักเคมีโปรตีนคาดไว้เสมอไป บางครั้งอยู่บนผิวโปรตีน บางครั้งอยู่ไกลจาก active site มาก จนไม่มีใครอธิบายได้ง่ายๆ ว่ามันช่วยอย่างไร
นี่ทำให้เห็นว่า โปรตีนซับซ้อนเกินกว่าที่มนุษย์จะทำนายทั้งหมดได้ล่วงหน้า
นี่คือจุดเปลี่ยนสำคัญ เมื่อรู้ว่าการพยายามเดาคำตอบสุดท้ายตั้งแต่แรก แบบ rational design ไม่เวิร์ก เธอก็ปรับเปลี่ยนแนวคิดในทันที และเริ่มสร้างระบบใหม่เพื่อให้คำตอบค่อยๆ ปรากฏขึ้นผ่านการกลายพันธุ์ การวิวัฒน์ และการคัดเลือก และถ้างานของฮอลล์คือการดูวิวัฒนาการช่วยกู้เอนไซม์พังๆ ให้กลับมามีฟังก์ชั่น งานของอาร์โนลด์คือการจับวิวัฒนาการมาเป็นเครื่องมือวิศวกรรม
ในปัจจุบัน เทคนิคของอาร์โนลด์ถูกนำไปประยุกต์อย่างแพร่หลาย นอกจากในวงการวิจัยแล้ว ยังมีการนำไปต่อยอดเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมอีกมากมาย ตั้งแต่อุตสาหกรรมพลังงานเพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ วัสดุ เคมีภัณฑ์ ไปจนถึงอุตสาหกรรมผงซักฟอกเพื่อสลายคราบไขมันในสภาวะที่เอนไซม์ธรรมดาอาจทนไม่ไหว หรือแม้แต่ในอุตสาหกรรมยา เช่น ในการสังเคราะห์สารเคมีละเอียด การผลิตยาเบาหวานซีตะกลิปติน (sitagliptin) และตัวกลางยาต่างๆ
พลังแห่งวิวัฒนาการช่างทรงพลัง และถ้าคุณสามารถควบคุมมันได้ บางทีคุณอาจสามารถวิศวกรรมเอนไซม์และจักรกลนาโนได้แทบจะดังใจปรารถนา…
งานวิจัยนี้ของฟรานซิส อาร์โนลด์ ทำให้เธอซึ่ง…สอบตกวิชาเคมีตอนที่เรียน คว้ารางวัลโนเบลสาขาเคมีไปครองได้ในปี 2018…
สำหรับผม เธอจึงไม่ได้เป็นเพียงนักวิทยาศาสตร์ผู้ควบคุมพลังของวิวัฒนาการในระดับโมเลกุล แต่ยังเป็นเครื่องเตือนใจว่า คุณค่าของมนุษย์บางครั้งต้องใช้เวลานานกว่าแค่หนึ่งเทอมในการพิสูจน์!!!
