Bio-technology
เทคโนโลยีชีวภาพยุคใหม่ 
“เมื่อมนุษย์
สวมบทพระเจ้า” EP.01

scoop

เรื่อง : ผศ. ดร. ป๋วย อุ่นใจ

คลิป TED Talks “Watch me unveil Synthetic life” ของ เครก เวนเตอร์ (Craig Venter) นักวิจัยระดับตำนานแห่งวงการจีโนมผู้เคยขึ้นปกแทบทุกนิตยสารชั้นนำ มีคนดูแล้วกว่า ๑.๓ ล้านครั้ง และได้รับการแปลเป็นภาษาต่าง ๆ ถึง ๒๕ ภาษา (แต่ยังไม่มีภาษาไทย)

“เรามากันในวันนี้ เพื่อประกาศถึงเซลล์สังเคราะห์เซลล์แรกที่เริ่มขึ้นจากรหัสดิจิทัลในคอมพิวเตอร์ สร้างโครโมโซมจากสารเคมีแค่สี่ขวดประกอบเป็นโครโมโซมในยีสต์แล้วปลูกถ่ายในเซลล์ของแบคทีเรียเพื่อเปลี่ยนให้เซลล์นั้นกลายเป็นแบคทีเรียสปีชีส์ใหม่ของโลกนี่คือสปีชีส์แรกที่เกิดขึ้นบนพื้นพิภพที่สืบเชื้อสายมาจากคอมพิวเตอร์และเป็นสปีชีส์แรกที่มีเว็บไซต์ของตัวเองเข้ารหัสอยู่ในรหัสพันธุกรรม”

การเปิดตัวงานวิจัยใหม่ของเครกทำให้ผู้คนตกตะลึง

วารสาร ดิอีโคโนมิสต์ (The Economist) ถึงขนาดพาดหัวว่า “ในที่สุดมนุษย์ก็สร้างชีวิต (And man made life)” - ในเวลานี้ไม่ใช่เพียง พระเจ้าเท่านั้นที่สร้างสิ่งมีชีวิตใหม่ ๆ ขึ้นมา แค่มนุษย์ขี้เหม็นที่ไม่ได้เป็นอมตะก็ทำได้เช่นกัน

Craig Venter
https://www.britannica.com/biography/J-Craig-Venter

นิตยสาร The Economist 

เครกเป็นข่าวใหญ่มาหลายต่อหลายครั้ง เขาคือหนึ่งในป๊ะป๋าของวงการจีโนม และเป็นแรงผลักเบื้องหลังของโครงการถอดรหัสพันธุกรรมมนุษย์ อภิมหาเมกะโปรเจกต์งานวิจัยทางชีววิทยาในตำนานที่กินเวลายาวนาน อีกทั้งยังใช้ผู้เชี่ยวชาญและงบประมาณบานตะไท ที่ในตอนนี้ได้เปลี่ยนวงการเทคโนโลยีชีวภาพไปแบบที่ไม่มีใครเลยจะจินตนาการถึง

เครกคือผู้ก่อตั้งสถาบันวิจัยจีโนม TIGR (The Institute for Genomic Research) ตั้งแต่ ค.ศ. ๑๙๙๒ 

สมัยเมื่อโครงการถอดรหัสจีโนมมนุษย์ยังเป็นวุ้นอยู่ เครกและเพื่อนร่วมงานระดับนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบล แฮมิลตัน โอ. สมิท (Hamilton O. Smith) วางรากฐานการหาลำดับและการใช้ประโยชน์จากข้อมูลจีโนมของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ แล้ว ทีมวิจัยของ TIGR ถอดรหัสพันธุกรรมสิ่งมีชีวิตไว้มากมาย ทั้งแบคทีเรียและไวรัสก่อโรค เห็ดรา สัตว์ พืช รวมไปถึงโปรโตซัวสำคัญอีกหลายชนิด

แฮมิลตันคือนักวิทยาศาสตร์ในตำนาน เขาคือหนึ่งในผู้ค้นพบเอนไซม์ตัดจำเพาะ (restriction enzyme) ร่วมกับ เวอร์เนอร์ อาร์เบอร์ (Werner Arber) และ แดเนียล นาทานส์ (Daniel Nathans)

เอนไซม์ตัดจำเพาะทำงานเปรียบเสมือนกรรไกรที่จดจำและเข้าตัดสายดีเอ็นเอที่มีรหัสจำเพาะ เอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดจะตัดสายดีเอ็นเอที่รหัสจำเพาะแตกต่างกันไป  การค้นพบเอนไซม์ตัดจำเพาะจึงถือได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นของการปรับแต่งพันธุกรรม ทำให้นักวิทยาศาสตร์เริ่มที่จะออกแบบวิธีการตัดต่อสายดีเอ็นเอตามต้องการ จนสามารถตัดยีนจากสิ่งมีชีวิตหนึ่งมาต่อกับยีนของสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่ง สร้างเป็นสายดีเอ็นเอลูกผสม (recombinant DNA) ได้

และนี่คือต้นกำเนิดของศาสตร์ที่เรียกว่า “พันธุวิศวกรรม (Genetic Engineering)”

จากซ้าย : Hamilton O. Smith, Werner Arber, Daniel Nathans

โครงสร้างของ DNA โครโมโซม ซึ่งอยู่ในนิวเคลียสของเซลล์ DNA ประกอบด้วยหน่วยย่อยสี่ตัวคือ C (cytosine), G (guanine), A (adenine) และ T (thymine) โดยบนสาย DNA C จะจับคู่กับ G (C-G) และ A จับคู่กับ T (A-T)

การทำ genome sequencing หาการเรียงลำดับของ G C T A ในดีเอ็นเอ
 
ลำดับ genome ที่ทำเป็นสีของ G C T A

ด้วยข้อมูลลำดับจีโนมและเอนไซม์ตัดจำเพาะที่หลากหลายนักวิจัยจึงตัดต่อสารพันธุกรรมเพื่อปรับแต่งดัดแปลงสิ่งมีชีวิตให้มีลักษณะเฉพาะ กลายเป็นสิ่งมีชีวิตสายพันธุ์ใหม่ที่อาจมีมูลค่าทางเศรษฐกิจและอุตสาหกรรมได้ เช่น ต้นข้าวโพดที่ถูกตัดต่อเอายีนจากแบคทีเรียเข้าไปใส่ จนผลิตโปรตีนปราบศัตรูพืชขึ้นมาเองได้ แพะที่ถูกปรับแต่งพันธุกรรมจนผลิตโปรตีนใยแมงมุมได้ในน้ำนม หรือแม้แต่ข้าวที่ถูกปรับแต่งจนสังเคราะห์วิตามินดีเพิ่มคุณค่าทางโภชนาการ ไปจนถึงวัคซีนกินได้ (edible vaccine) อย่างเช่นกล้วยที่ผลิตดีเอ็นเอหรือโปรตีนบางอย่างเพื่อกระตุ้นภูมิคุ้มกันต้านเชื้อโรค

ใน ค.ศ. ๑๙๙๘ เครกร่วมก่อตั้งเซเลราจีโนมิกส์ (Celera Genomics) เพื่อธุรกิจค้าขายข้อมูลจีโนมของสิ่งมีชีวิต เซเลราฯ ใช้เทคโนโลยีและเทคนิคใหม่ที่เครกพัฒนาขึ้นมาเรียกว่า shotgun sequencing เพื่อหาลำดับพันธุกรรมของจีโนมมนุษย์  การทำเช่นนี้เหมือนตบหน้าสถาบันสาธารณสุขแห่งชาติ สหรัฐอเมริกา ฉาดใหญ่ เพราะใช้งบประมาณเพียงแค่ราว ๆ ๓๐๐ ล้านดอลลาร์สหรัฐ น้อยกว่าโครงการของรัฐบาลราว ๑๐ เท่า แถมยังทำได้เร็วกว่า

เซเลราฯ ทำให้โครงการจีโนมมนุษย์ประสบความสำเร็จอย่างรวดเร็ว แต่โมเดลธุรกิจของเซเลราฯ ทำให้เกิดข้อพิพาทมากมายในเรื่องของการปิดบังข้อมูลจีโนมบางส่วนเพื่อผลประโยชน์ นักวิเคราะห์หลายคนมองว่าเซเลราฯ ชุบมือเปิบในโครงการถอดรหัสพันธุกรรมมนุษย์แบบไม่แฟร์ เพราะโครงการนี้ริเริ่มโดยรัฐบาลสหรัฐอเมริกา แม้จะดำเนินมาหลายปีด้วยสปีดแบบเต่ากัดยาง แต่ก็เก็บข้อมูลไว้ในฐานข้อมูลสาธารณะแล้วไม่ใช่น้อย

หลังจากโดนโจมตีอย่างหนัก ท้ายที่สุดเซเลราฯ ก็ยอมเปิดเผยรหัสที่พวกเขามีให้นักวิจัยศึกษาและใช้ประโยชน์จากข้อมูลจีโนมที่เป็นจุดพลิกผันสำคัญของวงการเทคโนโลยีชีวภาพ

องค์ความรู้ที่ได้จากโครงการนี้ทำให้มนุษย์เริ่มเข้าใจพิมพ์เขียว ต้นกำเนิดดีไซน์แห่งชีวิต ส่งผลให้นักวิทยาศาสตร์เริ่มมองสิ่งมีชีวิตในอีกแง่มุมหนึ่ง

ปฏิกิริยาชีวเคมีกุมชะตาชีวิต

“ทุกสิ่งมีชีวิตนั้นสร้างขึ้นจากเซลล์ เซลล์คือหน่วยย่อยพื้นฐานแห่งชีวิต”

ถ้าว่ากันตาม “ทฤษฎีเซลล์ (Cell Theory)” ที่ เทโอดอร์ ชวันน์ (Theodor Schwann) และ มัททีอัส ชไลเดน (Matthias Schleiden) เสนอไว้เมื่อ ค.ศ. ๑๘๓๙ ประโยคนี้ยังคงคลาสสิกและถูกต้องแบบยังไม่มีทฤษฎีใดมาแย้งได้

แต่ในยุคโพสต์จีโนมิกส์ (postge-nomic era) - ยุคหลังโครงการจีโนมสำเร็จ - องค์ความรู้เกี่ยวกับพิมพ์เขียวแห่งชีวิตได้ปรับเปลี่ยนแนวคิดและมุมมองเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตเสียใหม่แบบแทบไม่เหลือเค้าเดิม

ในเวลานี้นักชีววิทยายุคใหม่มองสิ่งมีชีวิตอีกมุม มองทะลุถึงปฏิกิริยาชีวเคมีมหาศาลภายในเซลล์ที่ทำงานสอดประสานกันอย่างลงตัว เปรียบเสมือนมโหรีวงใหญ่คอยขับเคลื่อนสิ่งมีชีวิตให้ดำรงอยู่และสืบต่อเผ่าพันธุ์ได้ มากกว่าที่จะมองในมุมของชีวิตแค่นั้น

นิยามของคำว่า “เซลล์” สำหรับหลาย ๆ คนเริ่มเปลี่ยนไปเซลล์อาจเป็นแค่ถุงเก็บสารชีวเคมีที่ห่อหุ้มด้วยเยื่อหุ้มไขมันเท่านั้น และปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์จะควบคุมและขับเคลื่อนทุกสิ่งทุกอย่าง ไม่ว่าจะเป็นพฤติกรรม (behavior), โปรตีนที่แสดงออก (protein expression), ลักษณะที่ปรากฏ (phenotype) หรือแม้แต่ชะตาชีวิตของเซลล์ (cell fate)

โครงการจีโนมมนุษย์ช่วยให้เรียบเรียงลำดับดีเอ็นเอซึ่งเป็นสารพันธุกรรมทั้งหมดที่ควบคุมลักษณะต่าง ๆ ของเซลล์ได้ อีกทั้งยังช่วยให้เห็นภาพชัดเจนว่ากลไกควบคุมชะตาชีวิตพฤติกรรม และการแสดงออกต่าง ๆ ของเซลล์เกิดขึ้นได้อย่างไร

สารเคมีภายในเซลล์นั้นจะเปลี่ยนแปลง เกิดปฏิกิริยาเคมีอย่างเป็นระบบและมีทิศทาง เพื่อที่จะมีชีวิตรอด เซลล์จะต้องควบคุมกระบวนการและปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ให้ได้

การควบคุมปฏิกิริยาเคมีในเซลล์นั้นจะเกิดขึ้นโดยสารชีวโมเลกุลที่เรียกว่าโปรตีน ดังนั้นถ้าใครควบคุมโปรตีนได้ก็จะควบคุมทุกสิ่งทุกอย่างของสิ่งมีชีวิตได้

การควบคุมได้ทุกอย่างนี้คือทุกอย่างจริง ๆ ไม่ว่าจะเป็นความชรา อารมณ์ความรู้สึก หรือแม้แต่พฤติกรรม เรียกว่าบงการได้ราวกับเป็นเทพเจ้าผู้กำชะตาของสิ่งมีชีวิตไว้ในมือเลยทีเดียว

การสังเคราะห์โปรตีนภายในเซลล์

การขนส่งภายในเซลล์ประสาทโดยไคเนซิน

โปรตีนทำหน้าที่เกือบทุกอย่างภายในเซลล์ เป็นโครงสร้างควบคุมการขนส่งสารเคมีต่าง ๆ แต่ที่สำคัญที่สุดคือเป็นจักรกลเพื่อเร่งปฏิกิริยาที่เรียกว่าเอนไซม์ แต่ไม่ใช่โปรตีนทุกตัวจะทำงานเป็นเอนไซม์ การขนส่งสารภายในเซลล์จะเกิดขึ้นได้จากการทำงานของกลุ่มโปรตีนมอเตอร์ (motor protein) เช่น โปรตีนไคเนซิน (kinesin) ที่เดินอยู่บนโครงร่างค้ำจุน (cytoskeleton) ประกอบขึ้นจากโปรตีนคอยลากจูงชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่จำเป็นต้องส่งไปยังบริเวณเป้าหมายต่าง ๆ ภายในเซลล์

เฮโมโกลบินก็เป็นตัวอย่างที่ดีของโปรตีน ที่แม้ไม่ใช่เอนไซม์แต่ก็ทำงานสำคัญไม่แพ้กัน คือช่วยพาออกซิเจนไปยังอวัยวะต่าง ๆ

นอกจากนี้การขนส่งประจุเกลือผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ประสาทเพื่อสร้างความต่างศักย์จนทำให้เกิดการส่งกระแสประสาทภายในสิ่งมีชีวิตจะเกิดขึ้นได้จากการทำงานของโปรตีนในเยื่อหุ้มเซลล์ที่เรียกว่าไอออนแชนเนล (ion channel) และไอออนปั๊ม (ion pump)

อย่างไรก็ตามกระบวนการทางชีวเคมีภายในเซลล์มักจะเกิดโดยการควบคุมเอนไซม์นี้ ถ้าอยากให้เกิดปฏิกิริยาอะไรก็สร้างหรือเปิดสวิตช์ให้เอนไซม์ตัวนั้นทำงาน อยากให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้นก็สร้างเอนไซม์มากขึ้น อยากให้เกิดช้าลงก็สร้างตัวยับยั้งการทำงานของเอนไซม์มาชะลอปฏิกิริยาก็แค่นั้น

หากเข้าใจการควบคุมการทำงานของเอนไซม์ต่าง ๆ ภายในเซลล์ได้ ก็จะบงการให้เซลล์แสดงออกเป็นคุณลักษณะตามประสงค์  ปริศนาแห่งการควบคุมการสร้างเอนไซม์ของเซลล์นั้นซ่อนอยู่ในลำดับของดีเอ็นเอ-สารพันธุกรรมที่เปรียบเสมือนคู่มือการสร้างจักรกลทุกอย่างของเซลล์นั่นเอง

โปรตีนไคเนซิน

การทำงานของเอนไซม์ในการเร่งปฏิกิริยาเพื่อสลายหรือรวมสารเคมี โดยเอนไซม์กับสารเคมีนั้นต้องมีรูปร่างที่เข้ากันได้พอดี เหมือนแม่กุญแจกับลูกกุญแจ

ดังนั้นประเด็นคำถามสำคัญที่ต้องรู้เพื่อจะควบคุมปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ ภายในเซลล์ก็คือ ยีนอะไร การสร้างโปรตีนอะไร และจะส่งผลอย่างไรต่อการควบคุมลักษณะต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต ซึ่งข้อมูลเหล่านี้จะได้จากข้อมูลจีโนมนี่แหละ

ส่วนของการควบคุมการทำงานของเซลล์ประสาทและควบคุมความรู้สึกนึกคิดของสัตว์ทดลองนั้น ใน ค.ศ. ๒๐๐๕ ศาสตราจารย์คาร์ล ดิสเซรอท (Karl Deisseroth) ร่วมกับนักศึกษาปริญญาเอก เอ็ดวาร์ด บอยเดน (Edward Boyden) และ เฟงซาง (Feng Zhang) จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ได้พัฒนาวิธีการตัดต่อสารพันธุกรรมเพื่อปรับเอาโปรตีนไอออนแชนเนลที่ตอบสนองต่อแสงที่เรียกว่าแชนเนลโรดอปซิน (channelrhodopsin) จากสาหร่ายไปใส่ไว้ในเซลล์ประสาทของหนูทดลองเป็นผลสำเร็จ

พวกเขาเริ่มต้นโดยคัดลอกลำดับดีเอ็นเอของยีนสำหรับสร้างโปรตีนแชนเนลโรดอปซินจากจีโนมของสาหร่าย เอาไปฝากไว้กับไวรัสเลนติ (Lentivirus) แล้วใช้ไวรัสนี้เป็นตัวช่วยพาดีเอ็นเอแชนเนลโรดอปซินนำส่งเข้าในเซลล์สมอง เมื่อได้รับยีนแล้วเซลล์สมองของหนูทดลองก็จะผลิตโปรตีนนี้ขึ้นมาได้

คาร์ลเสียบสายไฟเบอร์ออปติกส์ผ่านเข้าไปยังสมองหนูทดลอง การส่องแสงเข้าไปยังเซลล์ที่ได้รับแชนเนลโรดอปซินจะควบคุมการเปิด-ปิดของแชนเนลที่แสดงออกในเซลล์สมองหนูได้ โปรตีนแชนเนลโรดอปซินนี้ตอบสนองต่อแสงสีฟ้า เมื่อนักวิจัยส่องแสงสีฟ้าลงไป โปรตีนแชนเนลโรดอปซินก็จะเปิด ช่องในเยื่อหุ้มเซลล์ช่วยให้ประจุไหลผ่าน เกิดเป็นความต่างศักย์ที่ไปกระตุ้นการส่งกระแสประสาทของเซลล์ประสาทและเมื่อดับไฟ ช่องของแชนเนลโรดอปซินก็จะปิด ทำให้การส่งกระแสประสาทหยุดลง

นั่นหมายความว่าคาร์ลควบคุมการส่งกระแสประสาทในหนูได้เพียงแค่เปิด-ปิดสวิตช์ไฟเท่านั้น

ผลการทดลองนี้เป็นที่กล่าวขวัญถึงกว้างขวาง คลิปยูทูบแสดงผลการทดลองบ่งชี้ชัดว่าแค่เปิด-ปิดไฟ คาร์ลก็ควบคุมพฤติกรรมการกินของหนูได้ชะงัด พอไฟสว่างหนูก็หยิบอาหารมากัดเคี้ยวอย่างเอร็ดอร่อย แต่พอปิดไฟหนูก็ชะงักวางชิ้นอาหารลงและเริ่มเดินสำรวจ  พอเปิดไฟอีกครั้งหนูก็คว้าอาหารตรงหน้าขึ้นมาเคี้ยวกร้วม ๆ เต็มปากอีกแทบจะในทันที

แค่ควบคุมการทำงานของโปรตีนไอออนแชนเนลที่ตัดต่อใส่ลงไปในสมองหนูเพียงชนิดเดียว ทีมของคาร์ลก็ควบคุมพฤติกรรมการกินของหนูทดลองได้โดยไม่ต้องฝึกหนูแม้แต่น้อย พวกเขาเรียกเทคโนโลยีการควบคุมความรู้สึกนึกคิดของหนูด้วยการโคลนโปรตีนสาหร่ายเข้าไปในเซลล์สมองแล้วฉายด้วยแสงสีฟ้านี้ว่าเทคโนโลยี “ออปโตเจเนติกส์ (optogenetics)”

ที่น่าตื่นเต้นยิ่งก็คือ เทคโนโลยีออป-โตเจเนติกส์นี้นอกจากจะควบคุมการแสดงออกทางพฤติกรรมได้โดยตรงแล้ว ยังใช้ควบคุมการแสดงออกทางอารมณ์ของสัตว์ทดลองได้ด้วย

ใน ค.ศ. ๒๐๑๑ ทีมวิจัยของศาสตราจารย์เดวิด เจ. แอนเดอร์สัน (David J. Anderson) จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ได้ทดลองตัดต่อยีนแชนเนลโรดอปซิน-๒ ของสาหร่ายเข้าไปในส่วนเวนโทรมีเดียล ไฮโปทาลามัส (ventromedial hypothalamus) ของหนู แค่เพียงฉายแสงกระทบสมอง หนูทดลองก็โกรธเกรี้ยวขบเขี้ยวขยำวัตถุตรงหน้า และถ้ามีหนูอยู่ในกรงเดียวกัน มันก็จะจู่โจมเพื่อนร่วมกรงแทบจะในทันทีที่ไฟติด

เห็นได้ว่าการปรับแต่งยีนและควบคุมการทำงานของโปรตีนแค่โคลนสารพันธุกรรมของโปรตีนตัวเดียว (แชนเนล-โรดอปซิน) จากสาหร่ายเข้าไปใส่ในเซลล์สมองได้ นักวิจัยก็ควบคุมพฤติกรรมและอารมณ์ของสัตว์ทดลองได้ราวกับบัญชา

optogenetics rat 
การควบคุมหนูโดยการฉายแสง
https://www.the-scientist.com/daily-news/dbs-
with-nanoparticle-based-optogenetics-modifies-
behavior-in-mice-30303

https://recipe-cpsa.com/en/optogenetics-
the-main-tool-for-discovering-brain-function/

พันธุวิศวกรรม
และการรักษาด้วยยีน

ปัจจุบันการโคลนยีนลงในจุลินทรีย์อย่างแบคทีเรียหรือยีสต์ทำได้ง่ายดายในห้องปฏิบัติการ โดยทั่วไปแล้วนักวิทยาศาสตร์จะต้องเอาสารพันธุกรรมมานั่งกะเกณฑ์ให้ดีก่อนว่าตรงไหนบ้างในสายดีเอ็นเอที่สนใจนั้นมีลำดับพ้องกับลำดับตัดเฉพาะของเอนไซม์จำเพาะตัวไหนบ้าง แล้วถ้าจะตัดเอาชิ้นดีเอ็นเอหรือยีนที่ควบคุมลักษณะที่สนใจออกมาจากสิ่งมีชีวิตโดยใช้เอนไซม์ตัดจำเพาะจะต้องใช้เอนไซม์ตัวไหน  เมื่อเลือกได้แล้วก็เอาเอนไซม์ตัดจำเพาะนั้นใส่เข้าไปตัดยีนที่ต้องการออกมา แล้วเอาไปเชื่อมต่อเข้ากับวงแหวนดีเอ็นเอ พาหะวงเล็ก ๆ ที่เรียกว่าพลาสมิด (plasmid) สร้างเป็นวงแหวนดีเอ็นเอลูกผสม (recombinant plasmid) ก่อนนำไปใส่ในเซลล์ของจุลินทรีย์

เมื่อเซลล์ของจุลินทรีย์ได้ยีนเข้าไป แม้ว่าพลาสมิดลูกผสมมักจะลอยอยู่แค่ในไซโทพลาซึมของเซลล์ ไม่ได้แทรกตัวอยู่ในสารพันธุกรรมหลักของเซลล์ที่เก็บอยู่ในนิวเคลียส แต่จักรกลภายในเซลล์ก็ยังอ่านลำดับพันธุกรรมของยีนบนนั้นและสร้างโปรตีนที่เราสนใจออกมาได้ตามลำดับของดีเอ็นเอที่ใส่เข้าไปในพลาสมิด

กระบวนการนี้ทำให้เราสร้างสิ่งมีชีวิตแปลงพันธุกรรม (genetically modified organism) หรือจีเอ็มโอ (GMO) ได้มากมายจนแทบจะจินตนาการไม่หมด ไม่ว่าจะเป็นยีสต์ที่ผลิตโปรตีนอินซูลินสำหรับผู้ป่วยเบาหวาน แบคทีเรียผลิตชิ้นส่วน RBD ของโปรตีนหนามไวรัสโควิด-๑๙ (RBD หรือ receptor binding domain คือบริเวณบนโปรตีนหนามที่ไวรัสโควิด-๑๙ ใช้ยึดจับกับโปรตีนตัวรับ ACE-2 ของมนุษย์เพื่อเริ่มการติดเชื้อ) เพื่อใช้สร้างชุดตรวจระดับภูมิต้านทาน (แอนติบอดี) ที่ร่างกายของผู้รับวัคซีนสร้างขึ้นได้

เมื่อโครงการจีโนมทำให้ทราบถึงรหัสพันธุกรรมของยีนต่างๆ ในมนุษย์ นักวิจัยมากมายจึงคิดจะใช้เทคโนโลยีตัดต่อยีนแบบนี้ในการรักษาโรค  ถ้ายีนผิดเพี้ยนไปจนทำให้เกิดโรค ก็แค่ตัดต่อยีนปรกติใส่เข้าไปทดแทน โรคก็น่าจะทุเลาบรรเทาหรือหายได้ถ้าร่างกายผลิตโปรตีนที่ถูกต้องขึ้นมาทำงาน

แม้ดูเหมือนว่าเทคโนโลยีพันธุวิศว-กรรมก้าวหน้า จนทำให้นักวิทยาศาสตร์ดัดแปลงปรับแต่งสิ่งมีชีวิตได้ดั่งใจปรารถนาแต่ที่จริงแล้วการสร้างจีโนมสายผสมที่หลอมรวมเอาสายดีเอ็นเอสำหรับสร้างโปรตีนที่เราสนใจแทรกเข้าไปในจีโนมของสิ่งมีชีวิตจริง ๆ ได้นั้น ยังทำได้ยากนัก

งานนี้หินกว่าการโคลนยีนเข้าไปในเซลล์จุลินทรีย์อย่างมหาศาล เพราะเราไม่สามารถนำส่งหรือปลูกถ่ายจีโนมของสิ่งมีชีวิตหนึ่งเข้าไปในสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่งได้ง่ายดายแบบเดียวกับการปลูกถ่ายพลาสมิด อีกทั้งจีโนมของสิ่งมีชีวิตมักจะมีขนาดใหญ่โตมโหฬาร (ของคนก็ราว ๓,๐๐๐ ล้านคู่เบส) ซึ่งมีโอกาสที่จะมีลำดับพ้องกับจุดตัดของเอนไซม์ตัดจำเพาะได้ และนั่นหมายความว่าจีโนมถ้าโดนเอนไซม์ที่พ้องหลายจุดก็อาจจะหั่นเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยได้

ปัญหาเรื่องการใช้เอนไซม์ตัดจำเพาะยังไม่จบ เพราะการนำส่งเอนไซม์ตัดจำเพาะและชิ้นส่วนดีเอ็นเอของยีนที่เราสนใจเข้าไปในนิวเคลียสของเซลล์ซึ่งเป็นที่อยู่ของจีโนมของสิ่งมีชีวิตนั้นไม่ใช่เรื่องที่จะทำได้ง่าย ๆ  นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มมองหาสารพาหะที่จะช่วยนำดีเอ็นเอที่สนใจเข้าไปปล่อยไว้ในนิวเคลียสของเซลล์

ไวรัสหลายชนิด เช่น ไวรัสอะดีโน (Adeno-associated virus, AAV) สามารถเข้าติดเชื้อในเซลล์และแทรกซึมได้ถึงนิวเคลียสของเซลล์เพื่อปลดปล่อยสารพันธุกรรมออกมาในนิวเคลียส  ถ้าสารพันธุกรรมที่ใส่เข้าไปมีลำดับคล้ายกันกับรหัสพันธุกรรมในจีโนมของเซลล์มากพอ ก็มีโอกาสที่เซลล์จะแลกเปลี่ยนสารพันธุกรรมในจีโนม (ส่วนที่คล้าย) กับรหัสพันธุกรรมส่วนของยีนบนพลาส-มิดที่ใส่เข้าไป  ถ้าการสอดแทรกยีนเข้าไปในจีโนมของสิ่งมีชีวิตสำเร็จ ร่างกายจะสามารถสร้างโปรตีนปรกติทดแทนที่ขาดหรือผิดเพี้ยน แล้วโรคก็จะถูกรักษา

โรคทางพันธุกรรมอย่างเช่นภาวะเลือดไหลไม่หยุด ฮีโมฟิเลีย (hemophilia) มีสาเหตุจากการขาดหรือมีโปรตีนไม่เพียงพอที่ทำให้เลือดแข็งตัว ในกรณีของฮีโมฟิเลียเอ คือโปรตีนแฟกเตอร์ ๘ (factor VIII)  ส่วนของฮีโมฟิเลียบีคือแฟกเตอร์ ๙ (factor IX) หรือในกรณีของฮีโมฟิเลียซีคือเเฟกเตอร์ ๑๑ (factor XI)

การรักษาที่ง่ายที่สุดก็คือฉีดโปรตีนแฟกเตอร์ที่ขาด เลือดก็จะแข็งตัว แผลก็จะสมานได้

แต่ไม่มีใครรู้ว่าอุบัติเหตุจะเกิดขึ้นเมื่อไร และการพกขวดโปรตีนแฟกเตอร์พร้อมเข็มไปไหนต่อไหนคงไม่ใช่เรื่องที่ทำได้ ไหนจะต้องมีแพทย์ฉีดให้อีก

นักวิจัยจึงเริ่มมองเทคโนโลยีการบำบัดด้วยยีนเป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่น่าสนใจ

แทนที่จะฉีดโปรตีนก็ตัดต่อยีนแฟก-เตอร์ที่ขาดใส่ไวรัสอะดีโนแล้วฉีดเข้าไป ไวรัสอะดีโนจะช่วยนำพาเอาสายดีเอ็นเอ ที่มีลำดับของยีนแฟกเตอร์เข้าไปในนิว-เคลียสของเซลล์กล้ามเนื้อในบริเวณที่ฉีด

สายดีเอ็นเอที่ออกแบบมานอกจากจะมีส่วนของยีนสร้างแฟกเตอร์แล้ว รหัสบริเวณหน้าและหลังของยีนจำเป็นต้องมีลำดับพันธุกรรมตรงพ้องกันกับสายดีเอ็นเอบางส่วนในจีโนม หากตรงพ้องกันมากพออาจเกิดเหตุการณ์ที่สายดีเอ็นเอตรงบริเวณที่พ้องกันในยีนที่ใส่เข้าไปกับในจีโนมของผู้ป่วยจะแลกเปลี่ยนกัน ทำให้สายดีเอ็นเอที่มียีนปรกติจะเข้าไปแทนที่สายดีเอ็นเอที่ผิดปรกติในจีโนม

การปลูกถ่ายยีนแฟกเตอร์ที่ทำงานปรกติเข้าแทนที่ยีนที่ทำงานไม่ได้จะช่วยทำให้เซลล์ของผู้ป่วยสามารถผลิตโปรตีนแฟกเตอร์และหลั่งออกมาในเลือด ช่วยให้เลือดแข็งตัวได้เมื่อมีบาดแผล โดยไม่ต้องฉีดโปรตีนแฟกเตอร์เมื่อบาดเจ็บ

การถ่ายเลือดที่มี AAV เข้าสู่เซลล์ตับเพื่อผลิตโปรตีน factor VIII

ไวรัส AAV นำสายพันธุกรรมของยีนแฟกเตอร์เข้าไปในเซลล์ทำให้เซลล์ผลิตโปรตีน factor VIII

ไวรัส AAV ที่ดีเอ็นเอตัดต่อยีนแฟกเตอร์แล้ว

>

อ่านต่อ EP.02