×
128118

3 นักวิทย์ผู้ปฏิวัติวงการเคมีด้วยกระบวนการวิวัฒนาการ คว้ารางวัลโนเบลสาขาเคมี 2018

04.10.2018
  • LOADING...

HIGHLIGHTS

4 MINS READ
  • รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2018 ตกเป็นของนักวิทยาศาสตร์ 3 ท่านที่อาศัยหลักการทางวิวัฒนาการมาพัฒนาเอ็นไซม์และแอนติบอดี้ให้มีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้น
  • วิวัฒนาการคือกระบวนการสำคัญที่ทำให้สิ่งมีชีวิตปรับตัวให้เข้ากับสิ่งแวดล้อม สิ่งมีชีวิตที่ไม่เหมาะสมกับธรรมชาติแวดล้อมก็ไม่อาจอยู่รอดได้ ส่งผลให้กลุ่มที่เหมาะสมกว่าได้สืบเผ่าพันธุ์เพิ่มจำนวนตัวเองต่อไปเรื่อยๆ
  • คำถามคือจะเกิดอะไรขึ้นหากนักวิทยาศาสตร์ลอกเลียนหลักการนี้มาใช้กับการออกแบบสารเคมีในอุตสาหกรรมอย่างเอ็นไซม์และในทางการแพทย์อย่างแอนติบอดี้

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2018 ตกเป็นของนักวิทยาศาสตร์ 3 ท่านที่อาศัยหลักการทางวิวัฒนาการมาพัฒนาเอ็นไซม์และแอนติบอดี้ให้มีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้น

 

รางวัลครึ่งแรกถูกมอบให้กับ ฟรานเซส อาร์โนลด์ (Frances Arnold) แห่งสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (California Institute of Technology) สหรัฐอเมริกา สำหรับการพัฒนาเอ็นไซม์ด้วยกระบวนการวิวัฒนาการอย่างมีทิศทาง (Directed Evolution of Enzyme)

 

ส่วนอีกครึ่งหนึ่งมอบให้กับนักวิทยาศาสตร์ 2 ท่านได้แก่ จอร์จ สมิธ (George Smith) มหาวิทยาลัยมิสซูรี สหรัฐอเมริกา และเซอร์ เกรกอรี วินเทอร์ (Sir Gregory Winter) จากห้องปฏิบัติการชีววิทยาระดับโมเลกุลแห่งสภาวิจัยการแพทย์ (Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology) ประเทศอังกฤษ ในฐานะผู้ร่วมพัฒนาเปปไทด์และแอนติบอดี้ด้วยเทคนิคเฟจดิสเพลย์ (Phage Display of Peptides and Antibody)

 

วิวัฒนาการคือกระบวนการสำคัญที่ทำให้สิ่งมีชีวิตปรับตัวให้เข้ากับสิ่งแวดล้อม สิ่งมีชีวิตที่ไม่เหมาะสมกับธรรมชาติแวดล้อมก็ไม่อาจอยู่รอดได้ ส่งผลให้กลุ่มที่เหมาะสมกว่าได้สืบเผ่าพันธุ์เพิ่มจำนวนตัวเองต่อไปเรื่อยๆ

 

คำถามคือจะเกิดอะไรขึ้นหากนักวิทยาศาสตร์ลอกเลียนหลักการนี้มาใช้กับการออกแบบสารเคมีในอุตสาหกรรมอย่างเอ็นไซม์และในทางการแพทย์อย่างแอนติบอดี้

 

จากวิศวกรเครื่องกลสู่วิศวกรเอ็นไซม์

ราวๆ 40 ปีก่อน ฟรานเซส อาร์โนลด์ ทำงานเป็นวิศวกรเครื่องกล

 

เธอมุ่งหวังที่จะเปลี่ยนอุตสาหกรรมยาและเคมีแบบดั้งเดิมที่เต็มไปด้วยตัวทำละลาย โลหะหนัก สารพิษกัดกร่อน ไปสู่การใช้เอ็นไซม์เพื่อสังเคราะห์สารต่างๆ โดยให้เกิดของเสียน้อยที่สุด

 

เอ็นไซม์คือตัวเร่งปฏิกิริยาที่พบในสิ่งมีชีวิต มันทำให้ปฏิกิริยาเคมีที่เดิมทีเกิดขึ้นได้ช้าราวเต่าคลานดำเนินไปได้อย่างรวดเร็วชั่วพริบตา

 

ส่วนประกอบหลักของเอ็นไซม์คือกรดอะมิโนนับพันโมเลกุลที่มาเรียงตัวกันด้วยลำดับที่แน่นอนคล้ายกับตัวอักษรที่ร้อยเรียงต่อกันจนเกิดเป็นวรรณกรรมชิ้นเอก

 

แม้ในปัจจุบันที่วิทยาการทางคอมพิวเตอร์ล้ำหน้าไปมากก็ยังยากที่จะคำนวณว่าควรจะเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเอ็นไซม์ในรูปแบบใดเพื่อนำไปใช้เร่งปฏิกิริยาตามที่ต้องการ แต่ธรรมชาตินั้นมีเครื่องมือวิเศษชิ้นหนึ่งที่รอให้นักเคมีหยิบยืมไปใช้ นั่นก็คือวิวัฒนาการ

 

วรรณกรรมจะเกิดขึ้นไม่ได้หากไม่มีผู้ประพันธ์ เช่นเดียวกับที่เอ็นไซม์แต่ละชนิดจะเกิดขึ้นไม่ได้หากไม่มียีนมาเป็นตัวควบคุม ดังนั้นหากเราดัดแปลงพันธุกรรมแบคทีเรียโดยเหนี่ยวนำให้มันเกิดการกลายพันธุ์แบบมั่วๆ แบคทีเรียก็จะผลิตเอ็นไซม์ที่เกิดความหลากหลายด้าน

 

โครงสร้างขึ้นมา เอ็นไซม์บางตัวอาจทำงานได้ดีขึ้น ในขณะที่บางตัวทำงานได้แย่ลง จากนั้นเราก็เพียงแต่คัดเลือกเอ็นไซม์ที่ต้องการโดยดูจากความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาและความจำเพาะกับสารตั้งต้น

 

หากยังไม่พอใจกับผลลัพธ์ที่ได้ในรอบแรก นักวิทยาศาสตร์ก็เพียงแต่ทำซ้ำแบบนี้อีกไม่กี่รอบ กระบวนการวิวัฒนาการอย่างมีทิศทางนี้จะช่วยคัดเลือกเอ็นไซม์ที่เหมาะสมที่สุดให้เอง

 

ทิศทางการปรับตัวของสิ่งมีชีวิตขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม ส่วนทิศทางของรูปร่างเอ็นไซม์ในห้องทดลองขึ้นอยู่กับความต้องการของมนุษย์

 

ช่วงแรกฟรานเซสทุ่มความสนใจไปที่เอ็นไซม์ซับทิลิซิน (Subtilisin) ซึ่งใช้ย่อยโปรตีนในน้ำนม หลังจากดำเนินการคัดเลือกเพียง 3 รอบ เธอก็ได้เอ็นไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาได้เร็วขึ้นกว่าเดิมถึง 256 เท่า! โดยเอ็นไซม์ที่ได้เกิดการกลายพันธุ์ที่ต่างไปจากจุดเริ่มต้นถึง 10 ตำแหน่ง ลำพังมนุษย์เราคงไม่อาจสร้างเอ็นไซม์นี้ขึ้นมาได้ สิ่งที่ไม่เคยมีมาก่อนในธรรมชาติเกิดขึ้นมาจากการอนุญาตให้ยีนเปลี่ยนแปลงไปอย่างสุ่ม ตามด้วยการคัดเลือกคุณลักษณะที่ต้องการออกมา

 

ปัจจุบันฟรานเซสยังคงทำงานอยู่ในวงการพลังงานหมุนเวียน เธอคือวิศวกรเอ็นไซม์ที่คอยออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรมตามที่ต้องการด้วยวิวัฒนาการ คณะวิจัยของเธอสามารถสร้างเอ็นไซม์ที่เปลี่ยนน้ำตาลให้กลายเป็นแอลกอฮอล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อนำไปใช้ผสมเป็นไบโอดีเซลและอุตสาหกรรมพลาสติกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

 

การใช้ประโยชน์จากไวรัสกินแบคทีเรีย

หลายคนอาจไม่รู้มาก่อนว่าแม้แต่แบคทีเรียที่คอยก่อโรคภัยไข้เจ็บให้มนุษย์เราก็ยังมีศัตรู โดยศัตรูของแบคทีเรียคือไวรัสแบคเทอริโอเฟจ (Bacteriophage) เรียกสั้นๆ ว่าเฟจ (Phage)

 

โครงสร้างของเฟจนั้นไม่ซับซ้อน มันมีเพียงสารพันธุกรรมที่ถูกห่อหุ้มด้วยโปรตีนคล้ายแคปซูล เมื่อเฟจต้องการโจมตีแบคทีเรีย มันต้องสร้างโปรตีนพิเศษขึ้นมาโชว์หราบนแคปซูลเพื่อจะไปจับกับผิวเซลล์แบคทีเรีย ก่อนที่จะส่งดีเอ็นเอตัวเองเข้าไปยึดร่างแบคทีเรีย

 

ช่วงปี 1980 นักวิทยาศาสตร์มีชิ้นส่วนยีนที่สกัดได้จากสิ่งมีชีวิตต่างๆ อยู่เป็นจำนวนมากเก็บไว้ในคลัง แต่แทบไม่มีใครรู้ว่ายีนเหล่านั้นสร้างโปรตีนอะไร จอร์จ สมิธ จึงปิ๊งไอเดียที่จะแทรกยีนเหล่านั้นเข้าไปในดีเอ็นเอของเฟจ แล้วให้เฟจสร้างโปรตีนขึ้นมาแสดง (Display) บนแคปซูล

 

นี่เองที่เป็นแนวคิดตั้งต้นของเทคนิค Phage Display

 

ผลลัพธ์ที่ได้คือเฟจจำนวนมากที่มีโปรตีนสายสั้นๆ หรือที่เรียกว่าเปปไทด์ (Peptide) แปะอยู่บนแคปซูล คำถามคือแล้วนักวิทยาศาสตร์จะเลือกเปปไทด์ที่สนใจขึ้นมาศึกษาได้อย่างไร

 

คำตอบก็คือใช้แอนติบอดี้ (Antibody) โปรตีนที่มีความสามารถจับกับสารที่เป็นคู่ของมันได้อย่างแม่นยำ

 

ในปี 1985 จอร์จ สมิธ แสดงให้เห็นว่าเขาสามารถใช้แอนติบอดี้เลือกจับกับเปปไทด์ที่สนใจอยู่ได้จริงๆ นับว่าเป็นงานที่ช่วยวางรากฐานให้กับเทคนิค Phage Display ที่ใช้กันจนถึงปัจจุบัน

 

วิวัฒนาการอย่างมีทิศทางของแอนติบอดี้ที่แสดงอยู่บนเฟจ

งานของเซอร์ เกรกอรี อาจเรียกได้ว่าเป็นส่วนกลับกับงานของจอร์จ เขาตัดแต่งพันธุกรรมให้เฟจแสดงแอนติบอดี้แล้วใช้สารที่สนใจมาเป็นเหยื่อล่อให้เฟจมาเกาะติด

 

นอกจากนี้ยังนำแอนติบอดี้ที่คัดเลือกมาได้ไปทำให้กลายพันธุ์อย่างมั่วๆ แล้วคัดเลือกด้วยวิธีเดิมซ้ำไปเรื่อยๆ ท้ายที่สุดก็จะได้แอนติบอดี้ที่จับกับสารที่เป็นเป้าหมายได้อย่างแม่นยำมากขึ้นเรื่อยๆ

 

เรียกได้ว่าเป็นการใช้แนวคิด Directed Evolution มาผสานเข้ากับเทคนิค Phage Display นั่นเอง

 

แอนติบอดี้มิสไซล์นำวิถีสารพัดประโยชน์

แอนติบอดี้เปรียบได้กับมิสไซล์นำวิถี ถ้ามันได้รับการออกแบบมาดีก็จะเข้าไปจับกับสารเป้าหมายได้อย่างจำเพาะเจาะจงโดยไม่ยุ่งกับสารอื่นๆ เลย ถ้าสารนั้นคือโปรตีนที่อยู่บนผิวเซลล์มะเร็ง แอนติบอดี้ที่คัดเลือกมาได้ก็คือยาทำลายมะเร็งโดยไม่ส่งผลข้างเคียงต่อเซลล์เนื้อดี

 

ช่วงปี 1990 เซอร์ เกรกอรี ได้ก่อตั้งบริษัทผลิตยาจากแอนติบอดี้ หนึ่งในความสำเร็จคือการผลิตยาอะดาลิมูแมบ (Adalimumab) ที่ช่วยลดอาการอักเสบจากโรคแพ้ภูมิตัวเอง เช่น โรคไขข้อรูมาตอยด์ สะเก็ดเงิน และลำไส้อักเสบเรื้อรัง

 

นับจากนั้นมา วงการเภสัชกรรมก็ได้เปลี่ยนแปลงไปตลอดกาล

 

ตัวยาใหม่ๆ ที่สังเคราะห์ขึ้นจากแอนติบอดี้ด้วยเทคนิค Phage Display ใช้ในการรักษามะเร็งเฉพาะบุคคล รวมถึงแอนติบอดี้ที่จะไปขจัดสารพิษจากแบคทีเรียก่อโรคแอนแทรกซ์ และแอนติบอดี้ที่จะไปทำลายโปรตีนที่เป็นตัวการสำคัญของโรคอัลไซเมอร์

 

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2018 จึงเป็นของนักวิทยาศาสตร์ทั้ง 3 ท่าน นับว่าเป็นผู้ปฏิวัติวงการเคมีอุตสาหกรรมที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เภสัชกรรม และการแพทย์ด้วยการออกแบบเอ็นไซม์และแอนติบอดี้ด้วยหลักการของวิวัฒนาการนั่นเอง

 

ภาพ: www.nobelprize.org

พิสูจน์อักษร: ภาสิณี เพิ่มพันธุ์พงศ์

อ้างอิง:

  • LOADING...

READ MORE




Latest Stories