รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2020 ถูกมอบให้แก่นักวิทยาศาสตร์หญิง 2 ท่าน คือ เอ็มมานูแอลล์ ชาร์ปงทิเย (Emmanuelle Charpentier) จากหน่วยวิจัยมักซ์ พลังค์สำหรับวิทยาศาสตร์ของเชื้อก่อโรค (Max Planck Unit for the Science of Pathogens) และ เจนนิเฟอร์ เอ ดอดนา (Jennifer A. Doudna) แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย-เบิร์กลีย์ สำหรับการพัฒนาวิธีตัดแต่งจีโนม (Genome Editing)
ชีวิตบนโลกนั้นถูกกำหนดลักษณะต่างๆ ด้วยดีเอ็นเอ สารเคมีที่ประกอบไปด้วยเบส 4 ชนิด A C T และ G เรียงกันจนเป็น ‘รหัสพันธุกรรม’ เปรียบได้กับหนังสือเล่มหนาที่บรรจุข้อมูลแห่งชีวิตเอาไว้ ซึ่งเรียกว่า ‘จีโนม’ (Genome) ดังนั้นหากเราสามารถปรับแก้และตัดแต่งรหัสพันธุกรรมได้ดังใจ ก็อาจกล่าวได้ว่าเราสามารถออกแบบชีวิตให้เป็นไปตามที่เราต้องการได้
เจนนิเฟอร์ เอ ดอดนา-ระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรีย
วันหนึ่งในปี 2006 เจนนิเฟอร์ได้รับโทรศัพท์จากเพื่อนร่วมงานนักจุลชีววิทยาว่าด้วยการค้นพบใหม่เกี่ยวกับรหัสพันธุกรรมของแบคทีเรีย โดยเพื่อนของเธอเล่าว่าส่วนหนึ่งของดีเอ็นเอแบคทีเรียจะมีรหัสพันธุกรรมที่เรียงกันซ้ำๆ และกระจายกันไปทั่ว โดยที่ระหว่างชุดรหัสพันธุกรรมดังกล่าวจะถูกแทรกด้วยรหัสที่ไม่ซ้ำกัน เปรียบเทียบได้กับหนังสือจีโนมที่มีประโยคซ้ำๆ กันกระจายไปทั้งเล่ม
นักวิทยาศาสตร์ตั้งชื่อให้กับรูปแบบของชุดรหัสพันธุกรรมดังกล่าวว่า ‘CRISPR’ ย่อมาจาก Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats แปลว่า กลุ่มรหัสพันธุกรรมพาลินโดรม (อ่านไปข้างหน้าและกลับหลังได้เป็นรหัสเดียวกัน) ขนาดสั้นๆ ที่ซ้ำกัน และแทรกไปทั่วอย่างสม่ำเสมอ
รูปแบบของการจัดเรียงรหัสพันธุกรรมอันน่าพิศวงนี้ไม่ได้พบแค่ในแบคทีเรียเพียงชนิดเดียว แต่พบได้ในอีกหลายชนิด นั่นแสดงว่ามันจะต้องมีความสลักสำคัญอะไรบางอย่างกับแบคทีเรีย จนถึงขั้นถูกเก็บรักษาไว้ในเผ่าพันธุ์เป็นอย่างดี
สิ่งที่น่าสนใจคือรหัสส่วนที่ไม่ซ้ำกัน เมื่อนำไปเทียบกับฐานข้อมูลก็พบว่ามันเป็นรหัสพันธุกรรมของเชื้อไวรัส ศัตรูของเหล่าแบคทีเรีย ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสันนิษฐานว่านี่น่าจะเป็นระบบภูมิคุ้มกันแบคทีเรีย ที่เมื่อมันเอาชนะไวรัสได้ พวกมันจะเก็บสารพันธุกรรมของไวรัสเอาไว้อยู่ในจีโนม เพื่อเอาไว้ต่อกรกับไวรัสได้อย่างรวดเร็วในครั้งต่อไป เหมือนกับที่คนเรามักจะไม่เป็นคางทูมหรืออีสุกอีใสซ้ำ หากเคยเป็นโรคนี้มาก่อนแล้ว
แต่ CRISPR เป็นเพียงแค่รหัสดีเอ็นเอ การที่มันจะไปทำลายไวรัสได้ นักวิทยาศาสตร์พบว่ายังมีโมเลกุลอีกชนิดหนึ่งที่จำเป็น นั่นก็คือโปรตีนในชื่อ CRISPR-associated หรือ Cas
เจนนิเฟอร์พบว่า รหัสพันธุกรรมที่เป็นต้นแบบให้กับการสร้างโปรตีน Cas คล้ายคลึงกับรหัสชุดอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการคลายเกลียวและตัดแยกดีเอ็นเอ ทำให้เธอเริ่มสงสัยว่าโปรตีน Cas จะทำหน้าที่ตัดดีเอ็นเอของไวรัสออกเป็นชิ้นๆ ได้หรือไม่
ทีมวิจัยของเจนนิเฟอร์และคณะนักวิจัยจำนวนมากได้หันมาศึกษาระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรีย CRISPR/Cas จนพบว่ามันสามารถแบ่งได้เป็นสองรูปแบบใหญ่ๆ รูปแบบที่ 1 นั้นยุ่งยากซับซ้อน ส่วนรูปแบบที่ 2 ใช้โปรตีนจำนวนน้อยกว่า ซึ่งเป็นรูปแบบที่เอ็มมานูแอลล์กำลังศึกษาอยู่ในอีกทวีปหนึ่ง ไกลออกไปครึ่งโลก
เอ็มมานูแอลล์ ชาร์ปงทิเย-อาร์เอ็นเอปริศนาในแบคทีเรียก่อโรค
ย้อนไปเมื่อปี 2002 เอ็มมานูแอลล์กำลังหาเป้าหมายใหม่สำหรับยาปฏิชีวนะเพื่อกำจัดเชื้อแบคทีเรีย Streptococcus Pyogenes ซึ่งอาจก่อโรคต่อมทอนซิลอักเสบไปจนถึงติดเชื้อในกระแสเลือดและถึงแก่ความตาย
เธอมุ่งเป้าไปที่สารเคมีอีกชนิดหนึ่ง ชื่อ อาร์เอ็นเอ (RNA) ซึ่งมีองค์ประกอบทางเคมีคล้ายคลึงกับดีเอ็นเอ แต่มีโครงสร้างและหน้าที่ที่หลากหลายกว่ามาก ดีเอ็นเอเปรียบเสมือนคลังข้อมูลที่มีชุดคำสั่งต่างๆ ถูกเก็บรักษาเอาไว้เพื่อส่งต่อไปยังลูกหลาน แต่อาร์เอ็นเอคือเจ้าหน้าที่ที่คอยทำให้งานการต่างๆ ในเซลล์ลุล่วงไปได้
ในบรรดาอาร์เอ็นเอทั้งหลายที่เธอค้นพบ มีอยู่ชนิดหนึ่งที่ตอนนั้นยังไม่มีใครทราบหน้าที่ของมันดีนัก แต่รหัสของอาร์เอ็นเอชนิดนี้คล้ายคลึงกับรหัสดีเอ็นเอส่วนที่ซ้ำๆ กันของ CRISPR มาก ต่อมาได้รับการตั้งชื่อว่า Trans-activating Crispr RNA (tracrRNA) เมื่อศึกษาเพิ่มเติม ทีมของเธอพบว่าอาร์เอ็นเอโมเลกุลนี้จำเป็นสำหรับระบบ CRISPR ระบบหนึ่งซึ่งซับซ้อนน้อยมาก เพราะต้องการเพียงโปรตีน Cas9 แค่โมเลกุลเดียวก็ทำงานได้
CRISPR Cas9 และ tracrRNA จะทำงานร่วมกันเป็น ‘กรรไกรตัดสารพันธุกรรม’ จัดการกับไวรัสที่เข้ามารุกรานเซลล์ได้อย่างแม่นยำ
ล่วงมาจนถึงปี 2011 หลังจากที่ตีพิมพ์ผลงานวิจัยเกี่ยวกับ tracrRNA ไป เอ็มมานูแอลล์รู้ตัวแล้วว่าเธอเป็นนักจุลชีววิทยาที่กำลังขี่ยอดคลื่น การจะศึกษา CRISPR/Cas9 ให้ลงลึกยิ่งขึ้น จำเป็นต้องร่วมงานกับนักชีวเคมี ซึ่งเจนนิเฟอร์คือตัวเลือกแรกๆ
การนัดพบแห่งโชคชะตา
วันที่สองของการประชุมทางวิชาการในเครือรัฐเปอร์โตริโก เอ็มมานูแอลล์ได้เอ่ยปากชวนให้เจนนิเฟอร์มาศึกษา CRISPR/Cas9 ร่วมกัน ทีมวิจัยร่วมของทั้งคู่สามารถสร้างระบบ CRISPR/Cas9 เพื่อตัดดีเอ็นเอในหลอดทดลองนอกเซลล์แบคทีเรียได้สำเร็จหลังจากที่ล้มเหลวมาหลายต่อหลายครั้ง
เรื่องราวของ CRISPR/Cas9 คงจะจบลงแต่เพียงเท่านี้ และรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2020 นี้คงต้องมอบรางวัลให้กับงานวิจัยอื่น หากไม่เพราะสองนักวิทยาศาสตร์ตั้งคำถามต่อว่า เป็นไปได้ไหมที่จะพัฒนาให้ CRISPR/Cas9 ใช้งานง่ายขึ้นไปอีก รวมถึงการออกแบบให้มันไปตัดดีเอ็นเอได้ตามที่เราต้องการ
ทีมนักวิทยาศาสตร์สังเคราะห์อาร์เอ็นเอชุดใหม่ขึ้นมา เรียกว่า ‘อาร์เอ็นเอนำทาง’ (Guide RNA) โดยที่ดัดแปลงรหัสอาร์เอ็นเอให้กลายไปเป็นตัวชี้เป้า ขึ้นอยู่กับว่าอยากจะตัดดีเอ็นเอส่วนไหนทิ้งไปแล้วนำไปใช้งานกับ Cas9 ซึ่งพบว่าระบบ CRISPR/Cas9 ที่ปรับปรุงใหม่นี้ สามารถตัดดีเอ็นเอได้อย่างแม่นยำตามที่ได้ออกแบบไว้
ในตอนนั้น ยุคใหม่แห่งวิทยาศาสตร์ชีวภาพได้ถือกำเนิดขึ้นแล้ว
ความบังเอิญเกิดขึ้นได้กับจิตใจที่เตรียมพร้อมมาดีแล้ว
จากจุดตั้งต้นเพียงแค่การศึกษาระบบภูมิคุ้มกันของสิ่งมีชีวิตโบราณที่แสนเรียบง่าย แต่ทรงประสิทธิภาพอย่างยิ่ง
แปดปีผ่านไป หลังจากที่งานวิจัยชิ้นโบแดงได้รับการตีพิมพ์ในปี 2012 ระบบการตัดแต่งพันธุกรรมที่มีรากฐานมาจาก CRISPR/Cas9 ได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลาย อาจจะเรียกว่าเป็นความบังเอิญที่โชคดี แต่นั่นต้องมาพร้อมกับจิตใจที่มุ่งมั่นและไม่ย่อท้อต่อการหาคำตอบ
ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถเลือกได้ตามใจชอบว่าอยากจะตัดดีเอ็นเอส่วนไหนของจีโนมทิ้งไป นอกจากนี้ยังปรับให้นำชิ้นส่วนดีเอ็นเออื่นๆ มาแทนที่ส่วนที่ตัดทิ้งไปได้ราวกับกำลังเขียนจีโนมขึ้นมาใหม่ ส่งผลให้เกิดแนวคิดใหม่ๆ ในการใช้งานได้อีกมาก ไม่ว่าจะเป็นการทดลองหยุดการทำงานของยีนบางยีนเพื่อดูกลไกการเกิดโรค การปรับปรุงพันธุ์พืชที่ไม่ต้องอาศัยแบคทีเรียต้านยาปฏิชีวนะ ทำให้มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนสู่สิ่งแวดล้อมน้อยลงกว่าเดิม รวมถึงหนทางใหม่ในการรักษามะเร็งและโรคทางพันธุกรรมอื่นๆ ที่ก่อนหน้านี้ไม่มีวิธีรักษาให้หายขาด
ทว่าไม่ใช่เพียงแค่ด้านสว่าง การตัดแต่งจีโนมอาจพาเราไปสู่ข้อคำถามทางชีวจริยธรรมที่สำคัญว่า “เราจะยอมรับการตัดแต่งจีโนมในตัวอ่อนมนุษย์หรือสัตว์ได้หรือไม่” เพราะหากเรายอมให้เกิดขึ้น นั่นแปลว่าจีโนมรูปแบบใหม่จะสามารถถูกส่งทอดต่อไปได้ในเผ่าพันธุ์ของเรา กล่องแพนโดราถูกเปิดออกแล้ว และเป็นหน้าที่ของมนุษยชาติที่จะต้องชั่งน้ำหนักเพื่อหาคำตอบร่วมกัน
อีกไม่นานการตัดแต่งจีโนมจะเข้ามาเกี่ยวพันกับการใช้ชีวิตประจำวันของเราอย่างแน่นอน นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลทั้งสองท่านนี้และอีกหลายพันชีวิตกำลังใช้เครื่องมือทางเคมีตัดแต่งแก่นของชีวิตในทางชีวภาพ ซึ่งเป็นใบเบิกทางไปสู่การค้นพบใหม่ๆ ได้อีกไม่รู้จบ
พิสูจน์อักษร: วรรษมล สิงหโกมล
อ้างอิง:
