SynBio Column Recent Research Roundup | RRR EP. 02
[SynBio RRR EP. 02]

ปรับเฉดสีดอกเบญจมาศด้วย CRISPR Epigenome Editing

ใกล้ถึงวันวาเลนไทน์แล้ว ซื้อดอกไม้ให้ตัวเองหรือยังครับ~~~ อ้างอิงจากกรมวิชาการเกษตร ไม้ดอกไม้ประดับมีมูลค่าทางการตลาดในประเทศไทยอยู่มหาศาล โดยเฉพาะกล้วยไม้ ดาวเรือง และเบญจมาศ [1] แต่ถึงแม้ว่าประเทศไทยจะมีพันธุ์ไม้ดอกมากมายให้เลือกปลูกเลือกซื้อ แต่ก็ใช่ว่าเราจะสามารถเสกสีสรรค์ให้ดอกไม้มีสีได้ตามใจไปเสียทุกแบบ ลองจินตนาการดูว่า ตลาดไม้ดอกไม้ประดับจะเป็นอย่างไรถ้าเราสามารถออกแบบดอกไม้ให้มีรูปแบบและสีสันตามต้องการได้? ไม่กี่เดือนก่อนนี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์จากประเทศจีนได้ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยเพื่อเปลี่ยนสีของดอกเบญจมาศโดยการแก้ไขในระดับ epigenetics จากสีเหลืองให้เป็นสีชมพูแทน [2] แต่มันต่างไปจากการคัดเลือกพันธุ์ตามธรรมชาติหรือการตัดต่อพันธุกรรมที่เคยทำกันมาอย่างไร บทความนี้จะมาชวนคุยเทคโนโลยีนี้ในบริบทของชีววิทยาสังเคราะห์ (SynBio) กันครับ

เก๊กฮวย ดอกไม้สีทองแห่งเอเชียตะวันออก

ดอกเบญจมาศหนู (Chrysanthemum morifolium) หรือดอกเก๊กฮวย มีประวัติศาสตร์ที่น่าสนใจมานับพันปี ดอกไม้ชนิดนี้มีต้นกำเนิดในประเทศจีนจากการผสมข้ามพันธุ์ของดอกไม้ป่าหลายชนิดในสกุล Chrysanthumum โดยชื่อของมันมาจากภาษากรีก khrusanthemon ซึ่งหมายถึง “ดอกไม้สีทอง” (ไม่ได้มีความเกี่ยวข้องกับคำวิวาทที่นิยมใช้ในวรรณคดีไทย) ในเวลาต่อมา ดอกเบญจมาศถูกนำเข้าจากจีนไปในประเทศญี่ปุ่นระหว่างศตวรรษที่ 6 ถึง 8 และได้กลายเป็นตราสัญลักษณ์ของราชวงศ์ญี่ปุ่นในรัชสมัยของจักรพรรดิโกะ-โทบะ (Go-Toba tennō) [3] ปัจจุบันดอกเบญจมาศยังปรากฏอยู่บนเหรียญ 50 เยนและหนังสือเดินทางของญี่ปุ่นอีกด้วย (ดูภาพประกอบ)

แม้ว่าดอกเบญจมาศจะเป็นดอกไม้ตัดยอดนิยมอันดับสองของโลก (รองจากกุหลาบ) การพัฒนาสายพันธุ์ของดอกเบญจมาศหนูนั้นมีความท้าทายเป็นอย่างมากเนื่องจากโครงสร้างทางพันธุกรรมที่ซับซ้อน ดอกเบญจมาศหนูที่ปลูกในปัจจุบันมักมีชุดโครโมโซมมากถึงหกชุด (hexaploid) อีกทั้งยังผสมตัวเองไม่ติด (self-incompatible) อีกด้วย [4] ก็คือต้องให้คนหรือแมลงช่วยผสมเกสรข้ามต้นไป นอกจากนี้ การศึกษาและวิเคราะห์ลำดับดีเอ็นเอยังทำได้ยากเนื่องจากขนาดจีโนมที่ใหญ่และลำดับดีเอ็นเอที่ซ้ำซ้อนเป็นจำนวนมาก โดยกว่า 80% ของยีนนั้นอาจจะไปซ้ำกันกับยีนอีกชุดหนึ่งที่อยู่ในโครโมโซม 54 ชิ้นของมัน โดยถ้าเทียบกับมนุษย์แล้ว จีโนมของมนุษญ์มีความซ้ำซ้อนอยู่แค่ราวๆ 50% และมีขนาดของจีโนมเล็กกว่าเบญจมาศหนูกว่าครึ่งหนึ่งเสียอีก

การคัดเฉดสีดั้งเดิมแบบเมนเดล

ย้อนกลับไปอีกหน่อย ไปถึงสมัยที่ลุง Gregor Johann Mendel ยังผสมถั่วลันเตาเล่นอยู่หลังโบสถ์ในจักรวรรดิออสเตรีย การคัดเลือกพันธุ์ให้ได้ดอกไม้สีทองเปล่งประกายเจิดจรัสสดใหม่ยังไปไม่ถึงขั้นลำดับ DNA เลย หลักการของลุงเมนเดลคือการเอาถั่วมายำผสมกันแบบเป็นระบบระเบียบแล้วจดบันทึกเป็นอย่างดี หากเล่าในมุมของดอกเก๊กฮวยก็คงเหมือนกับเอาดอกที่มีสีเหลืองทองมาผสมกันเรื่อย ๆ ให้สีทองมันชัดขึ้นจากการที่ชุดยีนที่แสดงออกสีเหลืองเยอะ ๆ มันมีปริมาณมากขึ้น โดยเฉพาะในพืชที่โครโมโซมหลายชุด (polyploidy) [5] การเพิ่มความถี่ของยีนจึงเป็นไปได้ง่ายกว่าในคนที่มีโครโมโซมสองชุด หรือในแบคทีเรียมีอยู่ชุดเดียว โดยที่อาจจะไม่ต้องเกิดการกลายพันธุ์ที่ลำดับเบสมากมายจนสีเหลืองแรงขึ้น อธิบายด้วยภาษาดอกไม้ก็คงเหมือนกับว่าการเลือกดอกไม้ให้กับคู่ชีวิตของเราในวันพิเศษ หากเราตั้งใจจะมอบดอกไม้แค่ดอกเดียว เราก็คงต้องพยายามคุ้ยหาดอกที่สวยที่สุด (ทองที่สุด) เอามาให้ได้ อาจจะต้องใช้เวลาในการหาการกลายพันธุ์ที่ดีสักระยะมันถึงจะออกมาสีทองสวยต้องตาได้ แต่หากเราเลือกที่จะให้เป็นช่อสักหกดอก เราอาจจะไม่จำเป็นต้องให้ทุกดอกสีทองที่สุด เพียงแค่ให้มันมีประกายสีทองอย่างพอเหมาะมากประกอบรวมกันแต่ดูรวม ๆ แล้วมีเสน่ห์พอประมาณ เมื่อเวลาผ่านไปเราเลือกเจอดอกไม้ที่สีทองกว่าดอกที่ขาวที่สุดเราก็เอามาแทนที่ หากทำแบบนี้ไปเรื่อย ๆ เจ้าชุดโครโมโซมเหล่านี้ก็จะมีสีทองโดยรวมที่มากขึ้นแบบไม่ฝืนธรรมชาติจนเกินไป นี่เป็นสาเหตุหนึ่งที่ว่าทำไมการเปลี่ยนสีในดอกไม้ถึงได้มีเฉดออยู่มากมายโดยเฉพาะกลุ่มที่เป็น polypoid ที่เล่ามานี้อาจจะมุ่งประเด็นสีทองมากเกินไปจนลืมไปว่าสีที่เราอยากได้ในวันหวาน ๆ มันสีชมพูต่างหากละเห้ย!!! แล้วเราจะเปลี่ยนสีทองเป็นสีชมพูยังไงดีในขณะที่ดอกเก๊กฮวยทั้งตลาดก็มีแต่สีขาวไปจนสีเหลืองทอง ในเวลานี้เองจึงเป็นจังหวะให้เทคโนโลยีชีววิทยาสังเคราะห์ปรับแต่งสิ่งมีชีวิตได้ราวกับเวทมนต์

CRISPR แบบไม่ตัด แต่เน้นเติมสี

งานวิจัยล่าสุดนี้ได้มีการใช้เทคโนโลยี CRISPR-Cas9 เข้ามาปรับการแสดงออกของยีน CmMYB6 ซึ่งควบคุมการผลิตแอนโทไซยานิน—เม็ดสีที่ทำให้เกิดโทนสีชมพู/ม่วงในดอกไม้ชนิดนี้ และพืชชนิดอื่น ๆ รวมไปถึงองุ่นม่วงที่ส่งให้ไวน์มีสีแดงเข้มเช่นกัน ในธรรมชาติของดอกเบญจมาศ การแสดงออกของ CmMYB6 ในระดับสูงจะทำให้ดอกเบญจมาศมีสีชมพู ในขณะที่การแสดงออกในระดับต่ำจะทำให้ได้สีที่อ่อนลง เช่น สีขาวหรือสีเหลือง (ขึ้นกับว่าในสายพันธุ์นั้นมีสารแคโรทีนอยด์ที่มีสีเหลืองอยู่หรือไม่) คำถามที่สำคัญของงานนี้ก็คือ ทีมวิจัยนี้ปรับการทำงานหรือการแสดงออกของยีน CmMYB6 ได้อย่างไร? จะใส่ชิ้นส่วนยีน CmMYB6 เข้าไปเพิ่มดี หรือว่าจะลองตัดชิ้นยีน CmMYB6 ให้ไม่สามารถทำงานได้ในจีโนมของดอกเบญจมาศหนูโดยตรง ทั้งสองเทคนิคนี้อาจจะมีความยุ่งยากจากความซับซ้อนของจีโนมดอกไม้สีทองนี้ ดังนั้นทีมวิจัยนี้จึงได้เลือกควบคุมในระดับ epigenetics แทน โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงที่ตัวลำดับดีเอ็นเอทีมีความซับซ้อนนี้ แต่ใช้เทคนิคที่เหมือนการป้ายสี DNA ให้สีเข้มขึ้นหรืออ่อนลงคล้าย ๆ กับดอกไม้ของเรานี่เอง 

บทบาทของ epigenetics  ในบริบทนี้ (“epi-” แปลว่า “on top of”) เป็นการใช้เทคโนโลยีชีวภาพที่ไม่ได้ปรับลักษณะทางพันธุกรรมจากธรรมชาติมากจนเกินไป ถ้าเปรียบเทียบเป็นพัดลมในห้องร้อน ๆ การใส่หรือตัดชิ้นส่วนยีน (genetic engineering) ก็เหมือนกับการนำพัดลมอันใหม่มาวางในห้องหรือทุบทำลายพัดลมที่มีอยู่ ในขณะที่การเปลี่ยน epigenetics จะเหมือนกับการกดเปลี่ยนเบอร์ของพัดลมให้แรงขึ้นหรือเบาลง (ย้อนไปอ่าน SynBio Column RRR Ep. 01 สำหรับคำอธิบายอีกรูปแบบหนึ่งได้ครับ [6]) ความพิเศษเพิ่มเติมของการปรับความแรงพัดลมดอกเบญจมาศก็คือการที่มันมีพัดลมอยู่ในห้องหลายตัวมาก ๆ แล้วพัดลมแต่ละตัวก็รับสัญญาณรีโมทอันเดียวกันได้ การปรับความแรงลมนี้จึงส่งผลกับพัมลมหลาย ๆ ตัว หรือยีน CmMYB6 ที่กระจายตัวอยู่บนโครโมโซมต่าง ๆ ได้พร้อมกัน

ปรับแต่งจีโนมแบบไม่เปลี่ยนรหัส เปลี่ยนที่วิธีอ่าน

ในเมื่องานนี้ไม่ได้มุ่งเป้าไปที่การตัดแก้ไขลำดับดีเอ็นเอ รูปแบบของตัวโปรตีน CRISPR-Cas9 ที่มักถูกเปรียบเทียบว่าเป็นกรรไกรระดับโมเลกุลจึงไม่ได้ถูกนำมาใช้ แต่ใช้เทคโนโลยีเวอร์ชันปรับปรุงที่เรียกว่า CRISPR-dCas9 (deactivated Cas9) ที่ถูกดัดแปลงให้กรรไกรทื่อจนไม่อาจตัด DNA ได้อีกต่อไป [7] แต่คงความสามารถในการจับกับ DNA ในตำแหน่งจำเพาะด้วย guide RNA sequence ตามแบบเดิม ในงานวิจัยดอกเบญจมาศนี้ ทีมนักวิจัยได้เชื่อมเอนไซม์ DNA methyltransferases เข้ากับ dCas9 โดยเอนไซม์นี้สามารถเพิ่มหมู่เมทิล (methyl group) เข้าไปที่เบส cytosine (C) ใน DNA และส่งผลให้การอ่านข้อมูลระดับ DNA นี้เปลี่ยนแปลงไป ในกรณีนี้คือเพิ่มการแสดงออกของยีนที่ทำให้เกิดสีชมพูในดอกเบญจมาศหนูนี้เอง

หากเราลองเจาะลึกไปที่การทดลองของทีมนี้ จะพบว่าทางทีมได้มุ่งเป้าไปที่บริเวณ promoter ที่อยู่ด้านหน้าของยีน CmMYB6 หากจะเปรียบเทียบง่าย ๆ ก็คล้ายกับรอยต่อถนนว่าสามารถรองรับการผ่านทางของยานพาหนะได้มากน้อยแค่ไหน การเติมหมู่เมทิลในบริเวณนี้จะมีผลต่อการแสดงออกของยีน ที่น่าสนใจคือ เอนไซม์ DNA methyltransferases แต่ละตัวแสดงพฤติกรรมที่แตกต่างกัน เมื่อใช้เอนไซม์ CmDRM2a ดอกไม้ที่ได้จะมีสีขาวซึ่งเป็นผลจากการสร้างโปรตีน CmMYB6 ที่เกิดขึ้นน้อยลง ในทางกลับกัน การใช้เอนไซม์ CmDRM2b หรือ CmCMT2 จะทำให้ดอกไม้มีสีชมพูที่เข้มขึ้น ซึ่งเป็นผลจากการสร้างโปรตีน CmMYB6 ที่เกิดมากขึ้น ความแตกต่างนี้ขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่เอนไซม์เลือกเติมหมู่เมทิลใน promoter โดย CmDRM2a ไม่ได้เติมหมู่เมทิลในตำแหน่งที่สำคัญ ในขณะที่ CmDRM2b และ CmCMT2 เติมหมู่เมทิลในบริเวณนั้นอย่างสมบูรณ์ ผลการทดลองนี้ชี้ให้เห็นว่าการเติมหมู่เมทิลในตำแหน่งเฉพาะอาจช่วยปลดล็อกการแสดงออกทางพันธุกรรมของ CmMYB6 และเพิ่มการผลิตเม็ดสี anthocyanin ในดอกเบญจมาศนี้จนทำให้มันมีสีชมพู และอาจจะนำไปปรับใช้ในไม้ดอกไม้ประดับชนิดอื่น ๆ ได้เช่นกัน

วิศวกรรมพันธุ์พืชแบบปลอกเปลือกเซลล์

ในวงการเทคโนโลยีชีวภาพและชีววิทยาสังเคราะห์นั้น การปรับปรุงสายพันธุ์พืชขึ้นชื่อว่าเป็นกระบวนการที่ทำได้ช้าเมื่อเทียบกับสิ่งมีชีวิตอื่น ซึ่งในงานนี้ ทีมวิจัยได้ก็พยายามพัฒนาวิธีการใหม่ๆ เพื่อร่นระยะเวลาการทำงานในเร็วขึ้น เช่นตอนที่ดูผลการเติมหมู่เมทิลของเอนไซม์ DNA methyltransferases แต่ละตัว ก็มีการทดสอบในระดับเซลล์ protoplast ก่อนโดยไม่ต้องรอต้นไม้โต ซึ่งวิธีการได้มาก็ถือว่าน่าสนใจมากทีเดียว ทางทีมวิจัยใช้เทปกาวลอกเซลล์ผิวใบออก แล้วใส่เอนไซม์ย่อยผนังเซลล์พืชเข้าไป จนได้ protoplast ที่ไม่มีผนังเซลล์ออกมา จากนั้นก็นำเอา protoplast นี้มาใช้ในการทดลองดูว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อมีการเปลี่ยน methylation pattern ในรูปแบบต่าง ๆ กระบวนการนี้ทำให้สามารถย่นระยะเวลาการทำงานจากหลักหลายเดือนเป็นระดับสัปดาห์เท่านั้นเอง หากย้อนกลับมามองที่อุตสาหกรรมไม้ดอกไม้ประดับในประเทศไทยแล้ว การประยุกต์ใช้ epigenetics ในการปรับปรุงพันธุ์นับว่าเป็นแนวทางที่น่าสนใจไม่แพ้การดัดแปลงลำดับดีเอ็นเออย่างแน่นอนและอาจจะนำไปปรับใช้กับพืชเศรษฐกิจพันธุ์อื่น ๆ อย่างกล้วยไม้และดาวเรืองได้เช่นกันหากเราลงทุนในด้านนี้อย่างจริงจังและเป็นระบบ

ในประเทศญี่ปุ่น ดอกเบญจมาศเป็นสัญลักษณ์ของความปรารถนาดีและชีวิตที่ยืนยาว  ขณะที่ในบางส่วนของยุโรปมันได้กลายเป็นตัวแทนของการไว้อาลัยต่อผู้วายชนม์ ในงานวิจัยชิ้นนี้การเปลี่ยนแปลงของสีดอกเบญจมาศได้เป็นเครื่องพิสูจน์ถึงความคิดสร้างสรรค์ของมนุษย์และนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์ ที่กำลังเบ่งบานในฐานะสัญลักษณ์แห่งความเป็นไปได้ใหม่ ๆ ในอนาคตเราคงได้เห็นการปรับแต่งลักษณะที่ซับซ้อนมากขึ้น และในสายพันธุ์พืชที่หลากหลายมากขึ้น จากที่เคยปรับได้แค่สีดอก สีใบ อาจจะสามารถปรับปรุงได้ทั้งขนาด รูปแบบแต้มสี หรือกลิ่นใหม่ๆ ที่ธรรมชาติไม่เคยลองใช้มาก่อนก็เป็นได้

References

(1) เสาวลักษณ์ กิตติธนวัตร. สถานการณ์และทิศทางไม้ดอกไม้ประดับของประเทศไทยในปี 2563; กรมวิชาการเกษตร. https://www.doa.go.th/hort/wp-content/uploads/2020/03/สถานการณ์และทิศทางไม้ดอกไม้ประดับของประเทศไทยในปี-2563.pdf.

(2) Li, X.; Bu, F.; Zhang, M.; Li, Z.; Zhang, Y.; Chen, H.; Xue, W.; Guo, R.; Qi, J.; Kim, C.; Kawabata, S.; Wang, Y.; Zhang, Q.; Li, Y.; Zhang, Y. Enhancing Nature’s Palette through the Epigenetic Breeding of Flower Color in Chrysanthemum. New Phytol. 2024. https://doi.org/10.1111/nph.20347.

(3) Kogei Art, K. The Chrysanthemum and Japan: A Timeless Connection in the Days Leading to Choyo no Sekku. https://kogeiart.kyoto.jp/articles/post-2754/ (accessed 2024-09-06).

(4) Song, A.; Su, J.; Wang, H.; Zhang, Z.; Zhang, X.; Van de Peer, Y.; Chen, F.; Fang, W.; Guan, Z.; Zhang, F.; Wang, Z.; Wang, L.; Ding, B.; Zhao, S.; Ding, L.; Liu, Y.; Zhou, L.; He, J.; Jia, D.; Zhang, J.; Chen, C.; Yu, Z.; Sun, D.; Jiang, J.; Chen, S.; Chen, F. Analyses of a Chromosome-Scale Genome Assembly Reveal the Origin and Evolution of Cultivated Chrysanthemum. Nat. Commun. 2023, 14 (1), 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37730-3.

(5) McCarthy, E. W.; Arnold, S. E. J.; Chittka, L.; Le Comber, S. C.; Verity, R.; Dodsworth, S.; Knapp, S.; Kelly, L. J.; Chase, M. W.; Baldwin, I. T.; Kovařík, A.; Mhiri, C.; Taylor, L.; Leitch, A. R. The Effect of Polyploidy and Hybridization on the Evolution of Floral Colour in Nicotiana (Solanaceae). Ann. Bot. 2015, 115 (7), 1117–1131. https://doi.org/10.1093/aob/mcv048.

(6) Kiattisewee, C. DNA Letter | จดหมายดีเอ็นเอ. Thailand SynBio Consortium. https://www.th-synbioconsortium.com/บทความ/dna-letter/ (accessed 2025-02-03).

(7) Hochstraasser, M.; Ford, T.; Henderson, H.; Doxzen, K.; Tolpa, T.; Cheung, B.; Ramit, G.; Murdock, A.; Wilson, R. CRISPRpedia | CRISPR Technology; Innovative Genomics Institute, University of California, Berkeley, 2022.