Synthetic Biology: เมื่อมนุษย์กลายเป็นนักประดิษฐ์ชีวิต [EP.1]

 “ยุคนี้คือยุคแห่ง ai แต่ยุคต่อไปคือยุคของเทคโนโลยีชีวภาพ (Biotechnology)” เพราะความก้าวหน้าแห่งเทคโนโลยีชีวภาพยุคใหม่อาจจะทำให้ “มนุษย์ทำอะไรต่อมิอะไรได้ไม่ต่างพระเจ้า”

ประโยคนี้แม้จะฟังดูอหังการ์ แต่ว่าก็มีเค้ารางของความเป็นจริง เพราะแม้ว่า “เทคโนโลยีชีวภาพ” จะหมายถึงศาสตร์แห่งการใช้สิ่งมีชีวิตหรือองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตให้เป็นประโยชน์กับมวลมนุษยชาติ แต่การออกแบบจีโนมและสร้างสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ “Microplasma laboratorium” ขึ้นมาในห้องทดลองของเครก เวนเทอร์ (J Craig Ventor) ในปี 2010 ทำให้โฉมหน้าของเทคโนโลยีชีวภาพนั้นเปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง ไม่ใช่แค่เป็นเทคโนโลยีเพื่อแสวงหาประโยชน์จากสิ่งมีชีวิต แต่เป็นเทคโนโลยีออกแบบสิ่งมีชีวิตเพื่อตอบโจทย์ความต้องการของมวลมนุษย์

จากพรานเก็บของป่าล่าสัตว์สู่เทคโนโลยีชีวภาพ

ถ้ามองย้อนกลับไปในประวัติศาสตร์แห่งมวลมนุษยชาติ ​ บรรพบุรุษของมนุษย์ก็ใช้ประโยชน์จากสิ่งมีชีวิต หากินกับธรรมชาติมาตั้งแต่สมัยดึกดำบรรพ์ ตั้งแต่ตอนที่ยังใช้วิถีในการดำรงชีวิตเป็นนักเก็บของป่าล่าสัตว์ (Hunter-Gatherer)

ในยุคนั้น ชีวิตถูกใช้เพื่อจุนเจือชีวิต มนุษย์ในยุคดึกดำบรรพ์ล่าสัตว์และเก็บของป่าเพื่อมากินเป็นอาหาร ใช้หนังเป็นเครื่องนุ่งห่ม ใช้ไขมันและฟืนใช้เป็นเชื้อเพลิงให้ความอบอุ่น กระดูกใช้เป็นอาวุธ​ และในส่วนที่เป็นสมุนไพรก็ใช้เป็นยารักษาโรคเพื่อค้ำจุนชีวิต ที่จริง ถ้าอยู่เป็นกลุ่มเล็ก ๆ แค่นั้นก็เพียงพอแล้ว แต่เมื่อชุมชนเริ่มขยับขยายใหญ่ขึ้นจากกลุ่มเป็นฝูง จากฝูงกลายเป็นเผ่า เป็นหมู่บ้าน เป็นเมืองขนาดใหญ่ ความต้องการก็มีมากยิ่งขึ้น วิถีชีวิตแบบพึ่งดวงชะตา ออกป่า ล่าสัตว์ หาอาหารแบบวันต่อวัน เดือนต่อเดือนจึงเริ่มที่จะไม่เพียงพอที่จะหล่อเลี้ยงและตอบสนองความต้องการของผู้คนได้อีกต่อไป วิถีแห่งการดำรงชีวิตจึงต้องเริ่มเปลี่ยนไป มนุษย์ดึกดำบรรพ์เริ่มที่จะต้องเรียนรู้ที่จะเพาะปลูก ทำการเกษตรและเพาะเลี้ยงปศุสัตว์เพื่อใช้เป็นแหล่งอาหารที่พอเพียงที่จะเลี้ยงปากท้องของผู้คนในสังคม รวมถึงรองรับการขยายตัวของชุมชนเป็นสังคมเมืองขนาดใหญ่​

นี่คือจุดพลิกผันยิ่งใหญ่ที่ทำให้มวลมนุษยชาติพัฒนาไปแบบก้าวกระโดด จนถึงขั้นที่นักอนาคตศาสตร์บางคนเรียกการเปลี่ยนแปลงนี้ว่าเป็นหนึ่งในจุดซิงกูลาริตี้ (Singularity) ของมวลมนุษยชาติ ที่ทำให้โฉมหน้าของสังคมมนุษย์เปลี่ยนไปแบบไม่มีวันหวนคืน

พืชพรรณธัญญาหาร เนื้อสัตว์ เครื่องนุ่งห่มเริ่มถูกเอามาแลกเปลี่ยน จำหน่ายจ่ายแจก ก๊กและฝูงที่แข็งแกร่งก็เริ่มสร้างอำนาจ บุกยึดและกะเกณฑ์ผู้คนมาเพิ่มกำลังการผลิตอาหารและทำงานต่าง ๆ ให้ และเมื่อไม่ต้องกังวลเรื่องการหาอาหารมาจุนเจือปากท้องเป็นรายวัน บางก๊ก บางฝูงก็เริ่มสั่งสมกำลัง วางแผนการแผ่ขยายอาณาเขต ยึดครองพื้นที่สำหรับการเกษตร ปศุสัตว์​​ และควบรวมผู้คน​มาเป็นแรงงาน ทวีขนาดขยายใหญ่ขึ้นมาจนเป็นอาณาจักรขนาดใหญ่ และเมื่อพื้นที่และแรงงานในการผลิตอาหารนั้นมีมาก บางส่วนก็ถูกเอาไปแลกเปลี่ยนกับทรัพยากรที่ต้องการ แต่ส่วนที่ผลิตได้เกินกว่าความต้องการก็จะถูกถนอมเอาไว้เพื่อเป็นเสบียงในช่วงฤดูที่ขาดแคลน ภูมิปัญญาในการทำแห้ง และการหมักอาหารหมักแบบต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นไวน์ เบียร์ น้ำปลา ขนมปัง เทมเป้ ชีส ปลาร้าและอีกสารพัดถูกพัฒนาขึ้นมาจากผู้คนจากหลายท้องที่เพื่อเก็บรักษาเสบียงอาหารเอาไว้ให้กินได้ยาวนาน

มนุษย์ในยุคนั้นไม่รู้หรอกว่าองุ่นนั้นเปลี่ยนเป็นไวน์ได้อย่างไร พวกเขารู้แค่ว่าไวน์นั้นมีกลิ่นและรสชาติอันโอชะ และสามารถดื่มกินได้ยาวนาน ตราบใดที่ไม่บูดเน่าและมีรสเปรี้ยวเป็นน้ำส้มสายชู​ ขนาดตอนที่แอนโทนี แวนลิวเวนฮุค (Anthonie van Leeuwenhoek) นักประดิษฐ์ชาวเยอรมันนามกระเดื่องผู้สร้างกล้องจุลทรรศน์ขึ้นมาได้เป็นคนแรก ลองเอาหยดไวน์ไปศึกษาภายใต้กล้องจุลทรรศน์จนสามารถมองเห็นเซลล์ยีสต์เป็นก้อนกลม ๆ เล็ก ๆ กระจายอยู่เต็มไปหมดในหยดไวน์ เขายังไม่รู้เลยว่าก้อนกลม ๆ พวกนั้นคือสิ่งมีชีวิต แม้จะยังไม่รู้จักเลยด้วยซ้ำว่าจุลินทรีย์คืออะไร แต่บรรพบุรุษของเราก็มีภูมิปัญญารู้จักวิธีการใช้ประโยชน์จากจุลินทรีย์มาตั้งแต่ดึกดำบรรพ์ ซึ่งเป็นอะไรที่น่าอัศจรรย์มาก

“ความเชื่อในเวลานั้นคือไวน์เกิดจากการเน่าเปื่อยย่อยสลายแบบหนึ่งของน้ำองุ่น” และถ้าคุณมีความรู้วิศวกรรมดีพอและเข้าใจการเปลี่ยนสภาพของน้ำองุ่นอยู่บ้าง คุณก็จะสามารถออกแบบกรรมวิธีในการขยายขนาดในการหมักไวน์ให้ถึงระดับอุตสาหกรรมขนาดย่อม ๆ ได้ ทว่าไม่มีอะไรเลยที่จะบอกได้ว่าเมื่อไร องุ่นหมักของพวกเขาจะได้ผลผลิตออกมาเป็นไวน์และเมื่อไรที่จะพลาดไปและได้น้ำส้มสายชู ทุกอย่างขึ้นอยู่กับโชคชะตา ถ้าคุณโชคดี คุณจะได้ไวน์ และถ้าคุณโชคร้าย คุณก็จะได้น้ำส้มสายชู ความไม่รู้ทำให้กระบวนการควบคุมการผลิตไวน์ในยุคนั้นทำได้ยากเย็นเข็ญใจ เพราะไม่ว่าจะวิเคราะห์หาคำอธิบายอย่างละเอียดเพียงไร กระบวนการทางเคมีของการหมักก็ยังดูแปร่ง ๆ เอามาทำนายผลแล้วเพี้ยน เหมือนขาดอะไรไปบางอย่าง

เวลาล่วงเลยผันผ่านไปนานนับศตวรรษ จนกระทั่งในราวปี 1837 สามนักวิจัยจากสามที่ วิศวกร ชาร์ล คาญาร์ เดอ ลา ตูร์ (Charles Cagnierd De La Tours) นักสาหร่ายวิทยา ฟรีดริช เทราก็อท คุทซิง (Friedrich Traugott Kützing) และแพทย์ ทีโอดอร์ ชวานน์ (Theodor Schwann) ก็ได้ค้นพบว่าเจ้าก้อนกลม ๆ เล็ก ๆ ที่ลอยไปลอยมาอยู่ในน้ำไวน์ที่พวกเขาเรียกว่ายีสต์นั้น เป็นตัวการสำคัญในการหมักไวน์ และที่สำคัญ​ ยีสต์นั้นแท้จริงแล้วเป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กจิ๋ว ไม่ใช่ก้อนตะกอนอย่างที่เคยคิดกันมาก่อน ความจริงจึงกระจ่างชัด การหมักนั้นไม่ใช่กระบวนการย่อยสลายทางเคมี แต่มีจุลินทรีย์ที่ตามองไม่เห็นเป็นผู้ควบคุมอยู่เบื้องหลัง

ถ้าเป็นสิ่งมีชีวิตก็ต้องพัฒนาได้ หลังจากที่คอนเฟิร์มชัดโดยนักวิทยาศาสตร์ชื่อดัง  หลุยส์ ปาสเตอร์ (Louis Pasteur) ว่ายีสต์นั้นเป็นสิ่งมีชีวิต กระแสในการพัฒนาสายพันธุ์ยีสต์ก็เกิดขึ้นอย่างกว้างขวาง เพื่อให้ได้สายพันธุ์ยีสต์ที่ให้ผลผลิตไวน์ที่มีกลิ่นรสอันเย้ายวนและเนื้อสัมผัสที่ชวนละมุน… ในขณะเดียวกัน นักวิจัยอีกกลุ่มก็เริ่มที่จะเฟ้นหาและคัดแยกหัวเชื้อหมักประเภทอื่น ๆ ค้นหา คัดเลือกและปรับปรุงสายพันธุ์จุลินทรีย์เพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์ให้มีคุณสมบัติตรงต้องตามประสงค์  ไม่เพียงแค่ผลิตภัณฑ์อาหาร การแพทย์ สิ่งทอ แต่รวมถึงสารออกฤทธิ์และเคมีภัณฑ์อื่น ๆ อีกด้วย ชัดเจนว่าการค้นพบจุลินทรีย์ต่าง ๆ ที่เป็นประโยชน์ (รวมถึงพวกที่สร้างปัญหา) ในการหมักนั้น ช่วยทำให้อุตสาหกรรมการหมักได้รับการพัฒนาไปอย่างก้าวกระโดด ซึ่งทำให้เราต้องนิยามศัพท์ขึ้นมาใหม่ เพื่ออธิบายเทคโนโลยีการใช้ประโยชน์จากจุลินทรีย์และสิ่งมีชีวิต (รวมถึงองค์ประกอบของพวกมันด้วย) ในระดับอุตสาหกรรม

และศัพท์คำ ๆ นั้นก็คือ “เทคโนโลยีชีวภาพ” หรือ “Biotechnology”

ดีเอ็นเอลูกผสม กับแบคทีเรียผลิตอินซูลิน

“เทคโนโลยีชีวภาพ” คือการเอาเทคโนโลยีเข้ามาหาประโยชน์จาก “สิ่งมีชีวิต” แต่คำถามก็คือ “ชีวิตคืออะไร?” ในมุมมองของนักชีววิทยาสังเคราะห์ การมองสิ่งมีชีวิตนั้นผิดแผกแตกต่างไปอย่างสิ้นเชิงกับนักชีววิทยาทั่วไป แทนที่จะมองสิ่งมีชีวิตเป็นสิ่งมีชีวิต พวกเขามองสิ่งมีชีวิตเป็นเพียง “ผลพวงของการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อน” เท่านั้น มุมมองนี้น่าสนใจเพราะถ้ามองในเชิงชีวเคมี เซลล์ก็ไม่ต่างไปจากถุงไขมันที่ห่อหุ้มสารชีวโมเลกุลเอาไว้ข้างใน กลไกการเผาผลาญและสร้างพลังงานภายในเซลล์ที่เรียกว่าเมตาโบลิซึมก็ล้วนแล้วแต่เป็นปฏิกิริยาเคมีที่เกิดกับสารชีวโมเลกุลที่อยู่ภายในเซลล์ทั้งสิ้น แต่ความพิเศษของเซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่เหนือกว่าปฏิกิริยาเคมีทั่วไปคือ เซลล์ของสิ่งมีชีวิตสามารถสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีที่เรียกว่า “เอนไซม์ (enzyme)” ขึ่นมาควบคุมทิศทางการเกิดปฏิกิริยาเคมีของตัวเองได้อย่างน่าประทับใจ มองเป็นภาพง่าย ๆ ก็คือเมื่อใดที่เซลล์อยากให้ปฏิกิริยาไหนเกิดขึ้นมา ก็สร้างเอนไซม์ขึ้นมาเร่งปฏิกิริยานั้น ปฏิกิริยานั้นก็จะเกิดขึ้นได้ และเมื่อใดที่อยากจะให้ปฏิกิริยาไหนเกิดขึ้นน้อยลง ก็หยุดสร้างเอนไซม์ หรือถ้าเร่งด่วนก็สร้างตัวยับยั้งขึ้นมาหยุดการทำงานของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องซะก็แค่นั้น นั่นหมายความว่าถ้าเราควบคุมการสร้างเอนไซม์ได้ เราจะควบคุมชะตาชีวิตของเซลล์ และบังคับให้เซลล์ทำตามที่เราสั่งได้

คำถามคือแล้วเราจะคุมการสร้างเอนไซม์ได้อย่างไร?  เรื่องนี้ไม่ยาก เอนไซม์นั้นสร้างขึ้นมาจากรหัสของสารพันธุกรรมที่เรียกว่ายีน (gene) สารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนั้นเป็นดีเอ็นเอ ถ้าเราสามารถปรับแต่งดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตแล้วเอารหัสของยีนที่เราสนใจไปใส่ได้ เราก็สามารถสั่งให้สิ่งมีชีวิตนั้นผลิตเอนไซม์ตัวใหม่ที่เราสนใจได้ และเมื่อนักวิจัย เวอร์เนอร์ อาร์เบอร์ (Werner Arber) และแฮมิลตัน สมิธ (Hamilton Smith) ค้นพบเอนไซม์ตัดจำเพาะ (restriction enzyme) จำนวนมากมายสารพัดชนิดที่สามารถตัดสายดีเอ็นเอได้ตามรหัสที่จำเพาะแตกต่างกันไป ถ้าเรารู้รหัสของยีนที่เราสนใจ เราก็จะสามารถออกแบบได้ว่าจะใช้เอนไซม์ตัดจำเพาะชนิดไหนตัดยีนที่เราสนใจออกมาได้ที่ตรงจุดไหนได้

พอได้ไอเดีย ต่อมา เราก็ต้องไปหาทางสกัดเอาดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตที่มียีนที่เราสนใจออกมา แล้วทำการตัดด้วยเอนไซม์ตัดจำเพาะ จนได้ชิ้นยีนที่เราต้องการ โดยมากปริมาณของชิ้นยีนที่ได้จะค่อนข้างน้อย นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่จะนำชิ้นยีนที่ได้นี้ ไปเชื่อมต่อกับวงดีเอ็นเอพาหะที่เรียกว่าพลาสมิด (plasmid) เสียก่อน วงพลาสมิดที่เชื่อมต่อกับยีนที่ตัดออกมาจะถูกเรียกว่า “พลาสมิดลูกผสม (recombinant plasmid)” พลาสมิดลูกผสมนี้จะถูกเอาไปฝากไว้ในเซลล์แบคทีเรีย เพื่อให้แบคทีเรียช่วยก๊อปปี้เพิ่มจำนวนวงดีเอ็นเอลูกผสมให้ได้ในปริมาณมาก หลังจากที่เพิ่มจำนวนได้มากพอ เราก็จะต้องเลือกที่จะส่งวงพลาสมิดลูกผสมนี้เข้าไปในสิ่งมีชีวิตเป้าหมาย ซึ่งอาจจะทำได้โดยตรง หรือในบางกรณี ก็จะมีการปรับแต่งเพื่อให้เหมาะสมกับเป้าหมายของเซลล์หรือจีโนมที่จะรับดีเอ็นเอเข้าไปก็ได้ และเมื่อสิ่งมีชีวิตนั้นได้ดีเอ็นเอลูกผสมเข้าไปแล้ว ที่เหลือก็แค่ลุ้นว่าสิ่งมีชีวิตพวกนั้นจะผลิตเอนไซม์ที่เราสนใจออกมาจากยีนที่ใส่เข้าไปให้ได้จริงหรือไม่ และมีลักษณะตามที่เราต้องการจริงหรือเปล่า ถ้าเป็นไปตามที่ออกแบบไว้ ก็เฮได้ แต่ถ้ายังไม่ ก็มาปรับมาแต่งกันอีกที

แต่สิ่งหนึ่งที่ต้องตระหนักคือการปรับแต่งพันธุกรรมด้วยการตัดต่อยีนด้วย “เทคโนโลยีดีเอ็นเอลูกผสม” หรือที่เรียกว่า “เทคโนโลยีพันธุวิศวกรรม” นี้เป็นวิธีดั้งเดิมที่ใช้กันมาหลายสิบปี แม้จะทรงพลัง แต่ก็ยังมีข้อจำกัดอยู่มาก เช่นอาจจะต้องระวังเรื่องการส่งต่อยีนดื้อยาที่อยู่ในวงพลาสมิดที่ใช้ไปยังเเบคทีเรียในธรรมชาติ แม้จะยังต้องระวังอยู่พอสมควร แต่เทคโนโลยีนี้ก็ถือได้ว่าเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่เข้ามาพลิกโฉมวงการวิจัยชีววิทยาและเทคโนโลยีชีวภาพไปแบบหน้ามือเป็นหลังมือ เพราะนี่คือจุดเริ่มต้นของการมีอำนาจในการกำหนดชะตาของสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ของมนุษย์ ลองจินตนาการดูว่าในปัจจุบัน แทนที่จะใช้ยีสต์ผลิตแค่ไวน์ เบียร์ ขนมปัง เราสามารถปรับแต่งยีสต์ (และแบคทีเรีย) ให้สามารถผลิตฮอร์โมนอินซูลินออกมาได้ในจำนวนที่มากและต้นทุนที่ต่ำ เพื่อทดแทนการฆ่าและสกัดเอาออกมาจากสัตว์ สิ่งที่ต้องทำคือแค่โคลนเอายีนอินซูลินของคนไปใส่ไว้ในยีสต์หรือแบคทีเรียก็แค่นั้น

ที่จริง โปรตีนตัวแรกจากเทคโนโลยีดีเอ็นเอลูกผสมที่ได้รับการอนุมัติให้ใช้ได้ในทางการแพทย์ก็คืออินซูลินจากแบคทีเรีย Escherichia coli ที่ถูกโคลนขึ้นมาโดยบริษัทจีเนนเทค (Genentech) ตั้งแต่ปี 1978

ชีววิทยาสังเคราะห์ แบคทีเรียผลิตน้ำมัน กับชีวิตที่ลิขิตได้

แค่อินซูลินแค่ยีนเดียว ก็ทำให้สะเทือนเลื่อนลั่นทั้งวงการ … แล้วถ้าเราสามารถปรับเปลี่ยนกระบวนการทางชีวเคมีได้ตามประสงค์แบบจริง ๆ จัง ๆ ล่ะ จะเกิดอะไรขึ้น ฤาจะเป็นชีวิตที่ลิขิตได้…

ถ้าว่ากันตามนิยาม ชีววิทยาสังเคราะห์คือการออกแบบและสร้างระบบ เซลล์ สิ่งมีชีวิต หรือองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตขึ้นมาใหม่เพื่อจุดประสงค์เพื่อระโยชน์ของมวลมนุษยชาติ อย่างที่บอกไปตอนต้น ชีวิตคือปฏิกิริยาชีวเคมี ถ้าเราเข้าใจเอนไซม์ เราจะสั่งให้เซลล์ผลิตอะไร หรือตอบสนองอย่างไรก็ได้หมด เพราะวิถีทางชีวเคมีนั้น มักจะเกิดขึ้นโดยใช้เอนไซม์ แต่บางที ถ้าเราอยากได้สารออกฤทธิ์ตัวเด็ด ๆ บางตัว การปรับแต่งยีนหรือเอนไซม์แค่เพียงตัวเดียวใช้แค่เทคนิคพันธุวิศวกรรมตัดต่อยีนไปใส่ง่าย ๆ ธรรมดา ๆ ก็อาจจะยังไม่พอ สิ่งสำคัญคือเราต้องเข้าใจกระบวนการทางชีวเคมีที่เกี่ยวข้องอย่างถ่องแท้ สารที่เราจะสร้างมีวิถีชีวเคมีไหนที่เกี่ยวข้องบ้าง มีเอนไซม์ตัวไหนบ้างที่ใช้สร้าง ตัวไหนบ้างที่ใช้สลาย และสารที่ได้จะเป็นพิษมั้ยกับเซลล์ และเมื่อเราเข้าใจวิถีทางชีวเคมีดีแล้วในทุกขั้น จากสาร A ไป B ใช้เอนไซม์ตัวไหน จาก B ไป C ใช้เอนไซม์อีกตัวไหน จาก C ไป D ใช้เอนไซม์ตัวไหน

และถ้าเราเข้าใจว่าเอนไซม์อะไรบ้างที่จำเป็นต้องใช้เพื่อเปลี่ยน A ไปถึง D และสามารถโคลนเอายีนสร้างเอนไซม์พวกนั้นไปใส่ไว้ในสิ่งมีชีวิตที่ต้องการได้ เราก็จะสามารถสั่งให้สิ่งมีชีวิตนั้นผลิตสารเคมีที่เราสนใจได้ไม่ยากเย็น เช่น แบคทีเรีย  E. coli สามารถเปลี่ยนสาร A ไปเป็น B ได้ แต่ไม่มีเอนไซม์อื่นๆ ถ้าเราอยากให้แบคทีเรียผลิตสาร D ที่ปกติแล้วผลิตแต่ในพืช เราก็ต้องใส่ยีนสร้างเอนไซม์ (ซึ่งก็อาจจะเป็นเอนไซม์จากพืชนั่นแหละ) ลงไป 2 ตัว เพื่อเปลี่ยน B ไป C และเปลี่ยน C ไป D แค่นั้นเราก็จะสามารถสร้าง D ได้ใน E. coli ตามประสงค์ สำคัญคือเราต้องเข้าใจกระบวนการทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นภายในเซลล์พวกนั้นอย่างถ่องแท้

งานหนึ่งที่น่าสนใจคืองานของอีริค สตีน (Eric Steen) และ เจย์ คีสลิง (Jay Keasling) จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์ (Lawrence Berkeley National Laboratory) ในแคลิฟอร์เนีย ที่เผยแพร่ออกมาในวารสาร Nature ในปี 2010 ในงานนี้พวกเขามุ่งมั่นที่จะปรับปรุงสายพันธุ์แบคทีเรีย E. coli ให้สามารถย่อยสลายชีวมวลจากพืชที่ไม่ใช่อาหารเพื่อเอามาสร้างเป็นพลังงานสะสมในรูปของไบโอดีเซล (biodiesel) แอลกอฮอล์และสารพลังงานสูงอื่น ๆ เพื่อจะได้เอามาทำเป็นเชื้อเพลิง แต่ปัญหามันก็มี อีริคเล่า “กระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพของกรดไขมันในจุลินทรีย์จะสร้างกรดไขมันที่จับกับโปรตีนตัวพา (carrier protein) การสะสมของโปรตีนพวกนี้จะยับยั้งการสร้างกรดไขมันเพิ่มในเซลล์ ซึ่งโดยปกติแล้ว แบคทีเรีย ​E. coli จะไม่ยอมเสียพลังงานไปกับการสร้างไขมันส่วนเกิน แต่จะตัดเอากรดไขมันออกมาใช้จากโปรตีนตัวพา” เข้าใจกระบวนการตรงนี้ ช่วยให้อีริคและทีมสามารถข้ามผ่านอุปสรรคใหญ่หลวงไปได้

“เพียงแค่เราสามารถปลดล๊อคการควบคุมทางธรรมชาติตรงนี้ได้ ก็จะได้กรดไขมันมากมายมหาศาลที่สามารถเอามาเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงได้มากมาย” อีริคกล่าว

องค์ความรู้พื้นฐานที่ลึกซึ้งทำให้อีริคสามารถปรับแต่งแบคทีเรียได้ดังประสงค์​ และเพื่อให้แบคทีเรียไม่เอากรดไขมันที่กว่าจะบังคับให้สร้างและสะสมเอาไว้ในเซลล์ได้ก็ยากเย็นไปใช้สุ่มสี่สุ่มห้า อีริคเผยว่าทีมของเขาได้ “ปรับแต่งแบคทีเรีย E. coli ให้หมดสิ้นความสามารถในการกินกรดไขมันหรือแม้แต่เอากรดไขมันพวกมันไปใช้สร้างพลังงานก็ไม่ได้” เพียงเท่านี้ เขาก็ได้แบคทีเรียที่สะสมเอสเทอร์ไขมัน (fatty ester) ที่มักเอามาใช้เป็นไบโอดีเซล แอลกอฮอล์ และแวกซ์เอาไว้ภายในเซลล์อย่างมหาศาล แค่นั้นยังไม่พอ เพื่อให้แบคทีเรียสามารถย่อยสลายชีวมวลจากพืชได้โดยตรง อีริคและทีมได้เติมยีนสร้างเอนไซม์เฮมิเซลลูเลส (Hemicellulase) ลงไปใน E. coli ของพวกเขาด้วย เอนไซม์นี้จะช่วยเร่งปฏิกิริยาย่อยสลายผนังเซลล์ของพืชและช่วยลดต้นทุนในการสลายชีวมวลจากพืชได้อย่างมากโข ผลของอีริคน่าตื่นเต้นมาก นอกจากจะลงในวารสารชั้นนำอย่าง Nature แล้ว ยังถูกอ้างถึงไปแล้วกว่าพันครั้ง

ถ้ามองในมุมของชีววิทยาสังเคราะห์ การออกแบบแบคทีเรียผลิตน้ำมันกับการออกแบบยีสต์ให้ผลิตสารออกฤทธิ์จากกัญชา จุดเริ่มต้นก็คงไม่ต่างกัน คือ ต้องเข้าใจในวิถีของการผลิตสารออกฤทธิ์ที่ต้องการให้ถ่องแท้ เช่น ในกระบวนการนี้จำเป็นต้องใช้เอนไซม์อะไรบ้างจากกัญชา เอนไซม์แต่ละตัวมีพลวัตอย่างไร และเอนไซม์ดังกล่าวทำงานที่ในออร์แกเนลล์ไหนของเซลล์ ก่อนที่จะเอามาเปรียบเทียบกับของยีสต์  แล้วค่อย ๆ วางแผนเพื่อเพิ่มเติมใส่ยีนสำหรับสร้างเอนไซม์ที่ขาดไปให้ยีสต์ทีละตัวละตัว จนท้ายที่สุดพอมีเอนไซม์ครบ ก็มานั่งลุ้นเอาเซลล์ยีสต์จะสามารถผลิตสารที่เราต้องการออกมาให้เราได้หรือเปล่า หรือผลิตออกมาได้มากน้อยแค่ไหน

พูดง่าย แต่ความเป็นจริงอาจไม่ง่ายอย่างที่คิด เพราะพอระบบเริ่มซับซ้อน การปรับแต่งต้องใช้หลายขั้นหลายตอน หลายเอนไซม์ การออกแบบระบบจึงทำได้ไม่ง่าย เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยทางชีววิทยาสังเคราะห์จึงใช้หลักวิธีทางวิศวกรรมศาสตร์ (Engineering) มาประยุกต์ใช้ในการพัฒนา โดยหลักการทางวิศวกรรมศาสตร์ที่ว่า จะมีอยู่สี่ขั้นตอนหลักๆ หมุนวนเป็นวัฏจักรเรียกว่าวัฏจักร DBTL ซึ่งย่อมาจาก “ออกแบบ (Design)”  “สร้าง (Build)” “ทดสอบ (Test)” และ “เรียนรู้ (Learn)” และพอเรียนรู้แล้ว เอาสิ่งที่ได้เรียนรู้นั้นไปช่วยในการออกแบบในรอบใหม่ พัฒนาไปเรื่อยๆ จนได้ผลตามตั้งใจ และพอมีการประยุกต์ใช้กระบวนการทางวิศวกรรมมาช่วยในกระบวนการพัฒนา ทางสหราชอาณาจักรจึงมักเรียกกระบวนการเพื่อสร้างระบบในทางชีววิทยาสังเคราะห์ว่า “วิศวกรรมชีววิทยา (Engineering Biology)”

บทสรุป

จะเห็นได้ว่าเทคโนโลยีชีวภาพนั้นส่งผลกับการดำรงชีวิตของเรามาเนิ่นนาน ผ่านยุคแห่งการเปลี่ยนผ่านมาหลายสมัย ยิ่งติดอาวุธด้วยเทคโนโลยีทางพันธุวิศวกรรมล้ำยุค มุมมองทางด้านชีววิทยาสังเคราะห์ และกระบวนการทางวิศวกรรมด้วยแล้ว เทคโนโลยีนี้จะพัฒนาต่อไปอย่างรวดเร็วและจะส่งผลต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์มากยิ่งขึ้นเรื่อย ๆ ใครจะรู้ บางที คำกล่าวที่ว่า “ยุคนี้คือยุคแห่ง ai แต่ยุคต่อไปคือยุคของเทคโนโลยีชีวภาพ” เพราะอนาคตที่เทคโนโลยีชีวภาพที่จะทำให้มนุษย์เล่นบทพระเจ้าได้จริง ๆ อาจจะมาถึงในไม่ช้า”

“โลกนี้หมุนไปไว คำถามคือเราจะรีบเกาะติดไปในกลุ่มผู้นำ หรือจะรอเป็นแค่ผู้ตาม”

References

Alba-Lois, L. & Segal-Kischinevzky, C. (2010) Beer & Wine Makers. Nature Education 3(9):17

Luo, X., Reiter, M. A., D’Espaux, et al. (2019). Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast. Nature, 567(7746), 123–126. https://doi.org/10.1038/s41586-019-0978-9

Garner, K. L. (2021). Principles of synthetic biology. Essays in Biochemistry, 65(5), 791–811. https://doi.org/10.1042/ebc20200059

Gibson, D. G., Glass, J. I., Lartigue, C., et al. (2010). Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science, 329(5987), 52–56. https://doi.org/10.1126/science.1190719

Steen, E. J., Kang, Y., Bokinsky, G., et al. (2010). Microbial production of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass. Nature, 463(7280), 559–562. https://doi.org/10.1038/nature08721