Synthetic Biology: เมื่อมนุษย์เล่นบทพระเจ้า (ด้วยชีววิทยาสังเคราะห์) [EP.2]
ในตึกขนาดใหญ่สไตล์ลอฟท์ที่ออกแบบมาอย่างโมเดิร์น บนเนินเขาในซานดิเอโก นักวิจัยกำลังออกแบบสิ่งมีชีวิตสายพันธุ์ใหม่ที่มีจีโนมแบบมินิมัล ในปี 2010 ทุกสื่อพาดหัวตัวใหญ่ หรือว่านักวิจัยจะเล่นบทพระเจ้า เมื่อทีมวิจัยจากสถาบันวิจัยเจ เครก เวนเทอร์ (J Craig Ventor Institute) ได้เปิดตัวแบคทีเรีย Mycoplasma สายพันธุ์ใหม่ ที่มีจีโนมที่ออกแบบโดยมนุษย์!! แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถตัดแต่งพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตจนได้สิ่งมีชีวิตสายพันธุ์ใหม่ ๆ อย่างเช่น แบคทีเรียผลิตอินซูลิน ข้าวสีทอง (ข้าวที่อุดมไปด้วยเบต้าแคโรทีน) ฝ้ายบีที (ฝ้ายที่ผลิตโปรตีนสารพิษฆ่าแมลงจากแบคทีเรียทำให้ทนต่อโรคแมลง) ไปจนถึงสไปเดอร์แพะ (Spider Goat) ที่ผลิตโปรตีนใยแมงมุมออกมาได้ในน้ำนม กระแสแห่งพันธุวิศวกรรมทำให้นักวิทยาศาสตร์มากมายเริ่มเปลี่ยนมุมมองที่มีต่อระบบของสิ่งมีชีวิต บางทีชีวิตอาจจะถูกโปรแกรมได้ ถ้าเราเข้าใจซอฟแวร์และอัลกอริทึมแห่งชีวิตได้ดีพอ สำหรับเครก เวนเทอร์ เซลล์ของสิ่งมีชีวิตก็ไม่ต่างอะไรไปจากจักรกลชีวภาพที่เกลื่อนกล่นไปด้วยโปรตีนที่ทำหน้าที่เหมือนหุ่นยนต์คอยควบคุมกลไกต่าง ๆ อยู่ข้างในและถ้าเราควบคุมโปรตีนได้ เราก็จะสามารถกำหนดปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในเซลล์และบงการสิ่งมีชีวิตได้ตามประสงค์ “ดีเอ็นเอเป็นเหมือนซอฟแวร์ที่บรรจุรหัสดิจิตัลที่ใช้ในการสร้างโปรตีน” เครกเปรียบ “และถ้าเราปรับแต่งและรีบู๊ตรหัสในโครโมโซมเสียใหม่ สร้างเป็นโครโมโซมสังเคราะห์ บางทีเราอาจจะสร้างสิ่งมีชีวิตชนิดใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อนขึ้นมาได้ก็ได้” ไม่จำเป็นต้องเอายีนมามิกซ์แอนแมตช์ (Mix and Match) แล้วลุ้นเอาเหมือนในอดีต ไอเดียของเครก ถูกพิสูจน์ชัดในปี 2002 โดยทีมวิจัยนำโดยนักชีววิทยาสังเคราะห์ เจโรนิโม เซลโล (Jeronimo Cello) อะนิโก พอล (Aniko V. Paul) เอคคาร์ด วิมเมอร์ (Eckard Wimmer) จากมหาวิทยาลัยรัฐนิวยอร์กที่สโตนี่บรู๊ก (State University of New York at Stony Brook) ที่ประสบความสำเร็จในการสร้างอนุภาคไวรัสโปลิโอที่สามารถติดเชื้อได้จากการสังเคราะห์สายดีเอ็นเอของไวรัสขึ้นมาด้วยวิธีทางเคมีตามรหัสพันธุกรรมที่ดาวน์โหลดออกมาจากฐานข้อมูลสาธารณะ ในตอนนั้นเปเปอร์ Chemical Synthesis of Poliovirus cDNA: Generation of Infectious Virus in the Absence of Natural Template ที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร Science นั้นเป็นที่โจษขานและวิพากษ์วิจารณ์กันอย่างกว้างขวางเพราะแค่มีข้อมูลซอฟแวร์ (รหัสพันธุกรรม) แค่นั้นก็เพียงพอแล้วที่จะสังเคราะห์ไวรัสที่ติดเชื้อได้ออกมาให้ผู้คนประหวั่นพรั่นพรึงได้ “ชีวิตคือระบบซอฟแวร์ดีเอ็นเอ” นักวิจัยหลายคนเริ่มที่จะมองหาลู่ทางในการใช้เซลล์แบคทีเรีย ยีสต์ รา หรือสาหร่ายที่เลี้ยงง่าย โตไว สเกลง่าย ใช้ต้นทุนต่ำเพื่อเป็นโฮสต์ หรือที่หลายคนเรียกว่า “โรงงานเซลล์จุลินทรีย์ (Microbial Cell Factory) ในการผลิตสารออกฤทธิ์สำคัญจากพืชและสัตว์เหล่านี้ และเพื่อผลิตสารออกฤทธิ์ให้ได้ดังใจหวัง ถ้าจะผลิตสารจากพืช เริ่มแรกพวกเขาจะต้องเปรียบเทียบก่อนว่าวิถีทางชีวเคมีที่เรียกว่าวิถีเมตาโบลิซึมในจุลินทรีย์ที่เลือกมาเป็นโฮสต์นั้นมีอะไรบ้าง ต่างจากพืชอย่างไรบ้าง ขาดเอนไซม์เร่งปฏิกิริยาไหนเพื่อให้ได้สารออกฤทธิ์ที่ต้องการ ก่อนที่จะเริ่มออกแบบวิถีเมตาโบลิซึมแบบใหม่ค่อย ๆ โคลนยีนทีละตัวใส่เข้าไป เพื่อเติมเต็มเอนไซม์ที่ขาด และปรับแต่งสภาวะการเลี้ยง จนกระทั่งเชื้อจุลินทรีย์สามารถผลิตสารได้ตามที่คาดหวัง (หรืออย่างน้อยก็ได้ดีพอที่จะทำออกมาขายได้คุ้มทุน) และเพื่อให้การผลิตเป็นไปได้อย่างมีประสิทธิภาพและได้ผลผลิตมากที่สุด เอนไซม์ที่พวกนักวิจัยและวิศวกรเลือกมาเติมมักจะเป็นเอนไซม์ที่ทำงานได้ดีและสอดคล้องกับวิถีของจุลินทรีย์ที่ปรับแต่งมามากที่สุด ซึ่งอาจจะมาจากพืชเจ้าของสารเป้าหมายหรือจากแหล่งอื่นก็ได้ อย่างเช่น อยากสร้างสารออกฤทธิ์จากกัญชา อาจจะต้องโคลนยีนผลิตเอนไซม์ใส่ลงไปในยีสต์ 5 ยีน สามยีนแรกเจอในคะน้าด้วย และอาจจะมีคุณสมบัติที่ดีกว่า สอดคล้องกว่า บางทีนักวิจัยก็อาจจะเลือกเอายีนคะน้ามาใช้แทนก็เป็นได้ และเมื่อมีการออกแบบวิถีทางเมตาโบลิซึมแบบใหม่ นักวิจัยส่วนใหญ่ในวงการนี้จึงอาจถือได้ว่าเป็น วิศวกรเมตาโบลิซึม (Metabolic Engineer) ผู้ออกแบบชีวิต ปัจจุบัน วิศวกรเมตาโบลิซึมสามารถออกแบบยีสต์และแบคทีเรียเพื่อผลิตสารออกฤทธิ์และสารมูลค่าสูงทางการแพทย์และอุตสาหกรรมออกมามากมาย ทั้งยาต้านมาลาเรีย “อาร์ทีมิซินิน (Artemisinin)” หรือ ชิงเห่าซู (Qinghao su) ที่เดิมต้องสกัดออกมาจากต้นชิงเห่า (Qinghao) หรือที่ในไทยมักเรียกกันว่าโกฐจุฬาลัมพาเท่านั้น แคนาบินอยด์และอนุพันธ์ต่าง ๆ ที่เดิมต้องสกัดมาจากกัญชา ยาเคมีบำบัด “วินบลาสทีน (Vinblastine) และวินคริสทีน (Vincristine) จากต้นแพงพวยฝรั่งที่ใช้ในการรักษาโรคมะเร็ง ไปจนถึงซาโปนิน QS21 จากต้นกีไย (Quillay) หรือต้นสบู่ (Soap Bark) สารกระตุ้นภูมิ (Adjuvant) วัคซีนราคาแพงระยับที่หลายบริษัทวัคซีนให้ความสนใจ การออกแบบวิถีเมตาโบลิซึมแบบนี้ทำให้เซลล์ของสิ่งมีชีวิตนั้นผลิตสารเคมีออกมาได้ไม่ต่างจากโรงงานเพื่อผลิตสารเคมีราคาแพง นั่นคือสาเหตุที่หลายคนเรียกจุลินทรีย์พวกนี้ว่าโรงงานเซลล์จุลินทรีย์ และด้วยจุลินทรีย์พวกนี้ถูกออกแบบมาเป็นอย่างดีเพื่อการผลิตสารออกฤทธิ์ที่สนใจ อีกทั้งยังผ่านกระบวนการปรับปรุงปรับแต่งมาแล้วอย่างเข้มข้น โดยมากวิศวกรและนักวิจัยที่พัฒนาสายพันธุ์จึงมักจะรู้จักธรรมชาติของพวกมันเป็นอย่างดี ทำให้การนำไปอัพสเกลขยายขนาดในถังหมักขนาดใหญ่ (Fermenter) เพื่อการผลิตในระดับอุตสาหกรรมนั้นสามารถทำได้ง่ายและกำหนดพารามิเตอร์ต่าง ๆ ในการเพาะเลี้ยงและการจัดการได้อย่างแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเทียบกับการหมักด้วยเชื้อสายพันธุ์ที่ได้มาจากธรรมชาติ ทำให้หลายคนเรียกกระบวนการผลิตด้วยโรงงานจุลินทรีย์แบบนี้ว่า “การหมักแม่นยำ” หรือ Precision Fermentation แม้ว่าโรงงานเซลล์จุลินทรีย์ และ การหมักแม่นยำ จะเริ่มที่จะมีบทบาทและคุณูปการณ์ต่อมวลมนุษยชาติบ้างแล้ว อย่างเช่นการอัพสเกลการผลิตยาอาร์ทีมิซินินในยีสต์เพื่อต้านมาลาเรียเพื่อการรักษาในประเทศขาดแคลน แต่สำหรับพ่อมดแห่งวงการจีโนมอย่างเครก วิศวกรรมเมตาโบลิซึมแบบนี้กลับเป็นแค่น้ำจิ้ม แม้จะน่าสนใจ แต่ยังไม่ใช่เทคโนโลยีแห่งการออกแบบชีวิตอย่างแท้จริง เครกมองว่าถ้าเราจะวิศวกรรมสิ่งมีชีวิตขึ้นมาใหม่ เราต้องเริ่มจากศูนย์ หรืออย่างน้อยก็ควรจะใช้สิ่งมีชีวิตที่มีจีโนมที่มินิมัลที่สุด ไม่ใช่ยีสต์หรือแบคทีเรียที่มียีนที่ไม่เกี่ยวข้องอยู่มากมายกระจัดกระจายเต็มจีโนม ไอเดียของเครกบ้าระห่ำแบบหลุดโลก การออกแบบสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ขึ้นมาจากศูนย์นั้นไม่ต่างอะไรไปจากการเล่นบทพระเจ้า และนั่นทำให้เขาโดนค่อนขอดจากสื่อหลายแหล่ง รวมถึงถูกมองว่านอกรีต ทว่าแม้ว่าจะโดนปรามาส แต่เครกติดสินใจเดินหน้าเต็มกำลัง เพื่อทำฝันให้เป็นจริง เครกทุ่มเงินก้อนโตราวสี่สิบล้านเหรียญสหรัฐ เพื่อลงขันสร้างจุลินทรีย์ที่มีจีโนมที่มินิมัลที่สุด เริ่มตั้งแต่การถอดรหัสจีโนมที่เล็กจิ๋วสุดมินิมัลของแบคทีเรีย Mycoplasma genitalium ที่มีขนาดเพียงแค่ราว ๆ หกแสนคู่เบส (เล็กกว่าแบคทีเรีย อี โคไล (E. coli) ราว ๆ เกือบสิบเท่า) และมียีนอยู่เพียงแค่ 485 ยีน ที่น่าสนใจคือ จาก 485 ยีน ทีมของเขาตีความว่าราว ๆ ร้อยยีนน่าจะไม่ใช่ยีนที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตของแบคทีเรีย ซึ่งหมายความว่าจีโนมที่มินิมัลที่สุดของแบคทีเรียนั้นน่าจะเล็กลงไปกว่านั้นได้อีกค่อนข้างเยอะ และในปี 2003 หลังการทดลองสังเคราะห์ไวรัสโปลิโอของทีมสโตนี่บรู๊คเพียงแค่ปีเดียว ทีมของเครกก็สังเคราะห์จีโนมของไวรัสที่ทำลายแบคทีเรียขนาดราว ๆ ห้าพันสี่ร้อยคู่เบสที่ชื่อแบคเทริโอเฟจ ϕX174 (bacteriophage ϕX174) ได้สำเร็จด้วยวิธีทางเคมีที่มีแรงบันดาลใจมาจากการสังเคราะห์ไวรัสโปลิโอของสโตนี่บรู๊ค แบคเทริโอเฟจ ϕX174 (ภาพจากวิกิพีเดีย) และในอีกห้าปีต่อมา ทางทีมก็สามารถสังเคราะห์โครโมโซมทั้งเส้นของแบคทีเรียได้สำเร็จ แม้จะไม่ได้มีขนาดใหญ่โตอะไรแต่ก็ครบทั้งเส้น เครกเผยว่าการทดลองของเขาไม่ได้เกิดขึ้นมาได้อย่างง่ายดาย แต่ผ่านกระบวนการทางวิศวกรรม ซึ่งรวมถึงดีไซน์ (Design) สร้าง (Build) ทดสอบ (Test) และเรียนรู้ (Learn) หรือ DBTL มาอย่างโชกโชน และแล้วในปี 2010 เครกก็ประสบความสำเร็จ แบคทีเรียตัวแรกที่มีสารพันธุกรรมทั้งหมดเป็นจีโนมสังเคราะห์ที่ทีมของเขาได้ออกแบบมา ก็ได้ถือกำเนิดขึ้นมาบนโลก พวกเขาตั้งชื่อชีวิตแรกที่มาจากฝีมือมนุษย์นี้ว่า Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 หรือ Synthia เวอร์ชั่น 1.0 ภาพเซลล์ของ Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 หรือ Synthia เวอร์ชั่น 1.0 (ภาพจาก JCVI) โคโลนีของ Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 หรือ Synthia เวอร์ชั่น 1.0 (ภาพจาก JCVI) ทันทีที่ข่าวถูกประกาศออกไป เรื่องราวของเซลล์แบคทีเรียสังเคราะห์ Synthia ก็กลายเป็นประเด็นถกเถียงที่เผ็ดร้อนในทันที… “มนุษย์สุดอหังการ์หาญกล้าจะเล่นบทพระเจ้า” แน่นอนว่าอนาคตจะเป็นเช่นไรคงไม่มีใครจะบอกได้…. แต่สิ่งหนี่งที่ชัดเจนก็คือมนุษย์ได้ก้าวข้ามเส้นแบ่งทางธรรมชาติขึ้นมาอีกขั้นแล้ว ด้วยการเนรมิตชีวิตชนิดใหม่ขึ้นมาด้วยชีววิทยาสังเคราะห์!
References Cello J, Paul AV, Wimmer E. Chemical synthesis of poliovirus cDNA: generation of infectious virus in the absence of natural template. Science 297 (5583):1016-8. (2002) https://doi.org/10.1126/science.1072266
Ro, DK., Paradise, E., Ouellet, M. et al. Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast. Nature 440 , 940–943 (2006). https://doi.org/10.1038/nature04640
Luo, X., Reiter, M.A., d’Espaux, L. et al. Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast. Nature 567 , 123–126 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-0978-9
Liu, Y., Zhao, X., Gan, F. et al. Complete biosynthesis of QS-21 in engineered yeast. Nature 629 , 937–944 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07345-9
Zhang, J., Hansen, L.G., Gudich, O. et al. A microbial supply chain for production of the anti-cancer drug vinblastine. Nature 609 , 341–347 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05157-3
Sleator RD. The story of Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0: the forty million dollar microbe. Bioeng Bugs. 1 (4):229-30. (2010) https://doi.org/10.4161/bbug.1.4.12465
Smith HO, Hutchison CA 3rd, Pfannkoch C, Venter JC. Generating a synthetic genome by whole genome assembly: phiX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. Proc Natl Acad Sci U S A. 23 ;100(26):15440-5. (2003) https://doi.org/10.1073/pnas.2237126100
Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, Noskov VN, Chuang RY, Algire MA, et al . Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science. 329 :52–56. (2010). https://doi.org/10.1126/science.1190719
Fraser CM, Gocayne JD, White O, Adams MD, Clayton RA, Fleischmann RD, et al. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium . Science. 270 :397–403. (1995) https://doi.org/10.1126/science.270.5235.397
Gibson DG, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C, Denisova EA, Baden-Tillson H, Zaveri J, et al. Complete chemical synthesis, assembly, and cloning of a mycoplasma genitalium genome. Science. 319 :1215–1220. (2008) https://doi.org/10.1126/science.1151721
