Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

 

ยีสต์ หนอน และแมลงวัน ตอนที่ 1/3

(ประวัติศาสตร์อุตสาหกรรมไบโอเทคตอนที่ 46)

 

ขณะที่ศึกชิงจีโนมมนุษย์กำลังเป็นประเด็นใหญ่ในสื่อกระแสหลัก เรื่องราวการถอดรหัสจีโนมของสิ่งมีชีวิตตัวเล็กๆ ดำเนินไปเงียบๆ ในวงการนักวิจัย

จีโนมเหล่านี้เป็นหลักชัยระหว่างเส้นทาง และสนามประลองของทั้งเทคโนโลยี ทั้งระบบบริหารจัดการเมกะโปรเจ็กต์ชีววิทยาอย่างโครงการจีโนมมนุษย์ภาครัฐบาลและเอกชน

นี่คือเรื่องราวของ “สิ่งมีชีวิตต้นแบบ (model organism)” : ยีสต์ หนอน และแมลงวัน ที่ถูกถอดรหัสจีโนมสำเร็จในปี 1996, ปี 1998 และปี 2000 ตามลำดับ

นักธรรมชาติวิทยายุคโบราณเน้นศึกษา “ธรรมชาติ” จากการสังเกตปรากฏการณ์ต่างๆ รอบตัวเรา

ปัญหาสำคัญของวิธีนี้คือปรากฏการณ์เหล่ามักจะซับซ้อนมีปัจจัยมีตัวแปรเกี่ยวข้องมากมายจนเราสรุปผลออกมาให้ถูกต้องได้ยาก

หลังยุคปฏิวัติวิทยาศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์หันมาให้ความสำคัญกับการทดลองในห้องปฏิบัติการที่เราสามารถควบคุมตัวแปรต่างๆ ได้สะดวกกว่า

ด้วยหลักการนี้นักฟิสิกส์ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ แรงโน้มถ่วง แสง แม่เหล็กไฟฟ้า นิวเคลียร์ ฯลฯ นักเคมีค้นพบธาตุ สารประกอบ ปฏิกิริยา ฯลฯ

การค้นพบที่เริ่มต้นจากระบบง่ายๆ ในห้องปฏิบัติการด้วยลูกตุ้ม ปริซึ่ม แม่เหล็ก บิกเกอร์ หลอดทดลอง ฯลฯ เอาไปใช้อธิบายและทำนายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในแม่น้ำ ภูเขา มหาสมุทร ก้อนเมฆ ชั้นบรรยากาศ ดาวฤกษ์ กาแล็กซี่ ฯลฯ

ทั้งหมดนี้อยู่บนพื้นฐานความเชื่อว่ากฎเกณฑ์ฟิสิกส์และเคมีคงเดิมทุกที่ทุกเวลา ไม่ว่าจะกับระบบที่เรียบง่ายในห้องปฏิบัติการหรือของจริงที่ซับซ้อนกว่ามากในธรรมชาติ

วงการชีววิทยาไม่ได้มีกฎเกณฑ์ที่ตายตัวเหมือนฟิสิกส์และเคมี แต่นักชีววิทยานับแต่โบราณมาก็สังเกตได้ว่าสิ่งมีชีวิตหลายชนิดมีลักษณะร่วมกันบางอย่างตั้งแต่โครงสร้างร่างกาย ระบบอวัยวะ ไปจนถึงรูปแบบการเจริญ วงจรชีวิตและพฤติกรรม

ช่วงศตวรรษที่ 19 ทฤษฎีวิวัฒนาการของ Charles Darwin บอกเราว่าสิ่งมีชีวิตทั้งหลายเกี่ยวดองเป็นญาติกันและถือกำเนิดขึ้นมาผ่านกระบวนการคัดเลือกตามธรรมชาติคล้ายๆ กัน

ทฤษฎีเซลล์ของ Theodor Schwann และ Matthias Schleiden บอกว่าสิ่งมีชีวิตทั้งหลายประกอบด้วยหน่วยย่อยสุดคือเซลล์

การศึกษาชีวเคมีในศตวรรษนี้ยังทำให้เรารู้ว่าเซลล์สิ่งมีชีวิตทั้งหลายก็ยังประกอบด้วยโมเลกุลพื้นฐานคล้ายๆ กันอย่างโปรตีน คาร์โบไฮเดรต ไขมัน ฯลฯ

นั่นแปลว่านักชีววิทยาน่าจะสามารถใช้การศึกษาสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายเพื่อทำความเข้าใจสิ่งมีชีวิตอื่นที่ซับซ้อนมากกว่า แนวคิดนี้กลายเป็นที่มาของการใช้ “สิ่งมีชีวิตต้นแบบ (model organism)”

การถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรมจากรุ่นสู่รุ่นเป็นหนึ่งในคุณสมบัติร่วมของทุกสิ่งมีชีวิต วงการพันธุศาสตร์ก็เป็นวงการแรกที่นำเอาสิ่งมีชีวิตต้นแบบมาใช้ศึกษากฎเกณฑ์และกลไกการถ่ายทอดพันธุกรรม

งานของ Gregor Mendel ช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ใช้ถั่วลันเตา (Pisum sativum) เป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบ พืชชนิดนี้ทั้งปลูกง่าย โตเร็ว ให้เมล็ดเยอะ ควบคุมการผสมพันธุ์ได้ง่าย ลักษณะพันธุกรรมสังเกตได้ชัดเจน (เช่น ความสูงของต้น สี ความเรียบเมล็ด)

นอกจากนี้ Mendel ยังโชคดีที่ลักษณะพันธุกรรมที่เขาศึกษาถูกควบคุมโดยยีนเดี่ยวๆ ทำให้แปลผลการทดลองง่าย

“กฎการถ่ายทอดพันธุกรรมของ Mendel” กลายเป็นหนึ่งในกฎครอบจักรวาลข้อแรกๆ ที่วงการชีววิทยารู้จัก

งานของ Mendel ถูกรื้อฟื้นมาช่วงศตวรรษที่ 20 แมลงวันผลไม้ชนิด Drosophila melanogaster กลายเป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบอย่างเป็นทางการตัวแรกของวงการพันธุศาสตร์ ด้วยวงจรชีวิตที่สั้นเพียงสิบวันต่อรุ่น ขนาดที่เล็กพอที่นักวิจัยจะเลี้ยงได้เป็นร้อยๆ ตัวในกล่องขนาดเล็ก ลักษณะพันธุกรรมสังเกตง่าย (เช่น สีตา ความยาวปีก ฯลฯ) โครโมโซมใหญ่และมีเพียงสี่คู่ (มนุษย์มี 23 คู่ หนูมี 20 คู่ ยีสต์ขนมปังมี 16 คู่) ทำให้ Drosophila ถูกใช้อย่างแพร่หลายในการศึกษาการถ่ายทอดพันธุกรรมผ่านโครโมโซม และเป็นต้นแบบในการสร้างแผนที่ตำแหน่งยีนบนโครโมโซม (Gene mapping) เป็นครั้งแรก

กลางศตวรรษที่ 20 หนอนตัวกลมชนิด Caenorhabditis elegans ถูกเสนอให้เป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบที่มีหลายเซลล์ อีกชนิดที่เรียบง่ายยิ่งกว่า Drosophila

หนอนชนิดนี้มีจำนวนเซลล์ที่คงที่เพียงไม่ถึงพันเซลล์ต่อตัว วงจรชีวิตสั้นเพียงสามวันต่อรุ่น เลี้ยงและเก็บรักษาง่ายราวกับจุลินทรีย์

กระนั้นก็ยังมีลักษณะของสัตว์หลายเซลล์แทบจะครบถ้วนทั้งระบบอวัยวะ พฤติกรรมสังคม การเรียนรู้ การแก่ชรา ฯลฯ

ส่วนเรื่องราวของยีสต์ Saccharomyces cerevisiae ในฐานะสิ่งมีชีวิตต้นแบบนั้นค่อนข้างต่างจากเพื่อน เพราะมันเป็นจุลินทรีย์มิตรสหายคู่บุญมนุษย์เรามายาวนานเป็นพันปี ตั้งแต่วงการหมักเหล้าหมักเบียร์พื้นบ้าน ถึงอุตสาหกรรมสุรา และพลังงานทดแทน แม้แต่การศึกษาพันธุศาสตร์ของยีสต์ก็เริ่มมาจากงานวิจัยภาคเอกชนของ Carlsberg laboratory (บริษัทเบียร์ Carlsberg) ช่วงทศวรรษที่ 1930s

S. cerevisiae เป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว วงจรชีวิตสั้นเพียงชั่วโมงครึ่งต่อรุ่นเท่านั้น เลี้ยงง่าย เก็บรักษาก็ง่าย แต่ก็ยังมีลักษณะร่วมอีกหลายอย่างกับสิ่งมีชีวิตชั้นสูงอย่างพืช สัตว์ และมนุษย์ ทั้งรูปแบบ Eukaryote (เซลล์มีนิวเคลียส) วงจรการสืบพันธุ์แบบทั้งอาศัยและไม่อาศัยเพศ โครงสร้างโครโมโซม ไล่ลงไปถึงยีนสำคัญหลายร้อยยีน

จุดเด่นสำคัญอีกอย่างของ S.cerevisiae คือเราสามารถปรับแต่งพันธุกรรมมันได้สะดวก สามารถกำจัดยีน (knock out), เติมยีน (knock in), แก้ไข (edit) ยีนอะไรตรงไหนก็ได้

ปลายทศวรรษที่ 1980 ระหว่างที่ฝั่งอเมริกายังตบตีกันเรื่องทิศทางโครงการจีโนมมนุษย์ นักวิจัยฝั่งยุโรปได้รวมตัวกันทำเมกะโปรเจ็กต์ที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์วงการชีววิทยาเพื่อถอดรหัสจีโนมยีสต์ S. cerevisiae

โครงการนี้นำโดย Andre Goeffeau จาก University of Louvain ประเทศเบลเยียม ได้ทุนสนับสนุนหลักจาก European Commission (EC) ขอสหภาพยุโรปประมาณ 30 ล้านยูโร

แนวทางบริหารโครงการนี้ต่างจากโครงการจีโนมมนุษย์ฝั่งอเมริกา ไม่ได้เน้นการสร้างศูนย์ถอดรหัสจีโนมใหญ่ๆ ทำงานรวดเดียวจบ ไม่ได้ให้แต่ละทีมเข้ามาแย่งกันขอทุนทำส่วนต่างๆ ในจีโนม

แต่อาศัยการทำงานแบบเครือข่ายประสานกัน มีศูนย์ประสานงานที่อังกฤษทำหน้าที่เป็น DNA resource center แจกจ่ายชิ้นส่วนดีเอ็นเอ (ที่ตัดแบ่งจากจีโนมยีสต์โคลนลงพลาสมิด) ให้แต่ละทีมวิจัยเล็กๆ ที่กระจายตัวอยู่ในหลายประเทศช่วยกันอ่านลำดับเบส อีกศูนย์ประสานงานที่เยอรมนีทำให้ที่เป็น information coordination center รวมรวมข้อมูลลำดับเบสที่แต่ละทีมอ่านได้มาประกอบและวิเคราะห์ร่วมกัน

โครงการนี้ไม่ได้เน้นการพัฒนาเทคโนโลยีอ่านและวิเคราะห์ลำดับเบส เน้นแจกงานแล้วลุยกันเลยด้วยเครื่องมือเท่าที่มี

Goeffeau ให้ความเห็นว่างานอ่านลำดับเบส (ในยุคนั้น) ช้าและน่าเบื่อเกินกว่าใครจะอยากทำคนเดียว ดังนั้น จงเอาไปแบ่งๆ กันทำซะ

 

โครงการนี้เริ่มต้นเดือนมกราคม 1989 เฟสแรกโฟกัสที่โครโมโซม III ซึ่งคาดว่าน่าจะเป็นหนึ่งในโครโมโซมที่เล็กที่สุดก่อน ขนาดโดยประมาณอยู่ที่ราว 340 กิโลเบส มีทีมวิจัยจากทั้งยุโรปรวม 35 ทีมเข้าร่วมในโครงการนี้

เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์วงการชีววิทยาที่มีทีมวิจัยเยอะขนาดนี้มาช่วยกันรุมยำโครงการวิจัยเดียว

กติกาพื้นฐานคือทีมวิจัยไหนได้ชิ้นดีเอ็นเอจาก DNA resource center ไปก็จะได้เป็นเจ้าของชิ้นนั้นไม่มีคนอื่นแย่งจนกว่าจะเสร็จ

แต่ละทีมต้องส่งงานเป็นลำดับเบสที่อ่านได้อย่างน้อย 6 กิโลเบส/ปี ให้กับ information coordination center และจะได้รับค่าตอบแทน 5 ยูโร/เบส

ทีมไหนเสร็จไวกว่ากำหนดก็เอาดีเอ็นเอไปอ่านเพิ่มและได้เงินเพิ่มตามผลงาน

ทีมไหนติดปัญหาเสร็จช้าก็เอาแบ่งให้ทีมอื่นรับไปทำแทนและอดได้เงินส่วนนั้น

ข้อมูลที่ information coordination center จะยังไม่เปิดเผยต่อสาธารณะ รอตีพิมพ์ทีเดียวเมื่องานเสร็จ

จีโนมจากโครโมโซมที่ III ถูกอ่านครบภายในสองปี ผ่านการวิเคราะห์ ตรวจสอบ และตีพิมพ์งานวิจัยในปี 1992

ถือเป็นครั้งแรกของโลกที่โครโมโซมของยูแคริโอตถูกถอดรหัสสำเร็จ

 

เฟสต่อมาโครงการจีโนมยีสต์ขยายขอบเขตออกไปอีก เครือข่ายทีมวิจัยจาก 19 ประเทศทั้งยุโรป อเมริกาเหนือ และญี่ปุ่นรวมกว่า 100 ทีมและนักวิจัยรวมกว่า 600 ชีวิตร่วมกันถอดรหัสจีโนมยีสต์อีก 15 โครโมโซมที่เหลือ นอกจากงบประมาณวิจัยภาครัฐแล้วก็ยังได้เครือข่ายบริษัทเอกชนอีกสิบกว่าบริษัทลงขันกันสนับสนุนโครงการนี้

ทีมวิจัยฟากยุโรปยังคงอาศัยหลักกองทัพมดแบ่งงานให้ทีมเล็กทีมน้อยหลายสิบทีมไปช่วยกันอ่านลำดับเบส เป้าขั้นต่ำของแต่ละทีมอยู่ที่ 25 กิโลเบส/ปี ค่าตอบแทนที่ 2 ยูโรต่อทีม เมื่อโครงการนี้สิ้นสุดลงสี่ปีให้หลังผลงานการอ่านลำดับเบสจีโนม S.cerevisiae ราว 55% เป็นของทีมเล็กทีมน้อยเหล่านี้รวมกัน ที่เหลืออีก 45% เป็นของศูนย์จีโนมขนาดใหญ่อย่าง Sanger Center (อังกฤษ), Washington University (สหรัฐ), Stanford University (สหรัฐ), McGill University (แคนาดา) และ RIKEN (ญี่ปุ่น)

24 เมษายน 1996 จีโนมของ S.cerevisiae ถูกเผยแพร่ต่อสาธารณะ นับเป็นจีโนมที่สี่ต่อจากจีโนมของ Haemophilus influenzae (ขนาด 1.8 ล้านเบส), Mycoplasma genitalium (ขนาด 0.6 ล้านเบส) และ Methanococcus jannaschii (ขนาด 1.7 ล้านเบส)

จีโนม S.cerevisiae เป็นจีโนมแรกของยูแคริโอต เป็นจีโนมที่ใหญ่ที่สุด ณ เวลานั้น (ขนาด 12 ล้านเบส)

และเป็นบทพิสูจน์ครั้งประวัติศาสตร์ว่านักชีววิทยาภาครัฐสามารถทำงานประสานกันหลายร้อยชีวิตหลายสิบสถาบันทั่วโลกในอภิมหาโปรเจ็กต์สเกลนี้ได้ (สามจีโนมแรกเป็นผลงานฉายเดี่ยวของบริษัท Celera genomics)

 

Goeffeau หัวหน้าโครงการสรุปปัจจัยแห่งความสำเร็จของเครือข่ายถอดรหัสจีโนมยีสต์ไว้สามข้อ

ข้อแรก คือระบบสารสนเทศโดยเฉพาะอินเตอร์เน็ตที่ช่วยในการสื่อสารและบริหารจัดการข้อมูล (ระบบ www เพิ่งเปิดให้สาธารณชนใช้ช่วงปี 1993-1994)

ข้อสอง คือทีมวิจัยขนาดเล็กหลายทีมผลิตผลงานออกมารวดเร็วมาก ทีมที่เก่งๆ อ่านลำดับเบสออกมาได้ถึง 2 แสนเบสต่อปีโดยใช้คนแค่สองสามคนและไม่มีเครื่องอ่านลำดับเบสอัตโนมัติ

ข้อสุดท้ายและสำคัญที่สุดคือการที่ทุกทีมกระตือรือร้นจะทำงานให้เสร็จ มุ่งหน้าทั้งแข่งขัน ทั้งร่วมมือสู่เป้าหมายเดียวกัน ได้เห็นข้อมูลจีโนมค่อยถูกเติมให้เต็มเร็วขึ้นเรื่อยๆ ไปพร้อมๆ กัน

จีโนมยีสต์มีบริเวณที่คาดว่าจะเป็นยีนอยู่ราว 6,000 ยีน มีเพียงประมาณ 1,000 ยีนเท่านั้นที่เรารู้หน้าที่ความสำคัญชัดเจนจากการศึกษาพันธุศาสตร์ของยีสต์ตลอดหลายทศวรรษก่อนหน้านี้ มียีนอีกถึงราว 2,000 ที่เรายังไม่รู้เลยว่าพวกมันทำหน้าที่อะไร แถมยังไม่คล้ายกับยีนในสิ่งมีชีวิตใดๆ ที่เราเคยรู้จัก

จีโนมยีสต์จึงเป็นทั้งความสำเร็จที่น่าภูมิใจของวงการวิทยาศาสตร์ในแง่องค์ความรู้และการบริหารโครงการ อีกทั้งยังเป็นสัญญาณเตือนให้เราถ่อมใจว่าแม้แต่สิ่งมีชีวิตที่เรารู้จักดีที่สุดคุ้นเคยกับมันมานับพันปีก็ยังมีปริศนาซ่อนอยู่อีกมากมาย

จีโนมยีสต์อาจจะเป็นตัวแทนของความสมานสามัคคีในวงการวิจัย แต่จีโนมหนอนและจีโนมแมลงวันกำลังจะกลายเป็นสนามประลองสำคัญในศึกจีโนมมนุษย์

ติดตามต่อตอนหน้าครับ

Reference

https://www.yourgenome.org/theme/the-pilot-project-for-the-human-genome-project-sequencing-c-elegans/

https://www.yourgenome.org/theme/timeline-history-of-genomics/

https://www.nytimes.com/2000/03/24/us/on-road-to-human-genome-a-milestone-in-the-fruit-fly.html

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20727995/

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982202005262

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3962479

https://www.yeastgenome.org/blog/in-memoriam-andre-goffeau

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30645763/

https://library.cshl.edu/oralhistory/interview/misc/biotechnology/sulston-craig-venter-and-celera-genomics/

 

 

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022