Innovation Grand Challenges ตอนที่ 9
Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร
Innovation Grand Challenges ตอนที่ 9
บทความตอนนี้ว่าด้วยหนึ่งใน Innovation Grand Challenges ที่สำคัญที่สุดแห่งศตวรรษที่ 20 และ 21 การแข่งขันที่นำมาสู่การปลดล็อกศักยภาพของจักรกลธรรมชาติระดับนาโนที่อาจจะเป็นคำตอบของสารพัดปัญหาของมนุษย์ทั้งการแพทย์ เกษตร อาหาร อุตสาหกรรม และสิ่งแวดล้อม
ตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าประมาณครึ่งหนึ่งของมวลแห้งในเซลล์ประกอบจากสารที่เรียกว่า “โปรตีน” ซึ่งทำหน้าที่เป็นโครงสร้างและตัวเร่งปฏิกิริยาแทบทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต
ช่วงต้นถึงกลางศตวรรษที่ 20 เราค้นพบกรดอะมิโนพื้นฐานทั้งยี่สิบชนิด เรายังได้พัฒนาเทคนิคแยกองค์ประกอบหาสัดส่วนอะมิโนแต่ละชนิดในโปรตีน (amino acid composition) อ่านลำดับอะมิโนที่อยู่บนสายโปรตีน (amino acid sequence) และมองเห็นสายโปรตีนม้วนพับเป็นโครงสร้างสามมิติ (3D protein structure) ซึ่งเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติและหน้าที่การทำงานของมัน
ในขณะเดียวกัน ช่วงกลางศตวรรษที่ 20 นี้ มนุษย์เราก็ยังได้ค้นพบโครงสร้างของดีเอ็นเอ พร้อมกับกลไกการถ่ายทอดและแสดงออกรหัสพันธุกรรม ดีเอ็นเอสามารถถูกถอดรหัส (transcribe) เป็นอาร์เอ็นเอ และแปลรหัส (translate) เป็นโปรตีน
ดังนั้นถ้าเรารู้ลำดับเบสดีเอ็นเอเราก็จะสามารถบอกได้ว่าดีเอ็นเอชิ้นนี้จะแสดงออกมาเป็นโปรตีนหน้าตาแบบไหน
ขณะเดียวกัน ถ้าเรารู้หน้าตาของโปรตีนที่เราสนใจ เราก็สามารถรู้ได้ว่าต้องใช้ลำดับเบสดีเอ็นเออะไรต้นทางเพื่อสร้างโปรตีนนี้ขึ้นมา
การค้นพบเหล่านี้เป็นรากฐานของศาสตร์ชีววิทยาโมเลกุล (molecular biology) และเทคโนโลยีชีวภาพ (biotechnology) สมัยใหม่
ทศวรรษ 1960 Christian Anfinsen นักชีวเคมีชาวอเมริกันค้นพบว่าโปรตีนเอนไซม์ Ribonuclease A ที่ถูกทำให้เสียสภาพด้วยความร้อนหรือสารเคมีสามารถย้อนกลับคืนสู่สภาพเดิมที่ใช้การได้ในสิ่งแวดล้อมที่เหมาะสม การทดลองนี้นำมาสู่สมมุติฐานที่ว่าลำดับอะมิโนบนสายโปรตีนเพียงอย่างเดียวเป็นตัวกำหนดการม้วนพับเป็นโครงสร้างสามมิติที่ถูกต้องพร้อมใช้งานของโปรตีนตัวนั้น
Anfinsen ได้รางวัลโนเบลสาขาเคมีจากผลงานนี้ในปี 1972 งานของ Anfinsen ถูกยกย่องว่าเป็นตัวจุดประกายการเริ่มต้นของสาขางานวิจัยใหม่ว่าด้วยการทำนายโครงสร้างสามมิติของโปรตีนจากลำดับอะมิโน (protein structure prediction)
ไม่ว่าเราต้องการจะสร้างหรือปรับปรุงเอนไซม์ที่ใช้ย่อยขยะ แปรรูปอาหาร ผลิตสารเคมีเพื่ออุตสาหกรรม หรือเป็นยารักษาโรค ไม่ว่าเราจะสร้างหรือปรับปรุงแอนติบอดีสำหรับเป็นวัคซีน เซรุ่ม ชุดตรวจ ฯลฯ หรือแม้แต่การค้นหาโมเลกุลอะไรซักอย่างที่จะใช้กระตุ้นหรือกดการทำงานของโปรตีนสำคัญในเซลล์มนุษย์ สัตว์ พืช และจุลินทรีย์ เพื่อการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์หรือการเกษตร การได้รู้โครงสร้างสามมิติของโปรตีนที่เกี่ยวข้องทำให้เราสามารถทำสิ่งเหล่านี้ได้อย่างมีทิศทางแทนที่จะต้องลองผิดลองถูกสะเปะสะปะ
เทคโนโลยีการอ่านลำดับเบสบนดีเอ็นเอและลำดับอะมิโนบนโปรตีนก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว ในขณะที่การหาโครงสร้างสามมิติของโปรตีนยังต้องเวลาและงบประมาณมากว่านั้นหลายร้อยถึงหลายพันเท่า กว่าจะผลิตโปรตีนที่สนใจมาให้ได้เพียงพอ หาสภาวะเหมาะสมในสร้างเป็นผลึกเพื่อนำไปวิเคราะห์การแทรกสอดใต้รังสีเอ็กซ์ (X-ray Crystallography) หรือเทคนิคอื่นๆ เพื่อให้ได้ข้อมูลมาแปลผลต่อเป็นโครงสร้างสามมิติที่ละเอียดระดับอะตอม
ช่วงกลางทศวรรษ 1990 จากจำนวนโปรตีนกว่า 150,000 ชนิดที่เรารู้ลำดับอะมิโน มีเพียงราว 4,000 ชนิดเท่านั้นที่เรารู้โครงสร้างสามมิติ
ดังนั้นความสามารถในการทำนายโครงสร้างสามมิติของโปรตีนอย่างแม่นยำโดยใช้ข้อมูลเพียงลำดับกรดอะมิโนจะช่วยเร่งความก้าวหน้าของวงการชีวโมเลกุลและเทคโนโลยีชีวภาพได้มหาศาล
อ่านข่าวต้นฉบับได้ที่ : Innovation Grand Challenges ตอนที่ 9
ติดตามข่าวล่าสุดได้ทุกวัน ที่นี่
– Website : https://www.matichon.co.th/weekly