นักวิทย์สร้าง 'เซลล์สังเคราะห์' จากศูนย์สำเร็จครั้งแรก ปูทางสู่การรักษาโรคยุคใหม่

หลายสิบปีที่ผ่านมาการผลิตยา วัคซีน หรือสารชีวภาพต่าง ๆ ล้วนต้องอาศัยการดัดแปลงจาก 'เซลล์ธรรมชาติ' เป็นจุดเริ่มต้นเสมอ แต่วันนี้วงการวิทยาศาสตร์ก้าวไปอีกขั้น เมื่อนักวิจัยสามารถประกอบเซลล์ขึ้นมาจากสารเคมีที่ไม่มีชีวิตได้สำเร็จเป็นครั้งแรก แถมเซลล์ที่สร้างขึ้นนี้ยังสามารถกินอาหาร เติบโตและแบ่งตัวได้คล้ายกับเซลล์จริง

ความสำเร็จนี้นับเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของวงการชีววิทยาสังเคราะห์ เพราะการสร้างระบบคล้ายเซลล์ขึ้นมาจากศูนย์ ทำให้เราเข้าใจกลไกและรู้จักส่วนประกอบทุกชิ้นอย่างทะลุปรุโปร่ง ซึ่งจะปูทางไปสู่การออกแบบเซลล์ให้ทำงานเฉพาะเจาะจงตามที่เราต้องการได้อย่างแม่นยำในอนาคต

การสร้างเซลล์ขึ้นใหม่ตั้งแต่ศูนย์ 

เซลล์คือหน่วยพื้นฐานของทุกสิ่งมีชีวิตบนโลก ไม่ว่าจะเป็นคน สัตว์ พืช หรือแบคทีเรีย แม้จะมีขนาดจิ๋ว แต่กลับมีความซับซ้อนมหาศาล อย่างร่างกายมนุษย์เราก็ประกอบไปด้วยเซลล์มากถึง 37 ล้านล้านเซลล์ ซึ่งจนถึงวันนี้นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไขความลับการทำงานของมันได้ไม่ครบทุกประเภท

ที่ผ่านมาความสำเร็จของวงการวิทยาศาสตร์คือการนำเซลล์ธรรมชาติมาดัดแปลงพันธุกรรมให้ทำหน้าที่ใหม่ ๆ ซึงตัวอย่างที่เห็นภาพชัดที่สุดคือการใส่ยีนมนุษย์เข้าไปในแบคทีเรีย E. coli เพื่อให้มันผลิตอินซูลินสำหรับรักษาโรคเบาหวาน แต่การสร้างเซลล์ขึ้นมาใหม่ทั้งหมดจากสารเคมีถือเป็นความท้าทายที่ยกระดับไปอีกขั้น เพราะมันไม่ใช่แค่การเอาสิ่งที่มีอยู่แล้วมาดัดแปลง แต่คือการประกอบ 'ระบบของชีวิต' ขึ้นมาใหม่ตั้งแต่เริ่มต้นนับหนึ่ง

SpudCell เซลล์ต้นแบบจากสารเคมีที่มนุษย์ควบคุมได้เกือบ 100% 

ทีมวิจัยที่นำโดย Kate Adamala นักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยมินนิโซตา ได้นำสารเคมีที่ไม่มีชีวิตมาประกอบเข้าด้วยกันทีละส่วนจนเกิดเป็นเซลล์ต้นแบบที่ตั้งชื่อว่า SpudCell โดยมันไม่ได้มาจากเซลล์ของคน พืช หรือสัตว์ แต่มีลักษณะการทำงานคล้ายกับแบคทีเรียโครงสร้างพื้นฐาน

ความพิเศษของ SpudCell คือนักวิจัยรับรู้ส่วนประกอบทุกอณูภายในเซลล์อย่างละเอียดแบบ 100% ไม่ว่าจะเป็นชนิดของสารเคมี โมเลกุล หรือระดับความเข้มข้นที่ใส่ลงไป

เธอได้อธิบายว่าข้อได้เปรียบนี้ทำให้ SpudCell สามารถออกแบบและควบคุมได้ง่ายกว่าเซลล์ธรรมชาติมาก เพราะเซลล์ตามธรรมชาติมักมีความซับซ้อนสูงจากกระบวนการวิวัฒนาการที่กินเวลานับพันล้านปี พูดง่าย ๆ คือแทนที่จะต้องลองผิดลองถูกกับการดัดแปลงระบบที่ธรรมชาติสร้างไว้แล้ว นักวิทยาศาสตร์สามารถประกอบ 'ระบบชีวิต' ขึ้นมาใหม่และกำหนดให้มันทำงานตามเป้าหมายที่ต้องการได้เลยตั้งแต่แรกเริ่ม

SpudCell ทำอะไรได้แล้วบ้าง 

ถึงจะได้ชื่อว่าเป็นเซลล์ แต่ความสามารถของ SpudCell ในตอนนี้ยังมีจำกัดอยู่มาก มันทำได้เพียงกินอาหาร เติบโต และแบ่งตัวสร้างเซลล์ลูกได้ประมาณ 5 รุ่น ก่อนจะหยุดทำงานไป

ที่สำคัญคือทุกครั้งที่มีการแบ่งตัว นักวิจัยต้องคอยป้อนสารอาหารและส่วนประกอบที่จำเป็นให้ตลอดเวลา เพราะตัวเซลล์เองยังไม่สามารถอยู่รอดได้ด้วยตัวเอง Kate Adamala เปรียบเปรยว่า SpudCell ในระยะนี้เป็นเหมือน 'สิ่งมีชีวิตที่อ่อนแอมาก' ซึ่งแทบไม่ได้ทำหน้าที่อะไรเป็นชิ้นเป็นอัน นอกจากการกินอาหารและแบ่งตัวเป็นครั้งคราวเท่านั้น

นอกจากนี้กระบวนการทำงานของมันยังค่อนข้างช้า โดยต้องใช้เวลานานถึง 12 ชั่วโมงในการแบ่งตัวแต่ละรุ่น (ในอุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส) ซึ่งต่างกันมากกับแบคทีเรีย E. coli ตามธรรมชาติที่ใช้เวลาในการแบ่งตัวเพียงแค่ 30 นาที

อะไรทำให้ SpudCell แตกต่างจากเซลล์ธรรมชาติ 

แม้ SpudCell จะมีลักษณะการทำงานคล้ายเซลล์จริง แต่โครงสร้างและกลไกภายในกลับแตกต่างจากเซลล์ธรรมชาติอย่างสิ้นเชิง เริ่มตั้งแต่ขนาดของจีโนมที่เล็กจิ๋วเพียงประมาณ 90,000 คู่เบส ซึ่งถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับแบคทีเรีย E. coli ที่มีรหัสพันธุกรรมมากถึง 4.6 ล้านคู่เบส

นอกจากนี้กลไกการแบ่งตัวก็ไม่เหมือนกัน โดยปกติเซลล์ธรรมชาติจะอาศัยโครงสร้างที่เรียกว่า ไซโทสเกเลตัน (Cytoskeleton) ช่วยดึงให้เซลล์แยกออกจากกัน แต่ในเมื่อ SpudCell ไม่มีโครงสร้างนี้มันจึงเปลี่ยนไปใช้วิธีเร่งสร้างโปรตีนขึ้นมาจำนวนมาก เพื่อให้เกิดแรงดันบริเวณเยื่อหุ้มเซลล์ แล้วดันให้เซลล์ขาดออกจากกันเป็นสองส่วนแทน

ข้อจำกัดสำคัญอีกประการคือ SpudCell ยังไม่สามารถสร้างไรโบโซม (Ribosome) ซึ่งทำหน้าที่เสมือนเครื่องผลิตโปรตีนของเซลล์ได้เอง นักวิจัยจึงต้องคอยสกัดไรโบโซมจาก E. coli ผสมลงไปในสารอาหารให้มันอยู่เสมอ ด้วยเหตุผลทั้งหมดนี้ SpudCell จึงยังเป็นเพียงเซลล์ต้นแบบที่ไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ด้วยตัวเองอย่างอิสระแบบร้อยเปอร์เซ็นต์

การสร้างเซลล์ = การสร้างสิ่งมีชีวิตได้หรือไม่ ? 

หลายคนอาจมองว่าการนำสารเคมีมาประกอบเป็นเซลล์ได้สำเร็จก็เท่ากับเราสร้างสิ่งมีชีวิตได้แล้ว แต่ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่ยังไม่คิดเช่นนั้น Drew Endy ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ให้มุมมองที่น่าสนใจว่าจนถึงทุกวันนี้มนุษย์เรายังไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ด้วยซ้ำว่า 'ชีวิต' คืออะไรกันแน่ เขาจึงมองว่าผลงานชิ้นนี้คือการ 'สร้างเซลล์' ได้สำเร็จ แต่ยังไม่ถึงขั้นสร้างชีวิต

เหตุผลสำคัญคือ SpudCell ยังไม่สามารถเอาชีวิตรอดได้ด้วยตัวเอง เพราะมันต้องพึ่งพาสารอาหารและไรโบโซมที่นักวิจัยคอยป้อนให้ตลอดเวลา ยิ่งไปกว่านั้นมันยังขาดคุณสมบัติหลักของสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ นั่นคือความสามารถในการวิวัฒนาการด้วยตัวเอง

แม้ในการทดลองจะพบว่าเซลล์ชนิดนี้สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงได้ เช่น ถ้านักวิจัยลองใส่ยีนที่ช่วยให้ผลิตโปรตีนได้มากขึ้น มันก็จะเติบโตและแบ่งตัวได้เร็วขึ้น แต่พัฒนาการเหล่านี้ล้วนเกิดจากการตั้งใจออกแบบโดยมนุษย์ ไม่ใช่การกลายพันธุ์หรือการปรับตัวตามกลไกธรรมชาติแต่อย่างใด

ทำไมความสำเร็จครั้งนี้จึงสำคัญ

ถึงตอนนี้ SpudCell จะยังทำอะไรไม่ได้มากนัก แต่ในมุมมองของผู้เชี่ยวชาญ นี่คือก้าวกระโดดครั้งสำคัญของวงการชีววิทยาสังเคราะห์ เพราะหากในอนาคตเราสามารถพัฒนาเซลล์ต้นแบบนี้ให้ทำงานซับซ้อนขึ้นได้ มันจะกลายเป็นรากฐานของการสร้างสิ่งมีชีวิตหรือเซลล์ที่ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาเฉพาะด้านได้อย่างตรงจุด

เป้าหมายของการพัฒนา คือการออกแบบเซลล์ให้สามารถผลิตยาและสารชีวภาพรูปแบบใหม่ ๆ ช่วยยกระดับแนวทางการรักษาโรคมะเร็ง ทำหน้าที่ดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อบรรเทาภาวะโลกร้อน หรือผลิตสารเคมีและวัสดุชีวภาพที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม รวมไปถึงการใช้เป็นกุญแจในการช่วยตอบคำถามว่าสิ่งมีชีวิตแรกบนโลกเกิดจากสารเคมีได้อย่างไร 

ด้วยศักยภาพที่พร้อมนำไปต่อยอดได้อีกไกล ผู้เชี่ยวชาญจากสถาบันระดับโลกอย่าง Imperial College London และ NIST ของสหรัฐฯ ต่างยอมรับว่านี่คือความก้าวหน้าครั้งใหญ่ที่สุดของวงการเซลล์สังเคราะห์ในรอบหลายปี

ความปลอดภัยและข้อกังวลที่ต้องจับตา

และเมื่อพูดถึงการสร้างเซลล์ขึ้นมาใหม่ หลายคนอาจอดกังวลไม่ได้ว่าเทคโนโลยีนี้จะถูกนำไปใช้สร้างเชื้อโรคหรืออาวุธชีวภาพหรือไม่ เรื่องนี้ทีมวิจัยยืนยันว่า SpudCell ในปัจจุบันยังไม่มีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยแต่อย่างใด เพราะมันไม่สามารถเอาชีวิตรอดหรือเพิ่มจำนวนได้เองหากไม่ได้รับสารอาหารและส่วนประกอบสำคัญอย่างไรโบโซมจากภายนอก

นักวิทยาศาสตร์ยอมรับว่าถ้าหากในอนาคตเทคโนโลยีนี้ก้าวหน้าไปมากกว่านี้ เราจำเป็นต้องมีมาตรการควบคุมที่รัดกุม ทั้งในแง่ของความปลอดภัย ความมั่นคง และจริยธรรม

เพื่อเป็นการวางรากฐานที่ดี Kate Adamala และทีมจึงก่อตั้งองค์กรไม่แสวงหากำไรชื่อ Biotic ขึ้นมา โดยมีเป้าหมายคือการผลักดันให้ SpudCell กลายเป็นมาตรฐานกลางของวงการเซลล์สังเคราะห์ โดยเปิดกว้างให้นักวิจัยทั่วโลกสามารถเข้าถึงและนำไปพัฒนาต่อยอดร่วมกันได้ ให้อารมณ์คล้ายกับการสร้างซอฟต์แวร์แบบโอเพนซอร์ส 

หรือนี่คือจุดเริ่มต้นของการออกแบบเซลล์แห่งอนาคต

SpudCell ยังคงห่างไกลจากคำว่าสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์ และตัวงานวิจัยเองก็กำลังอยู่ในขั้นตอนรอการตรวจสอบเพื่อตีพิมพ์ แต่ผู้เชี่ยวชาญหลายฝ่ายต่างเห็นพ้องต้องกันว่า นี่คือหมุดหมายสำคัญของวงการชีววิทยาสังเคราะห์ เพราะนับเป็นครั้งแรกที่เราสามารถประกอบสารเคมีล้วน ๆ ขึ้นมาเป็นเซลล์ที่ทำหน้าที่พื้นฐานได้จริง

ก้าวต่อไปจากนี้จึงไม่ใช่แค่การพยายามเลียนแบบธรรมชาติ แต่คือการทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งว่า 'ชีวิต' ถือกำเนิดขึ้นมาได้อย่างไร เพื่อที่วันหนึ่งข้างหน้า เราอาจนำองค์ความรู้นี้ไปออกแบบเซลล์ที่ช่วยแก้ปัญหาสำคัญของมนุษยชาติได้ ไม่ว่าจะเป็นการรังสรรค์วิธีรักษาโรคแบบใหม่ ๆ ไปจนถึงการรับมือกับวิกฤตสิ่งแวดล้อมในอนาคต

อ้างอิง: edition