ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก (University of California San Diego หรือ UC San Diego) ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในวงการชีววิทยาสังเคราะห์ (synthetic biology) หลังค้นพบว่า เอนไซม์ธรรมชาติอันเป็นกลไกหลักของสิ่งมีชีวิต สามารถอ่านและถอดรหัสพันธุกรรมสังเคราะห์ที่มีตัวอักษรมากถึง 8 ตัวอักษร ได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ การค้นพบนี้พิสูจน์ให้เห็นว่า เซลล์สิ่งมีชีวิตสามารถประมวลผลข้อมูลพันธุกรรมสังเคราะห์ผ่านจักรกลโมเลกุลธรรมชาติที่มีอยู่เดิมได้ ซึ่งเป็นการขยายขอบเขตภาษาของดีเอ็นเอ (DNA) และเปิดประตูสู่การออกแบบระบบชีวภาพที่สามารถสร้างสารประกอบหรือทำหน้าที่พิเศษที่ไม่เคยมีมาก่อนในธรรมชาติ
สิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกที่เรารู้จักใช้รหัสพันธุกรรมพื้นฐานรูปแบบเดียวกัน ซึ่งประกอบด้วยเบส (base) หรือ “ตัวอักษรดีเอ็นเอ” เพียง 4 ชนิด ได้แก่ อะดีนีน (A), ไทมีน (T), ไซโตซีน (C) และกัวนีน (G) อย่างไรก็ตาม ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ Nature Communications ทีมวิจัยได้มุ่งเน้นไปที่การทำงานของเอนไซม์ RNA polymerase ซึ่งเป็นเอนไซม์สำคัญที่มีหน้าที่อ่านรหัสดีเอ็นเอเพื่อสร้างอาร์เอ็นเอ (RNA) อันเป็นขั้นตอนแรกสุดของการแสดงออกทางพันธุกรรม (gene expression)
ในการทดลอง ทีมนักวิจัยได้ใช้เทคนิคทางชีวเคมีร่วมกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนอุณหภูมิต่ำระดับความละเอียดสูง (cryo-electron microscopy หรือ cryo-EM) ซึ่งมีความสามารถในการขยายภาพจนเห็นรายละเอียดเชิงโครงสร้างที่มีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมเดี่ยว เพื่อบันทึกภาพโครงสร้างขณะที่เอนไซม์อาร์เอ็นเอพอลิเมอเรสจากแบคทีเรีย Escherichia coli หรือ E. coli กำลังจดจำและเชื่อมต่อกับคู่เบสสังเคราะห์ (synthetic base pairs) ซึ่งเป็นตัวอักษรทางพันธุกรรมที่ไม่ปรากฏในธรรมชาติ ภาพถ่ายโครงสร้างระดับอะตอมแสดงให้เห็นว่า เอนไซม์ธรรมชาติสามารถรับรู้และประมวลผลตัวอักษรดีเอ็นเอสังเคราะห์เหล่านี้ ผ่านสัญญาณทางชีวเคมีและโครงสร้างระดับโมเลกุลในรูปแบบเดียวกับที่ใช้กับคู่เบสธรรมชาติอย่างไม่มีผิดเพี้ยน
นอกจากนี้ ในงานวิจัยอีกชิ้นหนึ่งที่ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ Proceedings of the National Academy of Sciences หรือ PNAS) ทีมนักวิจัยกลุ่มเดียวกันยังรายงานเพิ่มเติมว่า เอนไซม์ RNA polymerase ยังมีความสามารถในการรับรู้คู่เบสสังเคราะห์อีกรูปแบบหนึ่งที่ไม่จำเป็นต้องอาศัยพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bonds) ในการยึดเหนี่ยวคู่เบสไว้ด้วยกัน ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความยืดหยุ่นและความสามารถอันน่าทึ่งของจักรกลโมเลกุลธรรมชาติในการประมวลผลข้อมูลรหัสพันธุกรรมที่แปลกใหม่
ผลการวิจัยนี้นับว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งและต่อยอดไปไกลกว่าเพียงงานชีววิทยาพื้นฐาน เนื่องจากในอดีตได้เคยมีการใช้อักขระพันธุกรรมแบบขยายนี้ในการสร้างโมเลกุลดีเอ็นเอสังเคราะห์เพื่อเข้าตรวจจับเซลล์มะเร็งตับมาแล้ว ดังนั้น การไขปริศนาเชิงโมเลกุลว่าเอนไซม์ธรรมชาติสามารถอ่านและถอดรหัสดีเอ็นเอสังเคราะห์ได้อย่างไร จึงกลายเป็นรากฐานสำคัญสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีแห่งอนาคต ทั้งในด้านการสร้างเครื่องมือตรวจวินิจฉัยโรคแบบใหม่ การพัฒนายารักษาโรคที่ตรงจุด ตลอดจนการสังเคราะห์ระบบชีวภาพชนิดใหม่เพื่อผลิตสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่มีคุณประโยชน์สูงในระดับอุตสาหกรรม
- แหล่งข่าวอ้างอิง: University of California San Diego (UC San Diego)
About Author
