ราชบัณฑิตสภาทางวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน (The Royal Swedish Academy of Sciences) ได้มอบรางวัลโนเบลสาขาสาขาเคมี (chemistry) ประจำปี ค.ศ. 2020 ให้แก่นักวิจัย 2 ท่าน ได้แก่ ศาสตราจารย์ Emmanuelle Charpentier นักวิจัยชาวฝรั่งเศส ปัจจุบันดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการแผนกจุลชีพก่อโรค ณ สถาบัน Max Planck Unit for the Science of Pathogensประเทศเยอรมนี และศาสตราจารย์ Jennifer Doudna นักวิจัยจากสหรัฐอเมริกา ปัจจุบันดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านชีวเคมี ณ University of California, Berkeley สหรัฐอเมริกา จากผลงานเทคโนโลยี CRISPR-Cas เพื่อตัดแต่งข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ที่ทั้งสองพัฒนาร่วมกัน

ภูมิหลัง

ในอดีตช่วงปี ค.ศ. 2006 มีการค้นพบใหม่เกี่ยวกับรหัสพันธุกรรมของแบคทีเรีย โดยพบว่าส่วนหนึ่งของ DNA ของแบคทีเรีย จะมีลำดับเบสที่เรียงตัวซ้ำ ๆ และกระจายแทรกอยู่ทั่วในสารพันธุกรรมอย่างสม่ำเสมอ  โดยนักวิทยาศาสตร์ตั้งชื่อให้กับรูปแบบของชุดรหัสพันธุกรรมดังกล่าวว่า Clustered Regularly Inter-spaced Short Palindromic Repeats หรือ เรียกโดยย่อว่า CRISPR

รูปแบบของการจัดเรียงลำดับเบสที่เรียงตัวซ้ำ ๆ นี้ สามารถพบได้ในแบคทีเรียหลาย ๆ ชนิด และเมื่อนำไปเทียบกับฐานข้อมูลสารพันธุกรรม ก็พบว่าลำดับเบสดังกล่าวตรงกับรหัสพันธุกรรมของเชื้อไวรัส ที่เป็นศัตรูของแบคทีเรียเหล่านี้ ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงตั้งข้อสันนิษฐานว่า CRISPR น่าจะเป็นส่วนหนึ่งของระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรีย โดยต่อมานักวิทยาศาสตร์พบว่ายังมีโมเลกุลอีกชนิดหนึ่งที่แบคทีเรียใช้จัดการกับไวรัส นั่นก็คือโปรตีน CRISPR-associated หรือ Cas และเรียกรวมกันว่า กลไก CRISPR-Cas จึงกล่าวได้ว่า CRISPR-Cas คือ ระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรียนั่นเอง

โดยปกติไวรัสที่กินแบคทีเรียจะปล่อย DNA ของตัวเองเข้าไปในเซลล์แบคทีเรียและบังคับให้แบคทีเรียผลิตเพิ่มจำนวนไวรัสและท้ายที่สุดแบคทีเรียก็จะตายลง ซึ่งวิธีการป้องกันตัวอย่างหนึ่งของแบคทีเรียคือการสร้างเอนไซม์ที่ตัดและกำจัด DNA ของไวรัสที่บุกรุกเข้ามา หลักการคือแบคทีเรียที่สามารถรอดพ้นจากการทำลายของไวรัส จะเก็บชิ้นส่วน DNA ของไวรัสไว้ในสารพันธุกรรมของตนเองในส่วนที่เรียกว่า CRISPR ซึ่งมีความสามารถสั่งการให้โปรตีน Casไปตัด DNA ตรงลำดับเบสที่เหมือนกับชิ้นส่วนของ DNA ไวรัส ที่ถูกเก็บไว้ใน CRISPR ได้ ดังนั้นเมื่อไวรัสชนิดเดิมเข้ามาบุกรุกอีกครั้ง แบคทีเรียก็จะใช้ระบบ CRISPR-Cas เพื่อจัดการกับไวรัสได้ทันที ผ่านการตัดและกำจัด DNA ของไวรัสนั้นออกไป ดังนั้นจึงมีการเรียก CRISPR-Cas ว่าเป็นกรรไกรตัดสารพันธุกรรม

การศึกษากลไก CRISPR-Casในแบคทีเรีย

ศาสตราจารย์ Emmanuelle Charpentier ได้ศึกษาแบคทีเรียที่ชื่อว่า Streptococcus pyogenes ซึ่งสามารถก่อให้เกิดโรคต่อมทอนซิลอักเสบ การเกิดฝีหนองที่ผิวหนัง จนไปถึงการติดเชื้อในกระแสเลือดได้ โดยศาสตราจารย์ Charpentier ได้ค้นพบโมเลกุล Trans-activating Crispr RNA (tracrRNA)ในแบคทีเรียชนิดนี้ ซึ่งจากการศึกษาเพิ่มเติมพบว่าโมเลกุลดังกล่าวเป็นองค์ประกอบสำคัญของระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรียที่เรียกว่า CRISPR-Cas โดย tracrRNA มีหน้าที่กำกับให้โปรตีน Cas ไปตัดลำดับเบสบน DNA ของไวรัสที่เข้ามาบุกรุกแบคทีเรียได้อย่างแม่นยำ

การพัฒนากลไก CRISPR-Cas

หลังจากศาสตราจารย์ Charpentier ได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยการค้นพบโมเลกุล tracrRNAในปี ค.ศ. 2011 ศาสตราจารย์ Charpentierได้เริ่มทำงานร่วมกับศาสตราจารย์ Jennifer  Doudnaจาก University of California, Berkeley สหรัฐอเมริกา โดยมีจุดมุ่งหมายในการพัฒนากลไก CRISPR-Casให้ใช้ได้ง่ายขึ้นและสามารถออกแบบให้กลไกนี้เข้าไปตัด DNA ของสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ณ ลำดับเบสที่ต้องการได้ โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองสามารถพัฒนาจำลองกระบวนการ CRISPR-Casได้สำเร็จในหลอดทดลอง ซึ่งทำให้นักวิจัยสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการดัดแปลงลำดับเบสของสารพันธุกรรม ในเซลล์สิ่งมีชีวิตได้อย่างแม่นยำ รวดเร็ว และง่ายมากยิ่งขึ้น

การประยุกต์ใช้กลไก CRISPR-Cas

กระบวนการ CRISPR-Cas ที่ 2 นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาขึ้น กลายเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมอย่างสูงในปัจจุบัน และถูกใช้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากทำได้รวดเร็ว มีราคาถูก มีความถูกต้องแม่นยำ และมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการตัดแต่งสารพันธุกรรมแบบอื่นที่มีมาก่อนหน้านี้ โดยที่ผ่านมามีการนำกระบวนการ CRISPR-Cas ไปประยุกต์ใช้ในงานหลายด้าน ทั้งทางการแพทย์และการปรับปรุงพันธุ์พืช เช่น นำไปใช้ในการปรับปรุงพันธุ์พืชโดยไม่ต้องอาศัยแบคทีเรียต้านยาปฏิชีวนะ ทำให้มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนสู่สิ่งแวดล้อมน้อยลงกว่าเดิม สำหรับการแพทย์ มีการนำกระบวนการ CRISPR-Cas มาใช้ทดลองยับยั้งการทำงานของหน่วยพันธุกรรมบางหน่วยเพื่อดูกลไกของการเกิดโรค และนำไปพัฒนาวิธีการแบบใหม่ในการรักษาโรคมะเร็ง เช่น การผลิตเซลล์ภูมิคุ้มกันที่ทำลายเซลล์มะเร็งในร่างกาย รวมถึงโรคที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม เช่น โรคโลหิตจาง และอาการตาบอดจากพันธุกรรม เป็นต้น และล่าสุดถูกนำมาใช้พัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการวินิจฉัยโรคโควิด-19 อีกด้วย

เทคโนโลยีการตัดแต่งพันธุกรรม ณ ตำแหน่งที่ต้องการได้เฉพาะเจาะจง หรือ CRISPR-Cas ที่พัฒนาโดยสองนักวิทยาศาสตร์ถือเป็นวิวัฒนาการอย่างก้าวกระโดนของวงการชีววิทยาศาสตร์ และจะสามารถนำไปใช้รักษาและช่วยชีวิตผู้ป่วยได้อีกหลายล้านคนทั่วโลก

จากวารสารข่าววิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีจากกรุงบรัสเซลส์ ฉบับที่ 10 ประจำเดือน ตุลาคม 2563