ถอดรหัสการค้นพบเชื้อปริศนา nCoV-2019 อย่างหมดเปลือก
ในอดีตการหาเชื้อโรคของพวกโรคปริศนานั้นหายากยิ่งกว่างมเข็มในมหาสมุทร เช่น การระบาดของ West Nile virus ในสหรัฐอเมริกาที่ใช้เวลาหลายเดือน การวินิจฉัยโรค Legionnaire disease ที่เกิดในโรงแรมในประเทศสหรัฐที่ใช้เวลาหลายเดือนเช่นกัน
การค้นพบโคโรน่าไวรัสสายพันธุ์ใหม่ 2019 นั้นใช้เวลาเป็นหลักวัน หรือถ้าอยากจะตรวจคร่าวๆสามารถใช้เวลาเพียงหลักชั่วโมงก็เป็นไปได้
ย้อนกลับไปวันที่ 21 ธันวาคม ปีที่แล้ว แพทย์จีนได้เก็บเสมหะโดยดูดจากท่อช่วยหายใจที่ใส่ทางหลอดลมของคนไข้โรคทางเดินหายใจรุนแรงออกมาทั้งหมด 4 ตัวอย่าง โดยมาจากผู้ป่วยที่มีประวัติอยู่ใกล้ตลาดขายอาหารทะเลหัวนาน กลุ่มนี้จัดเป็นกลุ่มผู้ป่วย
อีก 7 ตัวอย่างเก็บมาจากคนไข้ในปักกิ่งที่เป็นโรคปอดอักเสบไม่ทราบเชื้อเพื่อเป็นกลุ่มควบคุม
หลังจากนั้นนำตัวอย่างทั้งหมดมาสกัดสารพันธุกรรมที่มีทั้ง DNA และ RNA
ต่อมานำสารพันธุกรรมของแต่ละตัวอย่างมาตรวจก่อนด้วยเทคนิก PCR โดยใช้ชุดตรวจ PathoFinder BV และใช้ RT-PCR
ในกลุ่มผู้ป่วยจากอู่ฮั่นไม่พบเชื้อจากวิธีนี้เลยแม้แต่คนเดียว แสดงว่าเป็นเชื้อที่ไม่อยู่ในชุดตรวจนี้ หรืออาจจะเป็นเชื้อใหม่ที่ไม่มีใครเคยพบมาก่อน!
นักวิทยาศาสตร์จีนจึงได้ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยในการถอดสารพันธุกรรมทั้งหมดของตัวอย่าง!
สารพันธุกรรมที่เป็น RNA จากเสมหะและน้ำที่ใช้บ่มเลี้ยงเชื้อเอามาหาลำดับของสารพันธุกรรมทั้งตัวของไวรัสหรือที่เรียกว่าจีโนม (Genome) โดยต้องเปลี่ยน RNA เป็น DNA ที่มีความเสถียรมากกว่าเสียก่อนในหลอดทดลอง
หลังจากนั้นก็ใช้วิธีที่ล้ำสมัยมากๆนั่นคือ Illumina sequencing และ Nanopore sequencing (ไฮไลต์แล้วล่ะ)
ในสมัยก่อนปี 2000 มนุษย์เรารู้จัก DNA และ RNA แล้ว
DNA นั้นเป็นเสมือนพิมพ์เขียวที่ทุกเซลล์ในร่างกายของเรามี พิมพ์เขียวนี้ไม่ได้เป็นรูปหรือวิดีโอแต่เป็นรหัสเหมือนกับตำราคู่มือหรือพจนานุกรมที่บรรจุตัวอักษรทั้งหมดสามพันล้านตำแหน่งสำหรับจีโนมมนุษย์
ต่างจากตัวอักษรภาษาไทยที่มี 44 ตัวและตัวอักษรภาษาอังกฤษที่มี 26 ตัวDNA ของทุกสิ่งมีชีวิตบนโลกมีเพียงแค่ 4 ตัวเท่านั้น คือ A T C และ G
เราพยายามอย่างมากที่จะหาลำดับของอักษรทั้งสามพันล้านตัวนี้เพื่อจะได้เข้าใจพิมพ์เขียวที่สร้างเป็นตัวมนุษย์ขึ้นมา การถอดรหัสพันธุกรรมใช้เวลาถึง 20 ปี หมดเงินไปเป็นพันล้านดอลลาร์สหรัฐ
มาวันนี้เรามีเทคโนโลยี Illumina sequencing (เหมือนมาโฆษณา) ที่ใช้เวลาเพียง 1 วัน กับเงินอีกซักหมื่นกว่าบาทก็สามารถรู้ลำดับสารพันธุกรรมทั้งจีโนมของใครซักคนได้แล้ว
นับประสาอะไรกับไวรัสตัวจิ๋วที่มีลำดับสารพันธุกรรมแค่ไม่กี่พันถึงไม่กี่หมื่นตัว หรือถ้าเป็นแบคทีเรียก็มีไม่กี่ล้านตัวอักษร
ประเด็นคือว่าจุลชีพเหล่านี้ เราไม่รู้ว่ามันคือตัวอะไรกันแน่ การสร้างจีโนมขึ้นมาใหม่จึงไม่ง่ายอย่างที่คิด เพราะเทคโนโลยี illumina ที่โม้เอาไว้ วิธีการของมันก็คือเอาลำดับพันธุกรรมที่เปรียบเหมือนหนังสือแฮรี่ พอตเตอร์กับศิลาอาถรรพ์ทั้งเล่ม ขนมาทั้งชั้นหนังสือที่ขายอยู่ทั้งกรุงเทพ เอามากองรวมกันแล้วก็สับเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย แล้วค่อยๆประกอบกลับเข้าไปให้กลายเป็นหนังสือทั้งเล่มอีกครั้ง
ข้อเสียก็คือบางครั้งเราอาจจะประกอบได้หน้ายี่สิบแปดของหนังสือมาสองครั้ง หน้าหนึ่งร้อยสี่มาสามครั้ง และไม่รู้ว่าบทที่สองมาก่อนหรือบทที่สามมาก่อนกัน
รูปด้านล่างเป็นชิ้นส่วนของดีเอนเอที่ถูกสับแล้วและติดอะแดปเตอร์ไว้ที่ปลายสองข้างนำมายึดไว้กับชิป
https://www.illumina.com/
หลังจากนั้นก็ทำให้เป็นกอๆ กอหนึ่งหน้าตาลำดับเบสเหมือนกันหมด
https://assets.illumina.com/
หลังจากนั้นก็อ่านทีละตัว หลังจากอ่านหนึ่งตัวจะเกิดแสงสว่างออกมา โดยสีสี่สีแสดงถึงตัวอักษรหรือลำดับเบสที่แตกต่างกันสี่ตัว
https://assets.illumina.com/
ลองดูแบบภาพเคลื่อนไหวได้ข้างล่าง
นักวิทยาศาสตร์จีนจึงใช้เครื่องมืออีกตัวหนึ่งเรียกว่า Oxford Nanopore เจ้าตัวนี้เป็นเครื่องที่เอาหนังสือมาฉีกทีละสามบทแล้วอ่านทีเดียวแบบ Fast reading โดยคนอ่านหนังสือไม่แตกฉาน เวลาอ่านก็อาจมีอ่านผิดอ่านถูกจนบางครั้งก็ฟังไม่ค่อยรู้เรื่อง
หลักการของ Nanopore ง่ายๆแค่หาเยื่อมาเอาเครื่องจักรขนาดจิ๋วเสียบไว้ให้เกิดรูบนเยื่อแล้วเอาดีเอนเอสายยาวๆใส่เข้าไป เครื่องจักรจิ๋วจะลากดีเอนเอผ่านรูเล็กๆนั้นแล้วเกิดการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า นำค่าการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้ามาแปลงเป็นลำดับสารพันธุกรรมด้วย AI
https://ucscgenomics.soe.ucsc.edu/
ข้อดีก็คือเมื่อนำตัว Illumina ที่เป็นวลีสั้นๆที่มีความแม่นยำสูงและ Nanopore ที่รู้โครงสร้างโดยรวมของทั้งเล่มแต่แม่นยำต่ำมาประกอบรวมกัน ก็จะได้จีโนมของไวรัสที่สมบูรณ์!
และนักวิทยาศาสตร์ได้อัพโหลดทั้ง genome ของไวรัสไว้บนอินเตอร์เนตที่ใครก็ได้บนโลกสามารถดาว์นโหลดไปดูได้ฟรีๆ!
โดยลงไว้ตั้งแต่วันที่ 11 มกราคม 2020 ไม่ถึงสองสัปดาห์หลังการระบาด!
https://en.wikipedia.org/wiki/2019%E2%80%9320_Wuhan_coronavirus_outbreak
แล้วนักวิทยาศาสตร์เอาลำดับพันธุกรรมทั้งจีโนมไปทำอะไรต่อ?
เขานำมาเสิร์ชหาว่ามันเป็นตัวอะไรไงล่ะ ข้อมูลจีโนมยุคนี้อยู่ในอินเตอร์เนตหมด ใครอยากรู้ว่าม้าลายมีลำดับพันธุกรรมแบบไหนก็ลองเสิร์ชหาดูได้ (หวังว่าจะอ่านเข้าใจนะ มันจะอ่านได้ประมาณนี้ GATTACA)
เมื่อรู้ว่าเป็น coronavirus เขาก็นำจีโนมของ coronavirus สายพันธุ์ต่างๆมาเปรียบเทียบกันด้วยโปรแกรมทาง bioinformatics อย่างตัว MUSCLE แล้วนำผลการเปรียบเทียบนั้นมาสร้างต้นไม้วิวัฒนาการ หรือเรียกว่า Phylogenetic tree
เปรียบเทียบกันระหว่าง sequence ต่างๆ (รูปนี้เป็นรูปประกอบ ไม่ใช่รูปของ coronavirus ในงานวิจัยครั้งนี้) https://en.wikipedia.org/wiki/Multiple_sequence_alignment
ต้นไม้นี้จะใช้เทคนิก Bootstrap หรือการสุ่มต้นไม้ที่เป็นไปได้ว่าสายพันธุ์นี้ใกล้สายพันธุ์นั้นแต่ต่างจากสายพันธุ์นู้น แล้วได้ค่าตัวเลขความน่าจะเป็นต้นไม้แบบที่มีโอกาสเป็นไปได้มากที่สุดมา
โดยการคำนวณจะใช้การแทนที่ตัวอักษร (ลำดับเบส) จากโมเดลวิวัฒนาการอันหนึ่ง ชื่อ GTR model
การวิวัฒนาการเกิดจากการกลายพันธุ์ของลำดับเบส เฮ้ น่าจะได้ยินคำว่าการกลายพันธุ์ของไวรัสอยู่บ่อยๆแล้วนะ ที่ไวรัสกลายพันธุ์แล้วกระโดดจากสัตว์มาสู่คน
ลำดับเบสจะเปลี่ยนไปจากตัวอักษร A เป็น T, A เป็น C, A เป็น G, G เป็น C, G เป็น T, C เป็น T ซึ่งอัตราไปและกลับเท่ากันแต่ทั้งหกแบบนี้แตกต่างกัน
สุดท้ายนักวิทยาศาสตร์เขาได้รูปตามด้านล่างนี้
สีแดงคือเชื้อจากผู้ป่วยจากอู่ฮั่น 3 รายที่ติด nCoV-2019
สีฟ้ามาจากผู้ป่วย SARS จะเห็นว่าอยู่ในกิ่งใกล้ๆกัน
การที่อยู่ในกิ่งใกล้กันหมายถึงมีลำดับพันธุกรรมใกล้เคียงกันหรือการวิวัฒนาการไม่แยกจากกันมากนั่นเอง (ตัวเลขนั้นเข้าใจว่าเป็นความน่าจะเป็นที่จะได้ต้นไม้กิ่งแบบนี้จากการ Bootstrap 1000 ครั้ง)
Phylogenetic tree : https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2001017?fbclid=IwAR3rmbqhBJMq6zssiUo6tA_cYi-mwmTOM0iCb4nU3KP1DtockfRbYAXa1s0
เห็นแต่พิมพ์เขียว ไม่เห็นตัวได้ไง?
แยกตัวไวรัสเป็นตัวๆ นักวิทยาศาสตร์จีนได้ใช้เซลล์ทางเดินหายใจที่เพาะเลี้ยงในหลอดทดลองมาใส่ตัวเสมหะที่เก็บมาลงไปเพื่อให้เชื้อโรคติดเข้าไปในเซลล์แล้วนำไปบ่มไว้เหมือนทำไวน์ โดยต้องเปิดตู้มาชิม เอ้ย มาส่องเซลล์เป็นระยะๆ
ถ้าเซลล์เกิดความผิดปกติ รูปร่างจะเปลี่ยนแปลงไป
เซลล์เหล่านี้เริ่มเกิดความผิดปกติหลังบ่มไว้ 4 วัน (เร็วกว่าไวน์เยอะ) โดยพบว่าขนพัดโบกที่ไว้ใช้ขับฝุ่น PM2.5 ออกมาเป็นก้อนเสมหะนั้นหายไป! แสดงว่าเซลล์นั้นติดเชื้อไวรัสเข้าให้แล้ว!
นักวิทยาศาสตร์ได้จับเอาเซลล์เหล่านั้นมาขึงไว้แล้วย้อมด้วยโลหะหนักเพื่อนำไปส่องใต้กล้องจุลทรรศน์อิเลกตรอน
รูปด้านล่างคือรูปจริงๆของเชื้อมรณะตัวนี้ มีมงกุฎอยู่รอบๆ นี่แหละเชื้อตระกูล Coronaviridae
ชื่อ Corona นั้นเหมือนรุ่นของรถยี่ห้อหนึ่ง เป็นภาษาละตินแปลว่ามงกุฎ ตัวมงกุฎที่เป็นหนามนี่แหละที่จะไปจับกับเซลล์ทางเดินหายใจแล้วเข้าไปในเซลล์
Coronavirus ถ่ายด้วยกล้อง Transmission Electron Microscope https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2001017?fbclid=IwAR3rmbqhBJMq6zssiUo6tA_cYi-mwmTOM0iCb4nU3KP1DtockfRbYAXa1s0
เมื่อเจอทั้งจีโนมและมองเห็นทั้งตัวไวรัสแล้ว เราสามารถสรุปเลยได้หรือเปล่าว่าการระบาดครั้งนี้เกิดจาก Coronavirus สายพันธุ์ใหม่?
ในทางปฏิบัติคือใช่แน่ๆแล้วเพราะพบเชื้อในกลุ่มผู้ป่วยและไม่พบในกลุ่มควบคุมและเป็นเชื้อที่สามารถก่อโรคได้ตามทฤษฎีชีววิทยา
แต่ในทางทฤษฎีการบอกว่าเชื้อตัวนี้จะก่อโรคจริงๆจะต้องตรงตาม Koch's postulates หรือข้อสมมติฐานของคอค โดยหลังจากแยกเชื้อมาได้ต้องนำเชื้อใส่กลับเข้าไปในคนที่ไม่ป่วยแล้วพบว่า เฮ้ย แกป่วยเหมือนคนที่นอนใส่ท่อช่วยหายใจอยู่เลยเว้ยแก!
สำหรับคนอยากเห็น Genome แบบ GATTACA : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/MN908947
- 119
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
