มหากาพย์ประวัติ CRISPR/Cas
...จากงานวิจัย “ขึ้นหิ้ง” สู่เทคโนโลยีเปลี่ยนโลก
ตอนที่ 2: วันนี้คุณดื่มคริสเปอร์แล้วหรือยัง?
Danisco เป็นบริษัทยักษ์ใหญ่สัญชาติเดนมาร์กด้านอุตสาหกรรมอาหาร ปัจจุบันเป็นบริษัทลูกของ Dupont เจ้าแห่งวงการธุรกิจเคมีภัณฑ์ Danisco มีสินค้าหลักหลายตัวในกลุ่มโยเกิร์ต และเนยแข็ง ซึ่งก็คือ “นม” ที่ถูกแปรรูปโดยการนำไปหมักกับแบคทีเรีย
ศัตรูตัวฉกาจของวงการโยเกิร์ต และเนยแข็งได้แก่พวกไวรัสกินแบคทีเรีย (bacteriophage หรือเรียกย่อๆว่า phage) ไวรัสพวกนี้สามารถเจาะเข้ายึดครองเซลล์แบคทีเรียโดยการส่งดีเอ็นเอของมันเข้าไป จากนั้นก็บีบบังคับให้แบคทีเรียที่เป็นเหยื่อก็อบปี้ไวรัสออกมาเยอะๆ เสร็จแล้วก็จะระเบิดเซลล์ทิ้ง เพื่อออกไปล่าหาเหยื่อรายต่อไป ไวรัสพวกนี้ร้ายกาจมาก ขนาดแบคทีเรียที่ว่าแบ่งตัวเร็วๆ เจอไวรัสนี้เข้าไปก็ชิบหายตายหมู่กันทั้งบาง ดังนั้นถ้าไวรัสเข้าปนเปือนในกระบวนการหมักโยเกิร์ต หรือเนยแข็งก็ทำให้ผลิตภัณฑ์เสียรสชาติต้องเททิ้งกันทั้งถังหมัก
วงจรชีวิตของไวรัสกินแบคทีเรีย (Phage)
บริษัทด้านโยเกิร์ต และเนยแข็งอย่าง Danisco รับมือกับปัญหาไวรัสระบาดด้วยการพัฒนาแบคทีเรียสายพันธุ์ที่ทนทานต่อไวรัส หลักการก็คือเริ่มจากแบคทีเรียตั้งต้นที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการหมัก, โยนไวรัสใส่ลงไป แล้วคัดเลือกเอาเซลล์ที่รอดมาเพาะเลี้ยงต่อ จากนั้นก็ทำแบบนี้ซ้ำๆกับไวรัสหลายๆชนิดเพื่อให้ได้แบคทีเรียสามารถที่ทนต่อไวรัสหลายประเภท สุดท้ายเราก็ได้แบคทีเรียยอดอึดที่เอาไปใช้ในอุตสาหกรรมหมักได้อย่างสบายใจ
ด้วยเหตุนี้บริษัทอย่าง Danisco ก็เลยสะสมคอลเลกชั่นของทั้งไวรัสทั้งแบคทีเรียทนไวรัสสายพันธุ์ต่างๆไว้เยอะแยะ กลายเป็นวัตถุดิบอันทรงคุณค่าสำหรับงานวิจัยด้านภูมิคุ้มกันของแบคทีเรียต่อไวรัส (phage immunity) แต่แม้ว่าเทคนิกการพัฒนาแบคทีเรียต้านไวรัสจะใช้กันมาหลายสิบปีก่อนการค้นพบ CRISPR แล้ว ที่ผ่านมาบริษัทก็ไม่แคร์เท่าไหร่ว่ากลไลการเกิด phage immunity มันจะเป็นยังไงบ้าง อีกอย่างกลไกการเกิด phage immunity ก็มีได้หลากหลายที่เรารู้จักกันตั้งแต่สมัยโน้น อย่างเช่นการกลายพันธุ์ของโปรตีนผิวเซลล์แบคทีเรีย (viral receptor) ให้ไวรัสจับไม่ได้ หรือการใช้เอนไซม์ตัดจำเพาะ (restriction enzyme) ที่ตัดแต่ลำดับเบสที่มีในไวรัสไม่ตัดจีโนมของแบคทีเรียเอง ฯลฯ กลไกเหล่านี้ล้วนแต่เป็น innate immunity หรือภูมิคุ้มกันที่ “เกิดเอง” (ในแบคทีเรียจากการกลายพันธุ์มั่วๆ) ไม่ได้เจาะจงกับชนิดไวรัส
Streptococcus thermophilus เป็นหนึ่งในแบคทีเรียยอดนิยมในกระบวนการหมักเพื่อเปลี่ยนน้ำตาลแล็คโทสในนมเป็นกรดแล็คติดที่ให้รสเปรี้ยวในโยเกิร์ตและเนยแข็ง ช่วงหลังปี 2000 คนเริ่มรู้จัก CRISPR กันมากขึ้นในฐานะ “ชิ้นดีเอ็นเอซ้ำๆอะไรซักอย่าง” ที่พบในแบคทีเรียหลายหลายชนิดและมีpatternหต่างๆกันไป ดังนั้นการอ่านลำดับเบสCRISPRก็เริ่มเป็นที่นิยมมากขึ้นในฐานะเทคนิกเพื่อเปรียบเทียบการจำแนกชนิดสายพันธุ์แบคทีเรีย
Streptococcus thermophilus
ทีมวิจัยของ Danisco นำโดย Rodolphe Barrangou และ Philippe Horvath ศึกษาเปรียบเทียบลำดับเบสส่วน spacer ของ CRISPR ในแบคทีเรียทนไวรัส และจีโนมของไวรัสก็พบว่ามีความคล้ายคลึงกัน นั่นก็แปลว่า spacer ของ CRISPR น่าจะเกี่ยวข้องอะไรบางอย่างกับ phage immunity จริงๆช่วงเวลาเดียวกันนี้ทีมวิจัยอื่นๆอีกอย่างน้อย 2-3 ทีมรวมทั้งของ Francisco J.M. Mojica (ที่แอดมินเล่าให้ฟังตอนที่แล้ว) ก็กำลังสงสัยอะไรคล้ายๆ แต่ในที่สุดทีมของ Barrangou ก็ได้เป็นทีมแรกที่ทำการทดลองพิสูจน์ความสัมพันธ์ระหว่าง CRISPR และ Phage immunity สำเร็จเป็นทีมแรกและได้ตีพิมพ์เปเปอร์เรื่องการค้นพบนี้ในวารสาร Science เมื่อปี 2007
Rodolphe Barrangou
Philippe Horvath
ทีมของ Barrangou ใช้ S. thermophilus เป็นโมเดลในการศึกษาครั้งนี้ โดย S. thermophilus ดั้งเดิมมีส่วน CRISPR ที่ประกอบด้วยดีเอ็นเอลำดับเบสซ้ำๆกัน คั่นด้วย spacer รวมทั้งหมด 32 ตำแหน่ง ฝั่งซ้ายสุดของ CRISPR เป็นลำดับเบสตั้งต้น (Leader repeat -- ในรูปแทนด้วยสี่เหลี่ยมผืนผ้าสีเทาๆเขียนด้วยตัว L) อีกฝั่งมีลำดับเบสอีกอันปิดท้าย (terminal repeat -- ในรูปแทนด้วยสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนสีเทาๆเขียนด้วยตัว T) ใกล้ๆ CRISPR มียีนอะไรไม่รู้อีกสี่ตัวที่เคยโดนตั้งชื่อว่า CRISPR associated (Cas) gene: cas5, cas1, cas6 และ cas7
ระบบ CRISPR/Cas ของ S. thermophilus
การทดลองเริ่มจากการเอา S. thermophilus ดั้งเดิม (wildtype) ไปเผชิญหน้ากับไวรัสสายพันธุ์ต่างๆ เมื่อทีมของ Barrangou ลองอ่านลำดับเบสในส่วน CRISPR ของ S. thermophilus ก่อนและหลังเจอไวรัสก็พบว่า หลังเจอไวรัส CRISPR มีส่วน spacer เพิ่มขึ้นมาตรงฝั่งใกล้ๆ Leader repeat (ในรูปแทนสัญลักษณ์ด้วยสี่เหลี่ยมจัตุรัสสีแดง) ลำดับเบสของ spacer ที่เพิ่มขึ้นมาใหม่นี้แต่ละเซลล์อาจจะแตกต่างกันออกไป แต่ก็มักจะตรงกับลำดับเบสส่วนใดส่วนหนึ่งบนจีโนมของไวรัสที่ S. thermophilus เพิ่งไปเจอมาเสมอ ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า S. thermophilus สามารถ “จดจำ” ไวรัสโจทก์เก่าของมันไว้ในรูปแบบชิ้นส่วนดีเอ็นเอใน spacer ของ CRISPR นั่นเอง ที่น่าสนใจคือถ้าลำดับเบสใน spacer ใหม่นี้ไปตรงกับจีโนมไวรัสสายพันธุ์ไหน (ไม่ว่าจะเป็นสายพันธุ์ที่ S. thermophilus เคยพบเจอหรือไม่ก็ตาม) ไวรัสสายพันธุ์นั้นๆก็จะไม่สามารถรุกราน S. thermophilus ตัวนี้ได้อีก ดังนั้นลำดับเบสของ spacer เนี่ยแหละที่น่าจะเป็นตัวกำหนดว่าแบคทีเรียจะมีภูมิคุ้มกันต่อไวรัส (phage immunity) ชนิดไหน
เพื่อคอนเฟิร์มบทบาทของ CRISPR ให้ชัวร์ๆอีกชั้นนึง ทีมของ Barrangou เลยทำการทดลองเพิ่มเติมดังต่อไปนี้ (Fig 3 ในเปเปอร์ ใครสนใจลองไปดูได้) เริ่มต้นจาก S. thermophilus ที่ได้เผชิญหน้ากับไวรัสมาแล้วและมี ภูมิคุ้มกันต่อไวรัสแล้ว
1. ถ้าตัดดีเอ็นเอส่วน CRISPR ทิ้ง จะพบว่าแบคทีเรียสูญเสียภูมิคุ้มกันต่อไวรัสไป ดังนั้นสรุปว่า CRISPR จำเป็นต่อการทำงานของระบบภูมิคุ้มกัน
2. ถ้าตัดต่อส่วน spacer (ที่ลำดับเบสตรงกับส่วนของจีโนมไวรัสคู่อริ) ไปไว้ที่อื่นที่ไม่ใช่ตำแหน่ง CRISPR ปกติ แบคทีเรียก็สูญเสียภูมิคุ้มกันต่อไวรัสไปอีกเช่นกัน ดังนั้นสรุปได้ว่า spacer อย่างเดียวทำงานไม่ได้ ต้องอยู่ในบริบทของลำดับเบส CRISPR ในตำแหน่งที่เหมาะสมเท่านั้น
3. ถ้าเปลี่ยนลำดับเบสของ spacer จากที่เคยตรงกับจีโนมของไวรัสสายพันธุ์นึง ไปให้ตรงกับจีโนมของไวรัสอีกสายพันธุ์นึงแทน ปรากฏว่าแบคทีเรียจะเสียภูมิคุ้มกันต่อไวรัสสายพันธุ์แรกแต่จะได้ภูมิคุ้มกันต่อไวรัสสานพันธุ์หลังมาแทน ดังนั้นสรุปได้ว่าลำดับเบสของ spacer นั่นแหละที่เป็นตัวกำหนดว่าแบคทีเรียจะมีภูมิคุ้มกันต่อไวรัสสายพันธุ์ไหน
4. ถ้ากำจัด cas5 ทิ้ง แบคทีเรียจะสูญเสียภูมิคุ้มกันต่อไวรัสไป (แม้ว่าCRISPRยังอยู่ครบ) ดังนั้นสรุปได้ว่าโปรตีนอะไรบางอย่างที่สร้างจากยีน cas5 จำเป็นต่อการทำงานของภูมิคุ้มกันด้วย
5. ถ้ากำจัด cas7 ทิ้ง แบคทีเรียไม่สูญเสียภูมิคุ้มกันที่มีอยู่แล้ว แต่จะไม่สามารถสร้างภูมิคุ้มกันต่อไวรัสสายพันธุ์ใหม่ๆได้ ดังนั้น cas7 น่าจะจำเป็นต่อกระบวนการ “จดจำ” ไวรัสใหม่เช่นการสร้าง spacer ใหม่
บริษัท Dupont นำองค์ความรู้ที่ได้นี้มาประยุกต์ใช้ในกระบวนการปรับปรุงสายพันธุ์แบคทีเรียต้านไวรัสสำหรับอุตสาหกรรมอาหาร จากเดิมที่เคยทำได้แค่โยนไวรัสใส่แบคทีเรียแล้วเลือกเอาตัวทีรอดมาแบบรวมๆ ความเข้าใจเรื่องกลไก CRISPR ทำให้บริษัทสามารถใช้การอ่านลำดับเบส spacer ในการคัดเลือกสายพันธุ์แบคทีเรียมาแบบเป๊ะๆ ได้เลยว่าแบคทีเรียตัวไหนจะต้านไวรัสลำดับเบสแบบไหนได้บ้าง เทคนิกนี้เรียกว่า “CRISPR enhanced cultures” บริษัท Dupont กลายเป็นเอกชนรายแรกๆที่จดสิทธิบัตรการนำ CRISPR ไปใช้ในเชิงพานิช และนำผลิตภัณฑ์จากเทคโนโลยี CRISPR ออกวางขาย ตัวแรกที่ออกตลาดในปี 2012 คือ S. thermophilus สายพันธุ์ CHOOZIT SWIFT ใช้สำหรับเป็นหัวเชื้อหมักเนยแข็งใส่พิซซ่า Barrangou เล่าว่า ปัจจุบัน S. thermophilus ของ Dupont ใช้เทคนิกนี้ทั้งสิ้น และเนื่องจาก Dupont เป็นเจ้าตลาดด้านผลิตภัณฑ์นม เนย ชีสโยเกิร์ต จึงเป็นไปได้สูงมากที่เราๆท่านๆทั้งหลายน่าจะได้ “กิน CRISPR” เข้าไปโดยไม่รู้ตัวกันมานานแล้ว
ประเด็นสำคัญที่ควรเน้นย้ำอันนึงคือ “CRISPR enhanced cultures” บริษัท Dupont ไม่ได้เกิดขึ้นจากการ “ตัดต่อดีเอ็นเอโดยมนุษย” (DNA recombinant technology) เพราะ S. thermophilus รับเอาชิ้นส่วนของไวรัสเข้าไปเก็บไว้ใน CRISPR เองด้วยกลไกที่มีอยู่แล้วตามธรรมชาติ บริษัทเพียงแค่เลือกว่าจะใช้ไวรัส (ธรรมชาติ) ตัวไหนใส่ลงไปให้ S. thermophilus ตัวไหนเท่านั้น Barrangou เรียก “CRISPR enhanced cultures” ว่าเป็น “Non-GMO genetically modified organisms” หรือสิ่งมีชีวิตปรับแต่งพันธุกรรมด้วยวิธีธรรมชาติ จะว่าไปแล้วถ้า Dupontจะใช้เทคนิกตัดต่อดีเอ็นเอมาสร้าง S. thermophilusที่มี CRISPR ต้านไวรัสตรงๆเลยก็สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน และก็จะได้ผลลัพธ์เหมือนวิธีธรรมชาติที่ตอนนี้ใช้อยู่ แถมเร็วกว่าเยอะด้วย แต่ที่ Dupont ไม่ทำก็เพราะกลัวผู้บริโภคจะไม่ยอมรับเรื่องนี้ด้วยความหวาดผวากับคำว่า GMO
ประวัติศาสตร์ CRISPR ในบทนี้เป็นกรณีศึกษาที่น่าสนใจของการที่บริษัทเอกชน (Danisco / Dupont) ลงมาเล่นเรื่องงานวิจัยพื้นฐานแบบเต็มๆขนาดได้เปเปอร์ลงวารสารชั้นนำอย่าง Science และการลงทุนครั้งนี้ก็ไม่ได้สูญเปล่า การค้นพบเรื่องความสัมพันธ์ระหว่าง CRISPR กับภูมิคุ้มกันของแบคทีเรียต่อไวรัสทำให้บริษัทสามารถแก้ปัญหากระบวนการผลิต (การติดเชื้อในนมหมักแปรรูป เช่น เนยแข็ง และโยเกิร์ต) และได้สินค้าเด่นตัวใหม่ (อย่างเช่น CHOOZIT SWIFT) ออกตลาดอีกด้วย ...แต่ที่ยิ่งใหญ่ไปกว่านั้นคือองค์ความรู้เกี่ยวกับ CRISPR ที่ได้ในครั้งนี้จะเป็นก้าวสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีปรับแต่งจีโนมยุคใหม่ ...ที่ไปไกลกว่าเรื่อง “นมๆ
- 3
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
