AGENTEX เปิดทางทดสอบรหัสพันธุกรรมใหม่ในหลอดทดลอง

AGENTEX หรือ Automated Genetic tRNA Expansion เปลี่ยนวิธีคิดในการออกแบบรหัสพันธุกรรม จากเดิมที่นักวิจัยต้องแก้ไขจีโนมของสิ่งมีชีวิตก่อน แล้วจึงรู้ว่าระบบแปลรหัสใหม่จะทำงานหรือไม่ มาเป็นการประกอบระบบแปลรหัสในหลอดทดลองและให้หุ่นยนต์ช่วยทดสอบการออกแบบจำนวนมากในเวลาเดียวกัน 6

ผลที่รายงานระบุว่า ระบบที่ออกแบบใหม่สามารถใช้หน่วยสร้างโปรตีนได้มากถึง 34 ชนิด แทนที่จะจำกัดอยู่ที่กรดอะมิโนมาตรฐาน 20 ชนิดของสิ่งมีชีวิตทั่วไป 7 จุดสำคัญไม่ได้อยู่ที่การเพิ่มจำนวนโคดอนให้เกิน 64 แต่คือการทำให้โคดอนจำนวนมากขึ้นสามารถนำไปใช้กับการกำหนดความหมายใหม่ได้

ทำไมรหัสพันธุกรรมเดิมจึงแก้ไขได้ยาก

รหัสพันธุกรรมมาตรฐานใช้โคดอนสามเบสที่เป็นไปได้ 64 แบบ เพื่อระบุกรดอะมิโน 20 ชนิด รวมถึงสัญญาณเริ่มต้นและหยุดการแปลรหัส โคดอนหลายแบบมีความหมายซ้ำกัน โดยระบุกรดอะมิโนชนิดเดียวกัน จึงเกิดช่องทางสำหรับการนำบางโคดอนไปกำหนดความหมายใหม่

แต่ในเซลล์ที่มีชีวิต โคดอนเดียวกันอาจปรากฏอยู่ในยีนสำคัญจำนวนมาก หากเปลี่ยนความหมายของโคดอนนั้น โปรตีนจำนวนมากอาจถูกสร้างผิดรูปหรือใส่กรดอะมิโนผิดตำแหน่ง การปรับรหัสพันธุกรรมในเซลล์จึงมักต้องลบหรือเปลี่ยนโคดอนดังกล่าวทั่วทั้งจีโนม พร้อมควบคุมไม่ให้เครื่องจักรแปลรหัสตามธรรมชาติแข่งขันกับระบบที่ออกแบบขึ้นใหม่

AGENTEX ย้ายการทดลองระยะแรกออกจากเซลล์ นักวิจัยสามารถเตรียมชุดองค์ประกอบแปลรหัสแบบกำหนดเอง แล้วตรวจสอบว่าผังการจับคู่โคดอนกับกรดอะมิโนที่เสนอไว้สร้างโปรตีนหรือเปปไทด์ตามต้องการหรือไม่ ก่อนลงทุนกับการแก้ไขจีโนมในระดับทั้งสิ่งมีชีวิต 615

ระบบใหม่ทำงานอย่างไร

การอ่านโคดอนเกิดจากการทำงานร่วมกันของ mRNA, transfer RNA หรือ tRNA และเครื่องจักรแปลรหัสภายในไรโบโซม AGENTEX จึงมุ่งปรับความสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลเหล่านี้ แทนที่จะถือว่ารหัสธรรมชาติเป็นสิ่งที่เปลี่ยนแปลงไม่ได้

งานนี้ศึกษาการออกแบบองค์ประกอบอย่างไรโบโซม tRNA และ aminoacyl-tRNA synthetases หรือ aaRS ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่นำกรดอะมิโนไปจับกับ tRNA ให้รู้จำกันได้อย่างถูกต้อง และแยกการทำงานออกจากระบบแปลรหัสมาตรฐาน นอกจากนี้ยังใช้วิธีอัตโนมัติเพื่อคัดกรองคลัง tRNA สังเคราะห์ว่าชนิดใดถูกเติมกรดอะมิโนได้เหมาะสม 6

ด้วยวิธีนี้ นักวิจัยจึงสามารถกำหนดให้โคดอนบางตัวหมายถึงกรดอะมิโนชนิดอื่น รวมถึงกรดอะมิโนที่ไม่พบในรหัสพันธุกรรมมาตรฐาน ภายในปฏิกิริยาแปลรหัสแบบไร้เซลล์ที่สร้างขึ้นโดยเฉพาะ ระบบแปลรหัสที่ประกอบขึ้นใหม่และใช้ tRNA ที่ถอดรหัสในหลอดทดลองเคยแสดงให้เห็นแล้วว่า การแปลโปรตีนสามารถดำเนินไปภายใต้รหัสที่ออกแบบใหม่ได้ 5 AGENTEX ต่อยอดแนวคิดนี้ให้กลายเป็นกระบวนการต้นแบบที่ทำงานอัตโนมัติและทดสอบหลายระบบพร้อมกัน

ข้อมูลที่รายงานระบุว่า มีการทดสอบรหัสพันธุกรรมที่ออกแบบใหม่ 2 รูปแบบควบคู่กับรหัสมาตรฐาน โดยมีการเปลี่ยนความหมายของโคดอนได้สูงสุด 3 ตำแหน่ง และสามารถใส่กรดอะมิโนที่ไม่ใช่มาตรฐานได้ 8 แต่ละระบบใช้ชุดองค์ประกอบแปลรหัสที่เข้าคู่กันเอง จึงสามารถประเมินการออกแบบหลายแบบภายใต้กรอบการทดลองเดียวกัน โดยไม่ต้องบังคับให้จีโนมของสิ่งมีชีวิตหนึ่งตัวตีความโคดอนแบบใหม่ทั้งหมด

เหตุใดระบบหุ่นยนต์จึงมีความสำคัญ

รหัสพันธุกรรมไม่ใช่เพียงตารางจับคู่ตัวเลขกับกรดอะมิโน หากต้องการให้การกำหนดความหมายใหม่ทำงานได้จริง tRNA ต้องรู้จำโคดอนเป้าหมาย aaRS ต้องเติมกรดอะมิโนที่ถูกต้อง และไรโบโซมต้องรับชุดโมเลกุลเหล่านี้ด้วยความแม่นยำและประสิทธิภาพที่เพียงพอ ระบบแปลรหัสแบบไร้เซลล์เปิดโอกาสให้นักวิจัยเติม ตัดออก หรือสลับองค์ประกอบเหล่านี้ทีละส่วนได้ 1516

AGENTEX จึงสนับสนุนกระบวนการ ออกแบบ–สร้าง–ทดสอบ ดังนี้

1. ออกแบบ ตารางโคดอนและชุดองค์ประกอบแปลรหัสที่จำเป็น
2. สร้าง ชุด tRNA, aaRS และไรโบโซมในปฏิกิริยาแบบไร้เซลล์
3. ทดสอบ การเติมกรดอะมิโน การแปลรหัส และการใส่กรดอะมิโนที่เลือกไว้ในโปรตีน
4. เปรียบเทียบ ปริมาณผลผลิต ความแม่นยำ และการแยกการทำงานออกจากระบบอื่นของแต่ละแบบ
5. คัดเลือก เฉพาะการออกแบบที่มีแนวโน้มดีไปทดสอบในระบบชีวภาพที่ซับซ้อนขึ้น

ข้อได้เปรียบในทางปฏิบัติคือความเร็วและจำนวนรูปแบบที่ทดลองได้ หากการออกแบบหนึ่งล้มเหลว นักวิจัยสามารถยุติการทดลองในหลอดทดลองได้ โดยไม่ต้องเสียเวลาไปกับการสร้างสิ่งมีชีวิตที่ดัดแปลงจีโนมแล้วไม่ทำงาน ส่วนการออกแบบที่ได้ผลสามารถนำไปปรับปรุงก่อนเริ่มขั้นตอนแก้ไขจีโนม สร้างสายพันธุ์ และตรวจสอบในเซลล์จริง 6

สิ่งที่ AGENTEX ยังทำไม่ได้

AGENTEX แสดงให้เห็นแพลตฟอร์มแปลรหัสในหลอดทดลอง แต่ไม่ได้ทำให้เกิดสิ่งมีชีวิตที่สามารถดำรงชีวิต จำลองตัวเอง ควบคุมการแสดงออกของยีน และสืบทอดรหัสพันธุกรรมที่ออกแบบใหม่ได้โดยอัตโนมัติ

การนำรหัสเหล่านี้เข้าไปใช้ในเซลล์ยังต้องแก้โจทย์สำคัญหลายด้าน ได้แก่

• ความเข้ากันได้ทั่วทั้งจีโนม: โคดอนที่ถูกกำหนดความหมายใหม่อาจต้องถูกลบหรือเปลี่ยนในทุกตำแหน่ง เพื่อป้องกันการสร้างโปรตีนผิดพลาด
• การควบคุมองค์ประกอบ: tRNA, aaRS และอาจรวมถึงไรโบโซมที่ออกแบบใหม่ต้องทำงานได้อย่างเสถียรเมื่ออยู่ร่วมกับ หรือเข้ามาแทนที่ เครื่องจักรแปลรหัสตามธรรมชาติ
• การจัดหากรดอะมิโน: เซลล์ต้องรับกรดอะมิโนที่ไม่ใช่มาตรฐานจากภายนอก หรือสังเคราะห์ขึ้นเอง และส่งเข้าสู่เส้นทางแปลรหัสที่ถูกต้อง
• การเติมกรดอะมิโนอย่างจำเพาะ: aaRS ต้องจับกรดอะมิโนที่ตั้งใจไว้กับ tRNA ที่ถูกต้อง โดยไม่เกิดปฏิกิริยาข้ามกับองค์ประกอบอื่น 5
• ประสิทธิภาพโดยรวม: ระบบใหม่ต้องยังสร้างโปรตีนได้มากพอ มีความแม่นยำ ไม่ทำให้เซลล์หยุดเติบโต และคงอยู่ได้ตลอดการแบ่งตัว

งานในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมก่อนหน้านี้สะท้อนให้เห็นความยากของโจทย์นี้ โดยมีรายงานว่าสามารถใส่กรดอะมิโนสังเคราะห์ที่แตกต่างกันได้สูงสุด 5 ชนิดลงในโปรตีนเดียว ด้วยการนำโคดอนที่พบไม่บ่อยกลับมาใช้งานใหม่ 4 นั่นเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญในเซลล์จริง แต่แตกต่างจากการสร้างสิ่งมีชีวิตที่จำลองตัวเองได้และใช้ระบบแบบ AGENTEX ซึ่งมีกรดอะมิโน 34 ชนิดอย่างเต็มรูปแบบ ข้อมูลที่มีอยู่ยังไม่ได้ยืนยันว่ามีการสร้างสิ่งมีชีวิตลักษณะดังกล่าวแล้ว

AGENTEX อาจนำไปสู่อะไรได้บ้าง

โปรตีนที่มี “ตัวอักษร” ทางเคมีมากขึ้น

โปรตีนธรรมชาติสร้างจากชุดกรดอะมิโนที่ค่อนข้างจำกัด รหัสพันธุกรรมที่ยืดหยุ่นขึ้นอาจเปิดทางให้สร้างโปรตีนและพอลิเมอร์ชีวภาพแบบเปปไทด์ที่มีหมู่เคมี โซ่ข้าง หรือโครงสร้างแกนหลักซึ่งการแปลรหัสแบบปกติทำไม่ได้ รายงาน AGENTEX เชื่อมโยงแพลตฟอร์มนี้กับการสังเคราะห์พอลิเมอร์ชีวภาพแบบเปปไทด์และการสร้างต้นแบบรหัสพันธุกรรมตามความต้องการ 6

ผู้สมัครยารูปแบบใหม่

กรดอะมิโนที่ไม่ใช่มาตรฐานอาจช่วยเพิ่มความเสถียร ความไวต่อปฏิกิริยา หรือช่องทางในการเชื่อมต่อโมเลกุลอย่างควบคุมได้ ซึ่งมีประโยชน์ต่อการค้นหายา AGENTEX อาจช่วยให้นักวิจัยคัดกรองโครงสร้างโมเลกุลจำนวนมากได้ตั้งแต่ระยะแรก อย่างไรก็ตาม นี่เป็นข้อได้เปรียบด้านการค้นคว้าและวิศวกรรม ไม่ใช่หลักฐานว่ามีผลิตภัณฑ์ยาจาก AGENTEX ที่พร้อมใช้แล้ว การพัฒนาเป็นยาจริงยังต้องผ่านการทดสอบประสิทธิภาพ ความปลอดภัย การนำส่ง และการผลิตตามมาตรฐาน

วัสดุชีวภาพที่ออกแบบได้

การสังเคราะห์ด้วยไรโบโซมให้การควบคุมลำดับของโมเลกุลอย่างแม่นยำ หากนำมารวมกับชุดหน่วยสร้างทางเคมีที่กว้างขึ้น ก็อาจช่วยสำรวจวัสดุชีวภาพที่มีคุณสมบัติใหม่ด้านการยึดจับ การเร่งปฏิกิริยา แสง กลศาสตร์ หรือการประกอบตัวเอง ระบบไร้เซลล์เคยถูกใช้สร้างโปรตีนที่ยังทำงานได้ภายใต้รหัสที่ออกแบบใหม่แล้ว จึงเป็นพื้นฐานสำหรับการทดลองลักษณะนี้ 5

ก้าวแรกสู่การแยกทางพันธุกรรม

ในอนาคต รหัสพันธุกรรมที่แตกต่างจากธรรมชาติมากพออาจทำให้สิ่งมีชีวิตดัดแปลงแลกเปลี่ยนข้อมูลพันธุกรรมที่ยังใช้งานได้กับสิ่งมีชีวิตธรรมชาติได้ยากขึ้น หรือทำให้ปรสิตทางชีวภาพทั่วไปใช้ระบบดังกล่าวได้ลำบาก AGENTEX ยังไม่ได้พิสูจน์ผลลัพธ์นี้โดยตรง แต่ช่วยให้นักวิจัยเปรียบเทียบรหัสที่มีความเป็นอิสระจากระบบธรรมชาติหลายแบบ ก่อนลงมือสร้างระบบดังกล่าวในสิ่งมีชีวิตที่สืบพันธุ์ได้

เมื่อเทียบกับแนวทางก่อนหน้านี้

การขยายรหัสพันธุกรรมแบบดั้งเดิมมักเริ่มจากการนำกรดอะมิโนที่ไม่ใช่มาตรฐานไปใส่แทนโคดอนหยุด 1 ตำแหน่ง หรือปลดล็อกโคดอนจำนวนเล็กน้อยด้วยการแก้ไขจีโนมอย่างกว้างขวาง งานก่อนหน้านี้ยังเคยแสดงระบบรหัส 68 โคดอนที่ใส่กรดอะมิโนไม่ใช่มาตรฐานได้ 4 ชนิดในโปรตีนเดียว ขณะเดียวกัน งานระบบไร้เซลล์ก็แสดงให้เห็นการสลับหรือลดรูปแบบรหัสด้วย tRNA ที่ผ่านการออกแบบหรือถอดรหัสในหลอดทดลอง 35

ดังนั้น จุดเด่นของ AGENTEX จึงอยู่ที่ กระบวนการทำต้นแบบ พอ ๆ กับจำนวนกรดอะมิโนที่รองรับ นั่นคือการทำต้นแบบระบบแปลรหัสแบบอัตโนมัติและหลายชุดพร้อมกัน ก่อนเริ่มแก้รหัสพันธุกรรมในเซลล์จริง แพลตฟอร์มนี้ทำหน้าที่เป็นชั้นคัดกรองระหว่างแนวคิดรหัสพันธุกรรมบนกระดาษกับสิ่งมีชีวิตที่ต้องทำงานได้จริง ช่วยให้ตรวจพบความเข้ากันไม่ได้เร็วขึ้น ลดการลงทุนกับการออกแบบที่ล้มเหลว และเพิ่มจำนวนสถาปัตยกรรมรหัสที่นักวิจัยสามารถทดลองได้

ข้อควรจำคือ AGENTEX ทำให้การสร้างต้นแบบรหัสพันธุกรรมทางเลือกง่ายขึ้น แต่ไม่ได้ทำให้ปัญหาทางชีววิทยาและวิศวกรรมของการนำรหัสเหล่านั้นไปใช้ในเซลล์หายไป