เครื่องมือระดับโมเลกุลเข้าสู่ขั้นตอนใหม่ของการใช้ความคิดสร้างสรรค์
นักวิทยาศาสตร์มักอายที่จะไม่ใช้คำว่าปาฏิหาริย์เว้นแต่พวกเขาจะพูดถึงเครื่องมือแก้ไขยีนที่เรียกว่า CRISPR/Cas9 “คุณสามารถทำอะไรก็ได้ด้วย CRISPR” บางคนกล่าว คนอื่นเรียกมันว่าน่าทึ่ง
CRISPR สามารถจัดการกับยีนในพืชหรือสัตว์ได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ ในช่วงสี่ปีที่ผ่านมานับตั้งแต่มี CRISPR นักวิจัยได้ใช้มันเพื่อแก้ไขโรคทางพันธุกรรมในสัตว์ ต่อสู้กับไวรัส ฆ่าเชื้อยุง และเตรียมอวัยวะหมูสำหรับการปลูกถ่ายมนุษย์ ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่คิดว่านั่นเป็นเพียงจุดเริ่มต้น ความเป็นไปได้อันทรงพลังของ CRISPR – แม้แต่แนวคิดที่ขัดแย้งกันในการสร้าง “เด็กดีไซเนอร์” และการกำจัดสิ่งมีชีวิตทั้งหมด – เป็นสิ่งที่น่าทึ่งและบางครั้งก็น่ากลัว
จนถึงตอนนี้ ผลกระทบที่ใหญ่ที่สุดของ CRISPR นั้นสัมผัสได้ในห้องปฏิบัติการชีววิทยาขั้นพื้นฐานทั่วโลก ตัวแก้ไขยีนราคาไม่แพงและใช้งานง่ายทำให้นักวิจัยสามารถเจาะลึกความลึกลับพื้นฐานของชีวิตในรูปแบบที่ยากหรือเป็นไปไม่ได้ นักชีววิทยาด้านพัฒนาการ Robert Reed เปรียบ CRISPR กับเมาส์คอมพิวเตอร์ “คุณสามารถชี้ไปที่ตำแหน่งหนึ่งในจีโนมและคุณสามารถทำทุกอย่างที่คุณต้องการ ณ จุดนั้น”
อะไรก็ได้ ตราบใดที่มันเกี่ยวข้องกับการตัด DNA CRISPR/Cas9 ในชาติกำเนิดดั้งเดิมเป็นอุปกรณ์กลับบ้าน (ส่วน CRISPR) ที่จะนำกรรไกรโมเลกุล (เอนไซม์ Cas9) ไปยังส่วนเป้าหมายของ DNA พวกเขาทำงานร่วมกันเป็นขีปนาวุธล่องเรือที่ดัดแปลงพันธุกรรมที่ปิดการใช้งานหรือซ่อมแซมยีนหรือแทรกสิ่งใหม่ ๆ ที่มันตัด
แม้จะมีความสามารถทางพันธุกรรมทั้งหมดที่ระบบ CRISPR/Cas9 สามารถทำได้ “ยังมีข้อบกพร่องอยู่ มีหลายสิ่งที่เราต้องการที่จะทำให้ดีขึ้น” Feng Zhang นักชีววิทยาระดับโมเลกุลของ MIT กล่าว หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์กลุ่มแรกๆ ที่ใช้กรรไกรระดับโมเลกุลกล่าว จากรายงานแรกสุดของเขาในปี 2013 เกี่ยวกับการใช้ CRISPR/Cas9 ในการตัดยีนในเซลล์มนุษย์และเซลล์หนู Zhang ได้อธิบายวิธีที่จะทำให้ระบบทำงานอย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
เขาไม่ได้อยู่คนเดียว
เอกสารจำนวนมากในช่วงสามปีที่ผ่านมามีการปรับปรุงรายละเอียดสำหรับบรรณาธิการ ยิ่งไปกว่านั้น กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ รวมทั้ง Zhang ได้ฝันถึงวิธีที่จะทำให้ CRISPR ทำงานได้อย่างคุ้มค่า
การเปลี่ยน CRISPR ให้เป็น multitasker มักจะเริ่มต้นด้วยการทำให้เทคโนโลยีล้ำสมัยของเทคโนโลยีล้ำสมัยดูหม่นหมอง ในการดัดแปลงใหม่หลายๆ แบบ กรรไกร Cas9 ที่ “ตายแล้ว” ไม่สามารถตัด DNA ได้ กรรไกรที่หักอาจฟังดูไร้ประโยชน์ แต่นักวิทยาศาสตร์ได้ปรับปรุงพวกมันให้เป็นจิตรกรโครโมโซม, ตัวแก้ไขการพิมพ์ผิด, ตัวกระตุ้นการทำงานของยีนและสารยับยั้ง และเครื่องมือซ่อมแซมจีโนมทั่วไป
Gene Yeo นักชีววิทยา RNA แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโกกล่าวว่า “Cas9 ดั้งเดิมนั้นเหมือนกับมีดทหารของสวิสที่มีการใช้งานเพียงอันเดียว: มันคือมีด” แต่ Yeo และนักวิจัยคนอื่นๆ ได้ยึดโปรตีนและสารเคมีอื่นๆ เข้ากับใบมีดที่ทื่อ และเปลี่ยนมีดให้เป็นเครื่องมืออเนกประสงค์
Zhang และเพื่อนร่วมงานกำลังสำรวจการแลกเปลี่ยนส่วน Cas9 ของระบบสำหรับเอนไซม์อื่น ๆ ที่อาจขยายประเภทของการจัดการที่นักวิทยาศาสตร์สามารถดำเนินการกับ DNA และโมเลกุลอื่น ๆ ด้วยกล่องเครื่องมือที่ขยายออกไป นักวิจัยอาจมีอำนาจในการไขความลับของโรคมะเร็งและโรคอื่นๆ และตอบคำถามใหม่ๆ เกี่ยวกับชีววิทยา
คำแนะนำที่ยืดหยุ่นเอนไซม์หลายชนิดสามารถตัดดีเอ็นเอได้ ครั้งแรกถูกค้นพบในปี 1970 และช่วยในการเริ่มต้นสาขาพันธุวิศวกรรมทั้งหมด สิ่งที่ทำให้ CRISPR/Cas9 พิเศษคือความแม่นยำ นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างสไลซ์เพื่อการผ่าตัดในจุดที่เลือกไว้เพียงจุดเดียว เทคโนโลยีการแก้ไขยีนล่าสุดสองสามอย่าง เช่น zinc finger nucleases และ TALENs สามารถล็อกไว้ที่เป้าหมายเดียวได้ แต่ตัวแก้ไขยีนเหล่านั้นเปลี่ยนเส้นทางได้ยาก นักวิทยาศาสตร์ที่ต้องการตัดจุดใหม่ในจีโนมต้องสร้างตัวแก้ไขใหม่ เหมือนกับว่าต้องประกอบขีปนาวุธนำวิถีที่ไม่ซ้ำใครสำหรับทุกๆ เป้าหมายที่เป็นไปได้บนแผนที่ ด้วย CRISPR/Cas9 นั่นไม่จำเป็น
เคล็ดลับของความยืดหยุ่นของ CRISPR คือระบบนำทาง RNA ชิ้นสั้น ๆ ทำหน้าที่ดูแลเอ็นไซม์การตัดของ Cas9 ไปยังเป้าหมายของ DNA “ไกด์อาร์เอ็นเอ” สามารถกลับบ้านได้ทุกที่ที่นักวิจัยเลือกโดยการจับคู่ทางเคมีกับหน่วยการสร้างหรือฐานที่ประกอบด้วยข้อมูลของ DNA (แสดงด้วยตัวอักษร A, T, C และ G) การสร้างคู่มือ RNA ใหม่นั้นง่าย นักวิจัยมักจะสั่งซื้อออนไลน์โดยพิมพ์ลำดับเบสที่ต้องการ
ระบบนำทางนั้นกำลังนำวิศวกรพันธุศาสตร์ไปยังที่ที่ไม่เคยไป Reed จาก Cornell University กล่าวว่า “ด้วย CRISPR ในชั่วข้ามคืนสิ่งที่ทำให้หงุดหงิดที่สุดในอาชีพการงานของฉันกลายเป็นโครงการด้านระดับปริญญาตรี” “มันเหลือเชื่อมาก”
