นอกจากการพัฒนาอัลกอริทึมและ แนวคิดในการสร้าง DNA Stroage แล้ว สิ่งหนึ่งที่สำคัญมากในอนาคตก็คือศาสตร์ที่เรียกว่า Synthetic Biology ในภารกิจ MESSE หรือ Molecular Encoded Storage for Space Exploration ของเรา ไม่ได้เพียงแค่พัฒนาอัลกอริทึมในการแปลงโน้ตดนตรีมาเป็นคู่เบสใน DNA แต่เราคิดอย่างเป็นระบบถึงความเป็นไปได้ในการเชื่อมต่อ และรักษา DNA ของเรา ในฐานะ DNA Storage ซึ่งรวมไปถึงการคัดลอก (Copy) ไปจนถึงการเก็บรักษา (Preservation) และที่สำคัญที่สุด คือการนำข้อมูลมาเชื่อมกัน
โดยปกติแล้ว ธรรมชาติออกแบบกลไกการทำงานของสิ่งมีชีวิตให้มีความซับซ้อนในระดับโมเลกุล ในบทความนี้เราจะมาค่อย ๆ ทำความเข้าใจกับสิ่งที่เรียกว่าการประกอบตัวของ DNA หรือ Self-Assembly คือการที่ DNA ประกอบตัวเองขึ้นมาเป็นเส้นยาว ๆ ได้ ว่าสิ่งนี้มีความสำคัญต่ออนาคตของโลกการเก็บข้อมูล ไปจนถึงการประมวลผลข้อมูลใน DNA อย่างไร
MESSE
Molecular Encoded Storage for Space Exploration
เป็นโครงการสำรวจอวกาศที่อยู่บนจุดตัดระหว่างวิทยาศาสตร์ กับศิลปะ โดยการสร้าง DNA Storage จากโน๊ตดนตรีของเพลง “ความฝันกับจักรวาล” เป็นเพลงไทยเพลงแรกที่ถูกนำมาแปลงเป็น DNA และถูกส่งขึ้นสู่อวกาศ พัฒนาโดยเยาชนไทย
อ่านเพิ่มเติม >
ถ้าเราจะเปรียบเซลล์เหมือนเป็นคอมพิวเตอร์ ก็คงไม่พ้นจากคำกล่าวที่เปรียบเปรย DNA เหมือนเป็น HDD (Hard Disk Drive) ที่เก็บข้อมูลทุกอย่างของเซลล์ไว้ได้ แต่จุดแตกต่างระหว่าง DNA กับ HDD ที่ใหญ่ที่สุดก็คือ “ความจุ” นั่นเอง DNA 1 กรัมสามารถเก็บข้อมูลได้ถึง 215,000,000 GB ในขณะที่ HDD เก็บได้เพียงแค่ 100 GB เท่านั้น แต่แน่นอนว่าถ้าเราจะทำให้ DNA กลายเป็น HDD แห่งอนาคตที่แท้จริง เราก็จำเป็นต้องมีวิธีอ่าน, ตัด และ ต่อ DNA เหมือนใน HDD ที่มีการ read – write ด้วย
แล้วเราต่อ DNA เข้าด้วยกันอย่างไร
หลาย ๆ คนอาจจะทราบแล้วว่าเราสามารถใช้วิธี DNA sequencing ในการ “read” DNA ได้ แต่การ write DNA จริงๆแล้วไม่ได้ง่ายเหมือนกับ HDD เพราะเราต้องทั้งตัด DNA ด้วยวิธีเช่น CRISPR-Cas9 หรือ Restriction Enzyme และเราก็ต้องต่อ DNA เข้าด้วยกันอีกด้วย
เทคนิคการต่อ DNA ที่เราจะพูดถึงกันในบทความนี้มีชื่อว่า Gibson Assembly ซึ่งถูกคิดค้นโดย Daniel G. Gibson ซึ่งเทคนิคนี้ทำให้เราสามารถประกอบ DNA สองชิ้นเข้าด้วยกันได้ เพียงแค่มี ปลายข้างใดข้างหนึ่งของ DNA สองชิ้นมีรหัสตรงข้ามกัน (reverse complement) เช่น ATCG ก็จะตรงข้ามกับ TAGC ซึ่งด้วยวิธีนี้ เราสามารถเชื่อม DNA เป็นสิบ ๆ พร้อม ๆ กันยังได้เลย
เวลาเราจะทำ Gibson Assembly ขั้นตอนไม่ยากมาก เพียงแค่เราเอาชิ้นส่วนของ DNA ที่ต้องการประกอบมาผสมกับส่วนผสมที่ให้มากับชุดการทดลอง (master mix) แล้วอบ 1 ชั่วโมง ณ อุณหภูมิ 50°C ซึ่งโดยหลักแล้วส่วนผสมที่ให้มาจะมีโปรตีน “exonuclease” ซึ่งจะตัดปลาย DNA ของเราที่ซ้ำกัน โดยปกติแล้ว DNA จะอยู่เป็นเกลียวคู่ double helix ซึ่ง exonuclease จะทำหน้าที่ตัดหนั่งในสายคู่ ทำให้เหลือปลายสายเดี่ยวลอยไปลอยมา
และเมื่อปลายสายเดี่ยวไปเจออีกปลายของ DNA หนึ่ง ด้วยความที่รหัสตรงข้ามกัน DNA ทั้งสองชิ้นก็จะดึงดูดเข้าหากันและประกอบกันโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษแต่อย่างไร คุณสมบัตินี้มีชื่อว่า self-assembly ซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุที่ทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถดำรงชีวิตอยู่ได้
ในบางครั้ง exonuclease อาจจะรุนแรงมากเกินจนตัดเข้าไปโดนรหัส DNA ที่ไม่ได้ทับซ้อนกัน ในชุดการทดลองจึงใส่โปรตีน DNA polymerase เข้าไปด้วยซึ่งจะนำเบส ATCG ที่ล่องลอยอยู่ใน master mix เพื่อมาซ่อมแซม DNA ของเรา และ ยึดติด DNA เข้าด้วยกันอย่างถาวรด้วยโปรตีน DNA ligase
ถ้าใช้เวลาตัดต่อตั้งชั่วโมงนึงแล้วจะทำไปทำไม?
นอกจากปริมาณข้อมูลที่ยัดลงไปได้มากกว่า HDD เป็นร้อยล้านเท่า ปัญหาที่เราไม่สามารถปฏิเสธได้คือระยะเวลาที่ใช้ในการทั้งสังเคราะห์ DNA ขึ้นมา และ เชื่อมต่อ DNA เข้าด้วยกัน แต่จริง ๆ แล้ว DNA มีอีกข้อเด่นหนึ่งที่จะทำให้ข้อเสียดูไม่มีผลอะไรเลย นั่นก็คือ DNA สามารถถูกนำมาใช้กับสิ่งมีชีวิตได้โดยตรง
ในฐานะที่เราเปรียบเปรยเซลล์เหมือนกับคอมพิวเตอร์ไปแล้ว เราก็คงมีความอยากที่จะแงะคอมพิวเตอร์ออกมาเพื่อที่จะซ่อมแซมและดัดแปลงชิ้นส่วนให้ตรงกับความต้องการของเรามากขึ้น เพราะใช่ว่าคอมพิวเตอร์ที่เราซื้อมาจะมีสเปคตรงกับที่เราอยากได้ทุกอย่าง
ก็แน่นอนว่าจะต้องมีคนเอะใจแล้วอยากทำแบบนี้กับชีววิทยาบ้าง อยากลองเล่นสนุกทดลองดัดแปลงและโปรแกรมสิ่งมีชีวิตให้ทำตามคำสั่งบางอย่างเหมือนกับที่เราเขียนโปรแกรมให้กับคอมพิวเตอร์ เลยเป็นที่กำเนิดของศาสตร์ synthetic biology หรือชีววิทยาสังเคราะห์ขึ้นมา
อ่าน – นิยามของ Synthetic biology โดย NIH – NHGRI
เป้าหมายของชีววิทยาสังเคราะห์ก็คือ ดัดแปลงสิ่งมีชีวิตให้สามารถผลิตสารตามที่เราต้องการได้ เช่น ยาปฏิชีวนะ หรือ เชื้อเพลิง หรือ ให้สามารถมีความสามารถใหม่ได้ เช่น ตรวจจับสารพิษ ฯลฯ ซึ่ง ณ ปัจจุบันนี้ก็มีงานในศาสตร์นี้ที่น่าตื่นตาตื่นใจมากมาย เช่น E. coli ที่ทำตัวเป็นนาฬิกา CPU และ ข้าวที่สามารถผลิต beta carotene ได้
ฟังก์ชั่นเหล่านี้จะเป็นไปไม่ได้เลยถ้าเราไม่มีโมเลกุลชนิดหนึ่งที่เรียกว่า “โปรตีน” ซึ่งเปรียบเหมือนกับแขนกลเล็กๆที่สามารถถอด-ประกอบ และ ดัดแปลง โมเลกุลชนิดต่างๆได้ รวมถึงมีฟังก์ชั่นเช่นการเรืองแสงอีกด้วย โดยฟังก์ชั่นของโปรตีนจะถูกเก็บไว้เป็นพิมพ์เขียวในรูปแบบของ DNA (คล้าย ๆ กับการเก็บไฟล์งานไว้ใน flash drive) สมมุติว่าถ้าเราอยากสร้างโปรตีนเรืองแสง เซลล์ก็จะไปอ่านพิมพ์เขียวของโปรตีนเรืองแสงที่เก็บไว้ใน DNA แล้วสร้างโปรตีนดังกล่าวขึ้นมา
อ่านเพิ่มเติม – Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases
เพียงแค่เราดัดแปลง DNA ของสิ่งมีชีวิต เราก็สามารถเพิ่มหรือลดฟังก์ชั่นของสิ่งมีชีวิตนั้นได้ตามใจชอบแล้ว
นอกจากการแปะ DNA เพื่อนำไปใช้การสังเคราะห์สารต่างๆ Gibson Assembly ยังถูกนำมาใช้ประกอบรวมรหัสพันธุกรรมทั้งจีโนมของสิ่งมีชีวิตมาแล้วด้วย เช่น Mycoplasma mycoides ซึ่งเป็นที่มาของโรคต่างๆในวัว ถ้าเราสามารถเข้าใจถึงพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้มากขึ้น เราก็จะสามารถเข้าใจถึงความสามารถของสิ่งมีชีวิตนั้น ๆ และ วิธีการป้องกันต่างๆได้
ความสามารถนี้จำเป็นมากๆในอนาคตอันใกล้ที่เราจะเป็นสปีชีส์ที่ท่องอวกาศ และ อาจค้นพบสิ่งมีชีวิตนอกโลก ไม่ว่าจะเป็นเชื้อไวรัสที่อาจจะระบาดบนยานได้ ไปจนถึงเอเลี่ยนที่อาจจะต้องการอะไรก็ได้จากเรา
Gibson Assembly เป็นเทคนิคที่สามารถทำให้เราต่อ DNA หลาย ๆ ชิ้นเข้าด้วยกันได้ไม่ว่า DNA จะถูกนำไปใช้เหมือนเป็น HDD ที่มีความจุมหาศาล หรือเป็นพิมพ์เขียวของกลไกทุกอย่างภายในสิ่งมีชีวิต เราจึงจำเป็นอย่างมากที่จะต้องทดสอบความสามารถของ Gibson Assembly ทั้งก่อนและหลังจาก DNA ถูกส่งไปนอกโลก ก็เลยทำให้การทดสอบ Gibson Assembly เป็นส่วนที่สำคัญมาก ๆ ของภารกิจ MESSE
อ่านคอนเทนต์ชุด MESSE
– 1U ตัวเลขมหัศจรรย์ จุดเริ่มต้นในการทำงานอวกาศ บนพื้นที่ 10x10x10 เซนติเมตร
– DNA Storage อนาคตของการเก็บข้อมูล เยอะกว่าล้านเท่าตัว ซับซ้อนด้วยกลไกของชีวิต
– เขียนโปรแกรมให้ชีวิตด้วย Synthetic Biology รู้จัก Gibson Assembly ในภารกิจ MESSE
– ปรัชญา อวกาศ เรเนซองส์ ความฝันกับจักรวาล และความเป็นมนุษย์ที่อยู่ในภารกิจ MESSE
