ตามรอยโนเบลเคมี จากโปรตีนเรืองแสงในแมงกะพรุนสู่วิทยาการเพื่อชีวิต

ใครบ้างเล่าจะคิดว่าโปรตีนเรืองแสงจากแมงกะพรุนจะกลายเป็นเครื่องมือที่น่าอัศจรรย์ในการศึกษาวิจัย ราวกับกุญแจสำคัญดอกน้อยที่ไขเข้าไปในเซลล์เล็กๆ ของสิ่งมีชีวิต และเปิดโลกวิทยาการให้ก้าวไกล

โอซามุ ชิโมมุระ (Osamu Shimomura) เองก็คงไม่คาดคิดมาก่อนว่าการค้นพบโปรตีนเรืองแสงในแมงกะพรุนจะส่งให้เขากลายเป็นนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบล สาขาเคมี ในปีนี้พร้อมกับมาร์ติน ชาลฟี (Martin Chalfie) และ โรเจอร์ เฉียน (Roger Y. Tsien) ที่ต่อยอดจากการค้นพบของชิโมมุระ จนทำให้งานวิจัยหลายด้านก้าวล้ำไปมาก ทั้งชีววิทยา ชีวเคมี พันธุศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการแพทย์

จากที่ไม่เคยรู้ ก็ได้รู้ ที่ไม่เคยเห็น ก็ได้เห็น เพราะโปรตีนเรืองแสงที่ชิโมมุระแยกได้จากแมงกะพรุนเมื่อเกือบ 50 ปีที่แล้ว และ 30 ปีต่อมาชาลฟีก็เป็นผู้ริเริ่มนำมาใช้เป็นเครื่องหมายในการติดตามกลไกต่างๆ ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต และเฉียนก็พัฒนาให้โปรตีนนี้เรืองแสงได้หลายสี และใช้งานได้มากขึ้น

โปรตีนเรืองแสงในหมึกส่งผู้ช่วยวิจัยหนุ่มปลาดิบโกอินเตอร์ที่สหรัฐฯ

เรื่องนี้เริ่มต้นขึ้นที่ญี่ปุ่นหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 เพียง 1 ปี สถาบันที่ชิโมมุระกำลังศึกษาอยู่มีอันต้องพังทลายจากระเบิดปรมาณู กระทั่งในปี 2498 ชิโมมุระได้ทำงานเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ยาชิมาสะ ฮิราตะ (Yashimasa Hirata) ที่มหาวิทยาลัยนาโกยา (Nagoya University) โดยงานที่เขาได้รับมอบหมายนั้นดูเหมือนจะไม่มีทางเป็นไปได้เอาเสียเลย ที่เขาต้องค้นหาสิ่งที่ทำให้ตัวอย่างของเนื้อเยื่อพวกหมึกที่บดละเอียดแล้วแต่ยังเรืองแสงได้เมื่อเปียกน้ำ

มันอาจดูเป็นเรื่องแปลกที่ ศ.ฮิราตะ ให้โจทย์ยากๆ แก่ผู้ช่วยที่ไม่มีประสบการณ์อย่างเขา ซึ่งทีมวิจัยชั้นนำของสหรัฐฯ พยายามมาเป็นเวลานานเพื่อค้นหาสิ่งที่ว่านี้ ดังนั้น ศ.ฮิราตะ จึงไม่มอบหมายงานนี้ให้แก่นักเรียนที่ต้องการจบปริญญาเอก

ถัดมาในปี 2499 ซึ่งเกือบจะเป็นไปไม่ได้ซะแล้ว แต่ชิโมมุระก็มีสิ่งนั้นอยู่ในมือจนได้ มันคือโปรตีนที่เรืองแสงสว่างกว่าตัวอย่างหมึกบดถึง 37,000 เท่า หลังจากตีพิมพ์ผลงานไปแล้ว แฟรงก์ จอห์สัน (Frank Johoson) นักวิจัยของมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน สหรัฐฯ ก็รับชิโมมุระเข้าทำงานทันที และก่อนที่ชิโมมุระจะจากมา ศ.ฮิราตะ เห็นสมควรมอบวุฒิปริญญาเอกให้แก่ชิโมมุระ

หลังจากข้ามน้ำข้ามทะเลไปเป็นนักวิจัยใต้ปีกลุงแซม ชิโมมุระก็ได้มุ่งศึกษาวัตถุธรรมชาติที่เรืองแสงได้ รวมทั้งแมงกะพรุน เอควาเรีย วิคตอเรีย (Aequorea victoria) ที่จะเรืองแสงสีเขียวบริเวณขอบนอกเมื่อถูกสิ่งเร้า

ฤดูร้อนในปี 2504 ชิโมมุระและจอห์นสันช่วยกันเก็บตัวอย่างแมงกะพรุนบริเวณชายฝั่งของอ่าวฟรายเดย์ (Friday Harbor) ทางตะวันตกของอเมริกาเหนือ ตัดเอาเพียงส่วนขอบของแมงกะพรุนมาสกัดเอาน้ำคั้น (squeezate) ต่อมาวันหนึ่งขณะที่ชิโมมุระกำลังเทน้ำคั้นจากแมงกะพรุนบางส่วนทิ้งลงในอ่าง ปรากฏว่ามันเรืองแสงขึ้นมา ทว่า ณ เวลานั้นเขาเข้าใจว่ามันคงเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเคมีของประจุแคลเซียม (calcium ion) จากน้ำทะเลที่ปะปนเข้ามาด้วย ซึ่งแสงที่เกิดขึ้นนั้นเป็นสีฟ้า ไม่ใช่สีเขียวเหมือนที่เรืองออกมาจากแมงกะพรุน

ตลอดฤดูร้อนนั้นทั้งชิโมมุระและจอห์นสันก็ยังคงช่วยกันทำงานวิจัยและออกไปเก็บตัวอย่างน้ำคั้นจากแมงกะพรุนด้วยกันอย่างต่อเนื่อง เมื่อได้น้ำคั้นจากแมงกะพรุน 10,000 ตัว พวกเขาก็นำมาสกัดจนได้สารบริสุทธิ์เพียงไม่กี่มิลลิกรัมที่เรืองแสงสีฟ้าได้ ซึ่งก็คือโปรตีน เอควาริน (aequorin)

ทั้งสองคนได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยในในปีถัดมาคือ 2505 ซึ่งได้บรรยายไว้ว่าโปรตีนที่แยกได้นี้มีสีแกมเขียวเล็กน้อยเมื่อถูกแสงแดด มีสีออกเหลืองๆ เมื่อถูกแสงจากหลอดไฟ และเรืองแสงสีเขียวเมื่อได้รับยูวี ซึ่งชิโมมุระและจอห์นสันเรียกโปรตีนนี้ว่า "โปรตีนเขียว" (green protein) และนับเป็นครั้งแรกที่มีการค้นพบและอธิบายคุณลักษณะของโปรตีนชนิดนี้ ที่ต่อมาภายหลังถูกเรียกใหม่ว่า โปรตีนเรืองแสงสีเขียว หรือจีเอฟพี (green fluorescent protein, GFP)

อีกหลายปีต่อมาในช่วงทศวรรษที่ 70 ชิโมมุระ ก็ได้ค้นพบว่าแท้จริงแล้วในโปรตีนจีเอฟพีนั้นมีส่วนประกอบของสารที่ทำให้เกิดสีหรือโครโมฟอร์ (chromophore) ชนิดพิเศษ คือสามารถดูดกลืนแสงสีอื่นๆ เอาไว้และเปล่งแสงที่อยู่ในช่วงความยาวคลื่นแสงสีเขียวได้เมื่อได้รับแสงยูวี จึงเห็นว่าโปรตีนนี้เรืองแสงสีเขียวออกมา

สร้างหนอนตัวกลมให้เรืองแสงได้ด้วยโปรตีนจากแมงกะพรุน

ในปี 2531 มาร์ติน ชาลฟี ได้ยินเรื่องเกี่ยวกับโปรตีนจีเอฟพีเป็นครั้งแรกในงานสัมมนาเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตที่เรืองแสงได้ของมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย (University Columbia) มลรัฐนิวยอร์ก ที่เขาสังกัดอยู่ และเมื่อรู้ว่าเป็นโปรตีนนี้เรืองแสงได้ เขาก็เกิดปิ๊งและตระหนักได้ทันทีเลยว่าโปรตีนเรืองแสงสีเขียวนี้จะเป็นเครื่องมือสุดมหัศจรรย์ที่จะทำให้เขาสร้างแผนที่หนอนตัวกลม (Caenorhabditis elegans) ที่เขากำลังศึกษาอยู่ขณะนั้นได้ มันจะเป็นเครื่องหมายให้เขาติดตามสังเกตกิจกรรมต่างๆ ในเซลล์ของหนอนตัวกลมได้ง่ายขึ้น

ทั้งนี้ หนอนตัวกลมเป็นตัวอย่างสิ่งมีชีวิตที่นักวิจัยนำมาศึกษากันค่อนข้างมาก และ 1 ใน 3 ของยีนในหนอนตัวกลมนั้นเกี่ยวโยงกับยีนของมนุษย์ และในร่างกายของเรา ซึ่งแนวคิดของชาลฟีคือนำเอายีนที่เป็นรหัสของโปรตีนจีเอฟพีมาติดไว้กับยีนต่างๆ ภายในเซลล์ เพื่อติดตามดูว่ายีนเหล่านั้นถอดรหัสเป็นโปรตีนใด ที่เซลล์ไหนบ้าง โดยมีโปรตีนจีเอฟพีเป็นเครื่องส่งสัญญาณ

สิ่งแรกที่ชาลฟีต้องทำคือค้นหายีนของแมงกะพรุนที่ควบคุมการแสดงออกของโปรตีนจีเอฟพี และเขาก็พบว่าดักลาส พราเชอร์ (Douglas Prasher) ที่อยู่สถาบันสมุทรศาสตร์ วูดส์ โฮล์ (Woods Hole Oceanographic Institution) มลรัฐแมสซาชูเซตต์ส ได้เริ่มค้นหายีนจีเอฟพีล่วงหน้าก่อนแล้ว จึงได้ติดต่อไปยังพราเชอร์และขอให้เขาติดต่อกลับมาหากว่าพบยีนดังกล่าวแล้ว

2 ปีถัดมา พราเชอร์ก็ส่งตัวอย่างยีนจีเอฟพีที่เขาแยกได้มาให้ชาลฟี และเขาก็ทดลองนำยีนนี้ไปใส่ให้แบคทีเรีย อี โคไล (E. coli) และพบว่ามันเรืองแสงสีเขียวได้เมื่อฉายแสงยูวีให้มัน การทดลองนี้ถือได้ว่าเป็นรากฐานของการใช้ประโยชน์โปรตีนเรืองแสงของทุกวันนี้

ยิ่งไปกว่านั้นการทดลองของชาลฟีครั้งนี้ยังหักล้างความเชื่อเดิมของนักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นที่เข้าใจว่ากลไกการสร้างสารจำพวกโมเลกุลเรืองแสงและสารที่ทำให้เกิดสีในพืชและสัตว์นั้นต้องผ่านหลายขั้นตอน และถูกควบคุมด้วยโปรตีนหลายชนิด รวมทั้งสารเรืองแสงในจีเอฟพีก็ต้องมีโปรตีนอื่นๆ ควบคุมด้วยเหมือนกัน แต่ชาลฟีก็แสดงให้เห็นว่าไม่จำเป็นต้องมีโปรตีนอื่นๆ เพียงแค่จีเอฟพีมันก็เรืองแสงได้

จากนั้นชาลฟีก็ทดลองนำยีนของจีเอฟพีไปติดไว้กับตัวเปิดการทำงานของยีน (promoter) ที่ควบคุมการสร้างโปรตีนรีเซพเตอร์ (receptor) ของเซลล์ประสาทในหนอนตัวกลมจนสำเร็จ ซึ่งผลงานนี้ได้ตีพิมพ์พร้อมขึ้นปกวารสารไซน์ (Science) ฉบับเดือน ก.พ. 2537

เพิ่มสีสันการเรืองแสงด้วยปรับแต่งตำแหน่งกรดอะมิโน

ส่วนเจ้าของโนเบลเคมีคนสุดท้าย โรเจอร์ เฉียน เขาคือผู้ที่มีบทบาทสำคัญในการปฏิวัติโปรตีนจีเอฟพี เพราะเขาทำให้นักวิจัยคนอื่นๆ มีโปรตีนเรืองแสงหลากหลายสีให้เลือกใช้มากขึ้น และยังเพิ่มประสิทธิภาพการเรืองแสงให้ดียิ่งขึ้นด้วย

เฉียนสร้างแผนที่ลำดับกรดอะมิโน 238 ตัว ของโปรตีนจีเอฟพี เพื่อดูว่าโครโมฟอร์ในโปรตีนจีเอฟพีมีหน้าตาอย่างไร โดยก่อนหน้านั้นมีนักวิจัยเคยระบุไว้แล้วว่ากรดอะมิโน 3 ตัว ที่ตำแหน่ง 65-67 ทำปฏิกิริยาต่อกันจนเกิดเป็นโครโมฟอร์ และเฉียนก็ได้ข้อมูลเพิ่มเติมว่าต้องมีออกซิเจนเข้าไปเกี่ยวข้องด้วย และเขาก็ยังอธิบายด้วยว่ามันเกิดขึ้นโดยไม่ต้องอาศัยการควบคุมจากโปรตีนชนิดอื่นได้อย่างไร

เฉียนทดลองเปลี่ยนชนิดของกรดอะมิโนที่ตำแหน่งต่างๆ และพบว่ามันทำให้จีเอฟพีสามารถดูดกลืนและปล่อยพลังงานแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆ ได้ ทำให้เขาสามารถสร้างโปรตีนจีเอฟพีให้เรืองแสงได้หลากหลายสีและสว่างมากขึ้น ส่งผลให้ขอบเขตงานวิจัยขยายวงกว้างมากขึ้น นักวิจัยสามารถติดฉลากโปรตีนต่างชนิดกันด้วยสีที่แตกต่างกัน และสังเกตปฏิกิริยาต่อกันที่เกิดขึ้นภายในเซลล์สิ่งมีชีวิตได้ง่ายยิ่งขึ้น

ทั้งนี้ เฉียนไม่สามารถทำให้จีเอฟพีเรืองแสงสีแดงได้ แต่ต่อมา 2 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียก็ต่อยอดจนทำสำเร็จ จากโปรตีนเรืองแสงที่พบในปะการัง

จากวันนั้นถึงปัจจุบันนี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้หน้าที่และกลไกการทำงานของยีนต่างๆ, พัฒนาการของเซลล์ประสาท, การสร้างฮอร์โมนอินซูลิน, การแพร่กระจายของเซลล์มะเร็ง และอื่นๆ อีกมากมายที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็น รวมถึงสร้างสารพัดสัตว์ที่เรืองแสงได้ ซึ่งแสดงถึงความก้าวหน้าทางวิทยาการ และนำไปสู่การค้นคว้าสิ่งใหม่หรือไขปริศนาต่างๆ อีกนับไม่ถ้วน
มาร์ติน ชาลฟี (ภาพจาก AFP)