นักวิทย์มะกันพัฒนาซอฟต์แวร์ออกแบบเอ็นไซม์ สร้างยาต้านเชื้อดื้อสำเร็จเร็วขึ้น

การพัฒนายาใหม่ๆ ที่ต้องใช้เวลานับสิบๆ ปี อาจหดสั้นลงเหลือแค่ไม่กี่ปี เพราะทีมวิจัยสหรัฐฯ พัฒนาซอฟต์แวร์ที่ช่วยออกแบบเอนไซม์ตัวสำคัญในแบคทีเรีย ที่ผลิตสารปฎิชีวนะได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ช่วยย่นเวลานักวิจัยในการสุ่มสังเคราะห์ยาใหม่ในแล็บแบบวิธีเดิมๆ

บรูซ โดนัลด์ (Bruce Donald) นักวิทยาศาสตร์ผู้เชี่ยวชาญด้านชีวเคมีและคอมพิวเตอร์ แห่งมหาวิทยาลัยดุ๊ค (Duke University) เมืองเดอรัม มลรัฐนอร์ทแคโรไลนา สหรัฐอเมริกา นำทีมวิจัยพัฒนาซอฟต์แวร์ อัลกอริทึม เค สตาร์ (algorithm K*) เพื่อใช้ในการออกแบบโครงสร้างเอนไซม์สำคัญที่ช่วยผลิตยาปฏิชีวนะที่ชื่อ กรามิซิดิน เอส (gramicidin S) ในเซลล์ของแบคทีเรีย บาซิลลัส เบรวิส (Bacillus brevis) สำหรับการพัฒนายาใหม่ในตระกูลเดียวกัน เพื่อใช้ต้านเชื้อโรคที่ดื้อยาเดิม ซึ่งโปรแกรมดังกล่าวจะช่วยให้การค้นหายาใหม่ง่ายและรวดเร็วยิ่งขึ้น

โปรแกรม algorithm K* ที่นักวิจัยพัฒนาขึ้นนั้นสามารถช่วยสรรหาโครงสร้างของเอนไซม์สำคัญในการสร้างสาร gramicidin S โดยธรรมชาติในเซลล์แบคทีเรีย ที่มีความเป็นไปได้และแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงในทุกรูปแบบ ซึ่งเทคนิคนี้จะช่วยปูทางสู่การออกแบบยาเดิมให้มีรูปแบบใหม่และสามารถทำลายเชื้อโรคที่ดื้อยาลงได้

"มันทำให้พวกเราตื่นเต้นจริงๆ ที่สามารถออกแบบเอนไซม์ได้ใหม่ในคอมพิวเตอร์ แล้วจึงค่อยไปสร้างเอนไซม์นั้นขึ้นมาจริงๆ ในห้องแล็บ และมันก็ทำงานได้จริงตามที่เราหวังไว้" โดนัลด์ กล่าวด้วยความตื่นเต้น ในผลสำเร็จของงานวิจัย ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติสหรัฐฯ (National Institutes of Health) และได้รับการตีพิมพ์ในวารสารสมาคมวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ (Proceedings of the National Academy of Sciences: PNAS) ฉบับออนไลน์ เมื่อวันที่ 16 ก.พ.52 ที่ผ่านมา ซึ่งนักวิจัยได้เผยแพร่โปรแกรมเป็นโอเพนซอร์ซ (open source) เพื่อให้นักวิจัยที่สนใจนำไปใช้งานได้อย่างทั่วถึง

ทั้งนี้ โดยปรกติแล้วการวิจัยพัฒนายาตัวใหม่มักทำการทดลองสังเคราะห์โดยการดัดแปลงจากยาหรือสารประกอบตัวเดิมที่มีอยู่แล้ว ทว่าวิธีการของโดนัลด์คือใช้โปรแกรม algorithm K* ที่พัฒนาขึ้น มาทำนายแนวโน้มการการเปลี่ยนแปลงหรือการผันแปรของเอนไซม์ในจุลินทรีย์ที่ผลิตสารปฏิชีวนะชนิดนั้น ซึ่งจะช่วยให้การค้นหายาใหม่มีความรวดเร็วยิ่งขึ้น และมีต้นทุนที่ถูกลงเพื่อให้ได้รูปแบบของเอนไซม์ที่ดีที่สุด

"มันเป็นวิถีใหม่ที่มีความจำเป็นในการออกแบบยาใหม่ๆ ซึ่งในการที่เราจะสร้างโปรตีนตัวหนึ่งขึ้นมา มันมีการเปลี่ยนแปลงที่น่าจะเป็นไปได้ตั้งมากมาย แต่โปรแกรม algorithm K* มันสามารถทดสอบความผันแปรของโปรตีนในรูปแบบต่างๆ ได้มากกว่าการทดลองในห้องแล็บแต่เพียงอย่างเดียว" โดนัลด์ แจง

ทีมวิจัยหวังให้โปรแกรมดังกล่าวเป็นประโยชน์ในการออกแบบโปรตีนชนิดอื่นๆ ด้วย รวมทั้งคำนวณทิศทางการเคลื่อนที่โดยรอบของโปรตีนในแบบ 3 มิติ ซึ่ง K* เวอร์ชันล่าสุดของเขาสามารถทำให้แกนหลักของโปรตีน (protein backbone) และสายโซ่ข้างเคียง (side chain) บิดโค้งงอได้มากกว่า และในขณะเดียวกันมันก็ช่วยคำนวณหาแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เป็นไปได้ทั้งหมดของโปรตีนนั้น

"เมื่อเป็นดังนั้นเราอาจจะค้นพบยาที่ต้องการได้ในเวลาอันรวดเร็ว ซึ่งอาจต้องใช้เวลานานกว่านั้นมากหากเราใช้เทคนิคแบบเดิมทำการทดลองในห้องแล็บเพียงอย่างเดียว และโดยหลักการแล้วโปรแกรมนี้ก็น่าจะใช้ในการออกแบบเอนไซม์ใดๆก็ได้อย่างง่ายดายด้วยการป้อนข้อมูลโครงสร้างของโปรตีนหรือเอนไซม์นั้นเข้าไป แล้วเราก็สั่งการให้มันทำงาน" โดนัลด์ กล่าว

โดนัลด์ได้รับความร่วมมือจากเอมี แอนเดอร์สัน (Amy Anderson) นักวิจัยของมหาวิทยาลัยคอนเนคติคัต (University of Connecticut) ในการทดลองทางชีวเคมีเพื่อทดสอบความถูกต้องแม่นยำของการออกแบบเอนไซม์ในระบบของ กรามิซิดีน เอส ซินเทเตส (Gramicidin S Synthetase) ด้วยโปรแกรม algorithm K*

การออกแบบเอนไซม์ด้วยโปรแกรมดังกล่าวนั้นถือเป็นขั้นตอนแรกที่มีความสำคัญในกระบวนการสร้างยาปฏิชีวนะใหม่ ซึ่งโปรแกรมนี้ยังช่วยทดลองทำปฏิกิริยาเคมีต่อกันและการบิดหมุนโครงสร้างของโมเลกุลโปรตีนทุกแบบที่น่าจะเป็นไปได้ และคำนวณเพื่อคัดแยกรูปแบบของโครงสร้างโปรตีนที่ไม่ทำงานออกไป ซึ่งในขั้นตอนนี้อาจต้องใช้เวลาประมาณ 1 สัปดาห์ ในการประมวลผลด้วยคอมพิวเตอร์คลัสเตอร์ในแล็บของทีมวิจัย

เมื่อประมวลผลเสร็จสมบูรณ์แล้ว นักวิจัยจึงทดลองสร้างโปรตีนที่ได้ออกแบบด้วยโปรแกรมดังกล่าวขึ้นในห้องแล็บโดยใช้แบคทีเรียช่วยในการสังเคราะห์โปรตีนนั้น แล้วทดสอบการทำงานของโปรตีนแต่ละตัวที่สร้างขึ้นมา

อย่างไรก็ตาม โดนัลด์ให้ข้อมูลเพิ่มเติมว่า gramicidin S นั้นไม่น่าจะใช้รักษาโรคติดเชื้อได้ผลสักเท่าไหร่แล้ว ทว่ามันก็ยังเป็นต้นแบบสำหรับศึกษาการทำงานของเอนไซม์ได้เป็นอย่างดี เพราะว่านักวิจัยมีข้อมูลโครงสร้าง 3 มิติ ของเอนไซม์ชนิดนี้อยู่มาก ซึ่งมันน่าจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการออกแบบเอนไซม์ใหม่หรือปรับปรุงกลไกของเอนไซม์ชนิดอื่นให้ทำหน้าที่สังเคราะห์ยาในตระกูล gramicidin ได้ เช่น เพนิซิลลิน (penicillin) และ แวนโคมัยซิน (vancomycin).