ไขปริศนา ชีวโมเลกุล กับการค้นพบอาร์เอ็นเอชนิดใหม่ของโลก glycoRNAs
Better Living

ไขปริศนา ชีวโมเลกุล กับการค้นพบอาร์เอ็นเอชนิดใหม่ของโลก glycoRNAs

Focus
  • ถือเป็นการค้นพบที่เขย่าวงการวิทยาศาสตร์อย่างมากกับการค้นพบสารชีวโมเลกุล RNA ชนิดใหม่ที่มีน้ำตาลเกาะอยู่และตั้งชื่อให้ว่า glycoRNAs
  • การค้นพบครั้งแรกของโลกนี้เกิดขึ้นที่แล็บวิจัยของ ศาสตราจารย์ ดร.แคโรลินเบอโทซี (Prof. Dr. Carolyn Bertozzi) และ คุณหมอนักวิจัย ดร.ไรอัน ฟลิน (Dr. Ryan Flynn) ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด รัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา

ณ เวลานี้ หลายคนคงคุ้นเคยกับคำว่า เอ็มอาร์เอ็นเอ (mRNA) จากวัคซีนโควิด-19 ชนิด mRNA กันมามากแล้ว ซึ่ง อาร์เอ็นเอ (RNA) ในสิ่งมีชีวิตมีหลายชนิดและหลายบทบาทหน้าที่ วันนี้ผู้เขียนขอนำเสนอความรู้ที่กำลังเป็นข่าวช็อกวงการวิทยาศาสตร์เมื่อปลายเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2564 ที่ผ่านมา เกี่ยวกับการค้นพบ สารชีวโมเลกุลชนิดใหม่ในเซลล์สิ่งมีชีวิต (สารชีวโมเลกุล คือสารเคมีที่เป็นองค์ประกอบในร่างกายสิ่งมีชีวิต เช่น สารพันธุกรรมอย่างดีเอ็นเอ (DNA) อาร์เอ็นเอ (RNA)และพวกโปรตีน คาร์โบไฮเดรต รวมทั้งไขมัน ซึ่งร่างกายเราได้รับจากอาหารและนำไปใช้ในการทำงานของเซลล์) การค้นพบที่เขย่าวงการวิทยาศาสตร์ครั้งนี้คือ การค้นพบสารชีวโมเลกุล RNA ชนิดใหม่ที่มีน้ำตาลเกาะอยู่ และตั้งชื่อให้ว่า glycoRNAs ซึ่งเป็นสิ่งที่สร้างความแปลกประหลาดใจให้แก่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก ถึงขั้นที่ว่าทำให้อาจต้องกลับไปนั่งทบทวนเพิ่มเนื้อหาตำราเรียนทางชีวเคมีกันใหม่ จากเดิมที่มีความรู้กันแค่ว่า เฉพาะโปรตีนและไขมันเท่านั้นที่จะสามารถมีโมเลกุลของน้ำตาลเข้ามาเกาะอยู่ได้ภายในสิ่งมีชีวิต

รูปทรงต่าง ๆ แสดงถึงน้ำตาลต่างชนิดที่มาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะทางเคมีจนกลายเป็นโครงสร้างของน้ำตาลสายยาวที่มีโครงสร้างซับซ้อนเกาะอยู่บนโปรตีน (glycoproteins) และไขมัน (glycolipids)ที่เป็นองค์ประกอบบนพื้นผิวของเซลล์ร่างกายมนุษย์
(ภาพ : Emily M. Eng/R. Flynn
et al.Cell 2021,Illustration by Ryan Flynn )

การค้นพบครั้งแรกของโลกนี้เกิดขึ้นที่แล็บวิจัยของ ศาสตราจารย์ ดร.แคโรลิน เบอโทซี (Prof. Dr. Carolyn Bertozzi) และ คุณหมอนักวิจัย ดร.ไรอัน ฟลิน (Dr. Ryan Flynn) ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด รัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา (Stanford University, California, USA) นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองท่านนี้ได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้เชี่ยวชาญเฉพาะด้าน โดย ดร.แคโรลิน เป็นผู้บุกเบิกงานวิจัยทางด้านการใช้สารเคมีอินทรีย์ในการจับและบันทึกภาพสารชีวโมเลกุลโดยเฉพาะพวกน้ำตาล เพื่อศึกษากลไกการทำงานของกระบวนการต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์และภายในร่างกายสิ่งมีชีวิต เทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้ประโยชน์มากมายทั้งในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์และทางการแพทย์ (ผู้เขียนคาดว่าเธอน่าจะได้รางวัลโนเบลในอนาคตอันใกล้)

glycoRNAs
ศาสตราจารย์ ดร.แคโรลินเบอโทซี (Prof. Carolyn Bertozzi, Ph.D.)
ภาพ : https://chemistry.stanford.edu/

ส่วน ดร.ไรอัน ขณะนี้เป็นอาจารย์แพทย์ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดและโรงพยาบาลเด็กแห่งเมืองบอสตัน (Boston Children’s Hospital) ก่อนหน้านี้เขาเป็นแพทย์นักวิจัยผู้เชี่ยวชาญด้านการทำงานของ RNA ในสิ่งมีชีวิต ซึ่งหลังจากเขาเรียนจบทั้งแพทยศาสตร์และปริญญาเอกวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (ในสหรัฐอเมริกาจะมีหลักสูตรผลิตแพทย์นักวิจัยโดยตรง ที่เรียกว่า MD-PhD Program) เขาก็ได้มีโอกาสมาทำวิจัยหลังปริญญาเอกกับ ดร.แคโรลิน โดยที่ทั้งสองได้ตั้งโจทย์วิจัยด้วยคำถามที่ว่า

“สารชีวโมเลกุลทั้งสองชนิด (RNA และ น้ำตาล) มีโอกาสมาจับกันได้ภายในเซลล์ เช่นเดียวกับ โปรตีนกับน้ำตาล หรือไขมันกับน้ำตาลหรือไม่”

อาจฟังดูเป็นคำถามง่าย ๆ แต่องค์ความรู้ในปัจจุบันยังไม่เคยมีหลักฐานทางวิทยาศาสตร์หรือมีผู้ใดค้นพบเลยว่า สารพันธุกรรมอย่าง RNAs จะสามารถจับกับน้ำตาลได้ จนกระทั่งผลงานวิจัยนี้ ซึ่งผ่านการตรวจสอบจากนักวิทยาศาสตร์ผู้เชี่ยวชาญหลายท่านและเพิ่งถูกตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสารวิทยาศาสตร์ระดับโลกอย่าง Cell จากหลักฐานทางวิทยาศาสตร์และผลการทดลองที่ละเอียดน่าเชื่อถือ จนเป็นที่ยอมรับในขณะนี้ว่า RNAs สามารถจับกับน้ำตาลได้ เกิดเป็นสารใหม่ภายในเซลล์ นับเป็นสารชีวโมเลกุลชนิดใหม่ล่าสุดที่เพิ่งถูกค้นพบ ทำให้เหล่านักวิทยาศาสตร์รู้สึกว่า ภายในร่างกายเราหรือสิ่งมีชีวิตรวมทั้งในธรรมชาติเองยังมีปริศนาอยู่มากมายที่รอการค้นพบด้วยวิทยาการและเทคโนโลยีสมัยใหม่ ซึ่งอาจทำให้เราค้นพบสิ่งใหม่ ๆ หรือหักล้างความเชื่อทางวิทยาศาสตร์ในสมัยก่อนไปเลยเช่นเดียวกับกรณีนี้           

glycoRNAs
ผศ.ดร.นพ. ไรอัน ฟลิน (Assist. Prof. Ryan A. Flynn, M.D., Ph.D.)
ภาพ : https://twitter.com/raflynn5

ลงรายละเอียดเพิ่มเติมอีกนิด ปกติตามที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อกันมา คือ RNAs อย่างชนิด mRNA ซึ่งเป็นชนิดที่พบมากที่สุดในเซลล์เป็นสารชีวโมเลกุลที่เซลล์ต่าง ๆ ในร่างกายสังเคราะห์ขึ้นมาโดยใช้ DNA ภายในนิวเคลียสของเซลล์เป็นต้นแบบ แล้วถูกส่งออกมาภายนอกนิวเคลียสเพื่อใช้เป็นแม่พิมพ์สำหรับการสร้างโปรตีนเท่านั้น mRNA จะสลายตัวอย่างรวดเร็ว (นั่นก็เป็นอีกเหตุผลว่า วัคซีนชนิด mRNA ไม่น่าจะเข้าไปยุ่งเกี่ยวกับสารพันธุกรรม DNA ในนิวเคลียสของเราได้ จึงไม่น่าจะทำให้เกิดการกลายพันธุ์ของเซลล์เราหรือกลายเป็นมะเร็ง)

ที่ผ่านมาจึงยังไม่เคยมีหลักฐาน หรือองค์ความรู้ใด ๆ ที่บ่งชี้ว่ามี RNAsชนิดใด ๆกับโมเลกุลของน้ำตาลจะมาเจอกันและทำปฏิกิริยาเชื่อมต่อกันได้ภายในเซลล์ มีเพียงโปรตีนและไขมันเท่านั้นที่ถูกพบว่าจับกับน้ำตาลได้ แต่ปัจจุบัน ด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาการและเทคนิคทางเคมีชีวภาพนี้เอง ที่ใช้ในการศึกษาสารชีวโมเลกุลเหล่านี้ ทำให้พวกเขาสามารถตรวจจับสารใหม่ RNA ที่มีน้ำตาลเกาะอยู่ หรือเรียกว่า ไกลโคอาร์เอ็นเอ (glycoRNA) นี้ได้เป็นครั้งแรกของโลก สั่นสะเทือนวงการวิทยาศาสตร์นานาประเทศ (ภาพประกอบด้านล่าง)

“นี่น่าจะเป็นการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่ทำให้ฉันตกใจมากที่สุดในชีวิตเลย”

ดร.แคโรลิน กล่าวในบทสัมภาษณ์ตอนหนึ่งหลังจากที่ตีพิมพ์ผลงานชิ้นนี้

เริ่มจากที่พวกเขาตั้งสมมติฐานว่า “มันจะเป็นไปได้ไหมที่ RNA กับน้ำตาลมาเจอกัน” พวกเขาจึงเริ่มทำการทดลองค้นหา RNAs ที่มีน้ำตาลไปเกาะอยู่บนโครงสร้าง (glycoRNAs) และใช้เวลาอยู่เป็นปี ๆ จนค้นพบสิ่งที่ตอนแรกพวกเขาไม่เชื่อสายตาตัวเองกับหลักฐานที่ปรากฏอยู่ตรงหน้า เขาได้ทดลองกับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลากหลายชนิด (mammalian cells) ซึ่งรวมถึงเนื้อเยื่อของสัตว์ทดลองอย่างหนูหรือปลาม้าลาย และพยายามจะทำการทดลองหลาย ๆ แบบเพื่อยืนยันว่า สิ่งที่พวกเขาค้นพบเป็น glycoRNAs จริง ๆ ไม่ใช่สิ่งที่ปนเปื้อนจากการทดลอง

ตอนนี้ทีมวิจัยมีหลักฐานค่อนข้างชัดเจนแล้วว่า RNAs ที่มีน้ำตาลไปเกาะอยู่บนโครงสร้าง (glycoRNAs) นั้น ถูกลำเลียงไปยังผิวนอกของเซลล์มนุษย์ (cell surface) โดยปกติแล้วพวกโปรตีนและไขมัน (ลิพิด) ที่มีน้ำตาลมาเกาะอยู่จะอยู่บนผิวนอกของเซลล์เรา จะทำหน้าที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกันของร่างกาย ทำให้ทีมวิจัยสงสัยว่า RNAs ชนิดใหม่นี้ จะมีหน้าที่คล้ายกันหรือไม่ ประจวบเหมาะกับการที่นักวิจัยคนอื่น ๆ ในห้องแล็บของ ดร.แคโรลิน กำลังศึกษาวิจัยเกี่ยวกับโปรตีนกลุ่มหนึ่งที่ชื่อว่า ซิเกล็ค (Siglecs) ซึ่งเป็นโปรตีนที่อยู่บนเซลล์ภูมิคุ้มกันของร่างกาย โดยทำหน้าที่จับกับโครงสร้างของน้ำตาลบนพื้นผิวของเซลล์ เพื่อตอบสนองการทำงานของระบบภูมิคุ้มกันของมนุษย์

ดร.ไรอัน จึงทดลองนำโปรตีนซิเกล็คหลากหลายชนิดมาลองจับกับ glycoRNAsดูบ้าง ปรากฏว่ามีโปรตีนซิเกล็คบางชนิดสามารถจับกับน้ำตาลบน glycoRNA ได้จริง ๆ ซึ่งโปรตีนซิเกล็คตัวนี้เคยถูกรายงานว่ามีความเกี่ยวข้องกับโรคแพ้ภูมิตัวเอง (SLE) หรือโรคพุ่มพวงอย่างที่เราคุ้นหูกัน ซึ่งองค์ความรู้ในปัจจุบันยังไม่ทราบกลไกหรือสาเหตุในระดับโมเลกุลที่แน่ชัดของการเกิดโรคต่าง ๆ อีกมากมาย รวมทั้งโรคแพ้ภูมิตัวเองด้วยที่ในวงการวิทยาศาสตร์การแพทย์ยังไม่เข้าใจ จึงยังหาวิธีรักษาหรือยาที่มีประสิทธิภาพไม่ได้

“ความรู้ใหม่นี้ อาจช่วยเติมเต็มภาพจิกซอว์เกี่ยวกับโรคนี้ได้ว่า glycoRNAs ที่นั่งอยู่บนพื้นผิวของเซลล์เพื่อจับกับโปรตีนซิเกล็คและส่งสัญญาณบอกเซลล์ภูมิคุ้มกันว่า นี่เป็นเป็นสิ่งแปลกปลอมที่เข้ามาโจมตีร่างกายหรือเป็นเซลล์ร่างกายตัวเอง ห้ามทำร้ายกันเอง” ดร.แคโรลินกล่าว

glycoRNAs
สารชีวโมเลกุล 3 ประเภทที่พบบนพื้นผิวของเซลล์ (cell surface) คือ ไกลโคโปรตีน ไกลโคลิพิด และล่าสุดคือ ไกลโคอาร์เอ็นเอ ทำหน้าที่ช่วยในการสื่อสารระหว่างเซลล์ (ภาพ R. Flynn et al./Cell 2021)

ดังที่กล่าวไปแล้วว่า glycoRNAs ซึ่งถูกส่งไปอยู่บนพื้นผิวของเซลล์ร่างกายนั้น มีหน้าที่จับกับเซลล์ภูมิคุ้มกัน แต่การค้นพบนี้เป็นเพียงจุดเริ่มต้นที่เขย่าวงการวิทยาศาสตร์เท่านั้น ยังคงมีปริศนาอีกมากมาย เช่น ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดถึงโครงสร้างทางเคมีและหน้าที่ที่แท้จริงของโมเลกุลชนิดใหม่นี้ หรือกระบวนการอื่น ๆ ภายในเซลล์ที่เกี่ยวข้อง แต่ที่แน่ ๆ และที่น่าตื่นเต้นมากก็คือการศึกษารายละเอียดต่าง ๆ ในระดับโมเลกุลต่อไป รอวันที่นักวิทยาศาสตร์จะเติมเต็มจิกซอว์ทุกชิ้นจนปรากฏเป็นภาพทั้งหมด นอกจากความเกี่ยวข้องกับโรคทางระบบภูมิคุ้มกัน อย่างเช่นโรคแพ้ภูมิตัวเองแล้ว องค์ความรู้ใหม่นี้อาจเป็นจิกซอว์อีกชิ้นหนึ่งที่สำคัญ ที่จะช่วยไขปริศนาต่าง ๆ เกี่ยวกับไวรัสโควิด-19 ที่เรายังไม่เข้าใจกลไกของเจ้าไวรัสตัวนี้ก็เป็นได้ และอาจจะเป็นกุญแจสำคัญที่จะนำไปสู่การเอาชนะเชื้อโรคอื่น ๆ ต่อไปในอนาคตได้ด้วยความรู้ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

จะเห็นได้ว่า การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่ไม่เคยมีใครคิดหรือสนใจที่จะหาคำตอบ อาจต้องอาศัยความร่วมมือกันจากนักวิทยาศาสตร์ที่มาจากหลากหลายสาขา หากแต่ในกรณีนี้ เป็นสาขาที่แตกต่างกันหรือไม่เกี่ยวข้องกันโดยสิ้นเชิง ประกอบกับมุมมองที่เปิดกว้าง ไม่ยึดติดกับความรู้เดิม ๆ ที่มีอยู่ และมีความพยายามที่จะศึกษาวิจัย ทำการทดลองเพื่อพิสูจน์สมมติฐาน ก็จะนำมาซึ่งสิ่งที่ไม่เคยมีใครคาดคิดได้ อย่างเช่นการค้นพบ ไกลโคอาร์เอ็นเอ (glycoRNAs) นี้เอง แต่นี่ก็เป็นเพียงแค่ก้าวแรกที่สำคัญที่จะนำไปสู่คำถามทางวิทยาศาสตร์ใหม่ ๆ อีกมากมาย และการไขปริศนาอื่น ๆ ต่อไป หรืออาจจะมีการค้นพบองค์ความรู้ใหม่ ๆ เข้ามาลบล้างความรู้นี้ในอีก 10 ปีข้างหน้าก็เป็นได้

อ้างอิง

R. Flynn et al., “Small RNAs are modified with N-glycans and displayed on the surface of living cells,” Cell, doi:10.1016/j.cell.2021.04.023, 2021. 

https://news.stanford.edu/2021/05/17/stanford-study-reveals-new-biomolecule/

https://www.the-scientist.com/news-opinion/newly-discovered-glycosylated-rna-is-all-over-cells-study-68773

https://www.hhmi.org/news/some-rna-molecules-have-unexpected-sugar-coating


Author

ดร.ชณัท อ้นบางเขน
อดีตนักเรียนทุนรัฐบาลไทย (พสวท.) สนใจด้านวิทยาศาสตร์สุขภาพ จบการศึกษาด้านเคมีชีวภาพจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลเวเนีย (University of Pennsylvania) เคยทำงานเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอก ณ มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) สหรัฐอเมริกา ศึกษากลไกการทำงานของเซลล์มนุษย์ในระดับโมเลกุลและโปรตีโอมิกส์ (chemical and molecular cell biologyand proteomics) ที่เกี่ยวกับความผิดปกติในโรคต่าง ๆ ปัจจุบันเป็นอาจารย์ประจำภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย