ดร. ป๋วย อุ่นใจ ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
ทางเข้าธนาคารเมล็ดSci Inno – ปรับแต่งจีโนม แก้วิกฤติอาหารโลกนธุ์พืชสวาลบาร์ด ภาพ : Bjoertvedt (ภาพ : Wikipedia)
“ในปี ค.ศ. ๒๐๓๐ ผลผลิตข้าวโพดจะลดลงร้อยละ ๓๐ ในขณะที่ประชากรเพิ่มสูงขึ้นเป็นเท่าทวี นั่นคือวิกฤติอาหาร ซึ่งจะระบาดไปทั่วโลก ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้านี้ เราอาจจะต้องทนเห็นเด็กน้อยอดอาหารตายในโทรทัศน์”
คำทำนายของศาสตราจารย์ ดร. แครี ฟาวเลอร์ (Cary Fowler) อดีตศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์ชีวภาพนอร์เวเจียน (Norwegian University of Life Science) ผู้ก่อตั้งธนาคารเมล็ดพันธุ์สวาลบาร์ด (Svalbard Global Seed Vaught) ระหว่างการบรรยาย TED เมื่อปี ค.ศ. ๒๐๐๙ ยังคงดังก้องอยู่ในเครือข่ายใยพิภพ
“วิกฤติอาหารขาดแคลน” อาจเกิดขึ้นเร็วกว่าที่คิด
องค์การสหประชาชาติคาดว่าในปี ค.ศ. ๒๐๖๐ จำนวนประชากรโลกจะเพิ่มขึ้นจนถึงหมื่นล้านคน ขณะที่ผลผลิตการเกษตรกำลังได้รับผลกระทบอย่างรุนแรงจากสภาพภูมิอากาศที่ผันแปรอันเนื่องมาจากภาวะโลกร้อน พืชบางสายพันธุ์จะค่อยๆ สูญสิ้นไปพร้อมกับคุณลักษณะเด่นของสายพันธุ์ เช่น กลิ่น สี รส ความทนทานดินเค็ม การต่อต้านแมลงศัตรูพืช เป็นต้น น้อยคนนักจะตระหนักว่าความหลากหลายทางชีวภาพที่เรากำลังค่อยๆ สูญเสียไปอย่างเงียบเชียบนี้อาจเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงพันธุ์พืชให้มวลมนุษย์ชาติก้าวข้ามผ่านวิกฤติอาหาร แต่รัฐบาลนอร์เวย์ก็ได้บริจาคภูเขาซึ่งฝังตัวอยู่ใต้หิมะในเขตอาร์กติกอันหนาวเย็นต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของเมืองสวาลบาร์ด (Svalbard) บวกกับทุนสนับสนุนก้อนโตเพื่อสร้างอุโมงค์ใต้ดินเป็นเซฟเฮ้าส์เก็บรักษาเมล็ดพืชสายพันธุ์แท้จากทั่วโลก
ปัจจุบันธนาคารเมล็ดพันธุ์สวาลบาร์ดเก็บรักษาสายพันธุ์พืชหลายแสนชนิดจากธนาคารเมล็ดพันธุ์มากกว่า ๑,๗๕๐ แห่งทั่วโลก นี่คือแหล่งสำรองความหลากหลายทางชีวภาพของโลกขนาดมโหฬาร จนเปรียบได้กับสวนอีเดนสำหรับนักพัฒนาสายพันธุ์พืช เพราะจะมีพ่อพันธุ์แม่พันธุ์สำหรับการคัดเลือกผสมพันธุ์ (selective breeding) ได้อย่างหลากหลายในอนาคต
ทว่าการพัฒนาสายพันธุ์จากการคัดเลือกผสมพันธุ์นั้นเชื่องช้าและควบคุมยาก นักวิจัยจึงพัฒนาเทคนิคทางพันธุวิศวกรรมตัดต่อยีนจนได้เป็น “พืชจีเอ็มโอ” (GMOs) ที่มีคุณลักษณะพิเศษตามต้องการ เช่น ฝ้ายหรือข้าวโพดที่ผลิตโปรตีนฆ่าแมลงทำให้ทนทานต่อโรคแมลงระบาด หรือกล้วยที่ผลิตสารยาหรือวัคซีนในเนื้อช่วยให้คนที่รับประทานกล้วยสร้างภูมิต้านทานต่อโรคร้ายบางชนิด แต่ปัญหาคือการดัดแปลงยีนในพืชนั้นมีหลายขั้นตอน บางขั้นตอนต้องใช้ยีนแปลกปลอมซึ่งมักเป็นยีนต้านยาปฏิชีวนะจากแบคทีเรีย กระบวนการนี้ยุ่งยากซับซ้อนและไม่แม่นยำ ควบคุมผลสัมฤทธิ์ได้ยาก และมักใช้เวลานานหลายปี เรื่องแย่ที่สุดคือได้ต้นพืชจีเอ็มโอซึ่งมียีนจากสิ่งมีชีวิตอื่นเป็น “ดีเอ็นเอแปลกปลอม” (foreign DNA) หลงเหลืออยู่ในสารพันธุกรรมเสมอ เช่น ดีเอ็นเอแปลกปลอมจากยีนต้านยาปฏิชีวนะที่ใช้ในช่วงคัดเลือกต้นพันธุ์กลาย อาจถูกถ่ายทอดไปยังเชื้อจุลินทรีย์ก่อโรคในสิ่งแวดล้อม (horizontal gene transfer) ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศอย่างไม่อาจคาดการณ์ได้
ความยุ่งยากและความเสี่ยงในผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมทำให้จีเอ็มโอถูกควบคุมด้วยกฎหมายอย่างเคร่งครัด จนเอกชน เกษตรกร และนักพัฒนาพันธุ์พืชต่างเข็ดขยาดกับมาตรการจัดการจีเอ็มโอที่รัดกุมของนานาประเทศ
น่าตื่นเต้นว่าในช่วงไม่กี่ปีมานี้ นักวิจัยหลายกลุ่มทั้งจากมหาวิทยาลัยอูเมีย (Umeå University) มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์ (University of California Berkeley) และสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts Institute of Technology) ได้แข่งขันกันพัฒนาเทคนิคทางพันธุวิศวกรรมแบบใหม่ที่เรียกว่า “การปรับแต่งจีโนม” (Genome Editing Technology) ที่สามารถปรับแต่งพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตได้อย่างง่ายดายและแม่นยำ อีกทั้งยังไม่มีดีเอ็นเอแปลกปลอมปะปน ซึ่งช่วยแก้ปัญหาน่าวิตกเกี่ยวกับจีเอ็มโอ
ภาพวาดหน้าตาของเฟจหรือไวรัสรุกรานแบคทีเรีย (ภาพ : wikipedia)
โครงสร้างของเอนไซม์ Cas9 ที่พร้อมทำงาน โดย Nishimasu และคณะ (ภาพ : Wikipedia)
เทคนิคการปรับแต่งจีโนมที่นิยมที่สุดในปัจจุบันพัฒนาขึ้นจากระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรีย เรียกว่า CRISPR/Cas9 ซึ่งแบคทีเรียใช้ปรับแต่งจีโนมของมันเองเพื่อกำจัดไวรัสเฟจ (phage) ที่รุกรานออกไปจากสารพันธุกรรมของมัน
เมื่อค้นพบเฟจ แบคทีเรียจะใช้ชิ้นส่วนจีโนมของเฟจมาสร้างสายอาร์เอ็นเอต้นแบบเรียกว่า CRISPR RNA ต่อมาเอนไซม์ Cas9 จะอ่านลำดับเบสของสายอาร์เอ็นเอต้นแบบแล้วตัดสายดีเอ็นเอที่มีลำดับตรงกับต้นแบบ (เฟจ) ออกไป
การปรับแต่งจีโนมด้วยเทคนิค CRISPR/Cas9 นั้นค่อนข้างง่ายและให้ผลตรงใจ เพราะสามารถกำหนดจุดแก้ไขในจีโนมโดยออกแบบสายอาร์เอ็นเอสังเคราะห์สายสั้นๆ ที่มีลำดับพันธุกรรมพ้องกับลำดับดีเอ็นเอของยีนที่สนใจ แล้วเอนไซม์ Cas9 จะอ่านและเข้าไปตัดอย่างตรงจุด เทคโนโลยีนี้จึงได้รับความสนใจอย่างมากและประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายทั้งในวงการแพทย์ การรักษาด้วยยีน (gene therapy) การสร้างสัตว์ทดลองใหม่ๆ ที่เทคนิคพันธุวิศวกรรมดั้งเดิมทำไม่ได้
แน่นอนที่สุด เมล็ดพันธุ์ในเซฟเฮ้าส์ที่สวาลบาร์ดจึงเปรียบเสมือนขุมสมบัติความหลากหลายทางพันธุกรรม ต้นแบบพันธุ์พืชชั้นดีที่ให้ผลผลิตสูง ทนแล้ง ทนโรค บรรดานักวิทยาศาสตร์ เกษตรกร และนักพัฒนาพันธุ์พืชสามารถเข้าไปเลือกสรรยีนที่ต้องการมาเป็นต้นแบบ ซึ่งคุณลักษณะที่ต่างกันของพืชบางชนิดอาจเกิดจากความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในยีน (เพียงไม่กี่เบสในสายดีเอ็นเอ) และด้วยความแม่นยำของเทคนิค CRISPR/Cas9 นักวิทยาศาสตร์จึงปรับเปลี่ยนเพียงแค่ส่วนเล็กๆ ของยีนให้เป็นไปตามความต้องการ หากมองในมุมนี้ ต้นพันธุ์ที่ได้จาก CRISPR/Cas9 จะไม่แตกต่างจากต้นพันธุ์ที่ได้จากการคัดเลือกผสมพันธุ์ที่ใช้กันแพร่หลายแต่อย่างใด
ศ. ดร. แครี ฟาวเลอร์ บุรุษผู้อยู่เบื้องหลังธนาคารเมล็ดพันธุ์แห่งสวาลบาร์ด (ภาพ : Wikipedia)
ศ. ดร. เอมมานูเอล ชาร์เพนเทียร์ (Emmanuelle Charpentier) จากมหาวิทยาลัยอูเมีย ประเทศสวีเดน หนึ่งในผู้ค้นพบ CRISPR/Cas9
ศ. ดร. เจนนิเฟอร์ ดอดนา (Jennifer Doudna) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์ สหรัฐอเมริกา หนึ่งในผู้บุกเบิกและพัฒนาเทคโนโลยี CRISPR/Cas9 และผู้ร่วมก่อตั้งสตาร์ตอัปคาริบู ไบโอไซแอนซ์
ศ. ดร. โซเฟียน คาโมอัน (Sophien Kamoun) และทีมวิจัยของเขาจากห้องปฏิบัติการเซนส์บูรี (Sainsbury Laboratory) ในเมืองนอร์วิช (Norwich) ประเทศสหราชอาณาจักร ได้พัฒนาสายพันธุ์พืชเศรษฐกิจปรับแต่งจีโนมให้ต่อต้านเชื้อราโรคพืช เช่นมันฝรั่งและมะเขือเทศทนราเป็นผลสำเร็จ
“เชื้อโรคไม่ได้นั่งรอเรา พวกมันเปลี่ยนแปลงและวิวัฒน์อยู่ตลอดเวลา การแก้ไขยีนโดยใช้ CRISPR/Cas9 อาจเป็นตัวช่วยสำคัญที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต่อกรกับจุลินทรีย์ก่อโรคพืชที่วิวัฒน์ตลอดเวลาได้” คาโมอันเชื่อว่าเราต้องเริ่มทำอะไรสักอย่างก่อนวิกฤติอาหารจะมาถึง
ทว่าเทคนิค CRISPR/Cas9 นั้นนอกจากใช้แก้ไขจีโนมแล้วยังสามารถใส่ยีนจากสิ่งมีชีวิตอื่นได้เช่นเดียวกับเทคนิคทางพันธุวิศวกรรมอื่นๆ แต่ตรวจจับไม่ได้ด้วยเทคโนโลยีตรวจจับมาตรฐานที่ใช้กันในปัจจุบัน เพราะไม่มีดีเอ็นเอแปลกปลอมเป็นร่องรอยของการตัดต่อพันธุกรรมให้ตรวจพบ ดังนั้นมาตรการควบคุมจีเอ็มโอที่มีอยู่จึงไม่อาจใช้กับสิ่งมีชีวิตที่ใช้ CRISPR/Cas9
คำถามที่เป็นประเด็นถกเถียงในหลายประเทศ เช่น สหรัฐอเมริกา สหภาพยุโรป หรือแม้แต่ประเทศจีน คือ “แล้วกฎหมายแบบใดกันเล่าจึงเหมาะสมและรัดกุมพอจะนำมาใช้ควบคุมพืชปรับแต่งจีโนม ?”
แน่นอนครับ ในเวลานี้คงบอกยาก ถึงเวลาที่นักวิทยาศาสตร์และนักกฎหมายต้องมานั่งคุยกันอย่างซีเรียสเรื่องการควบคุมเทคโนโลยีเหล่านี้ เพราะเทคโนโลยีที่มีคุณอนันต์ก็อาจมีโทษมหันต์ซ่อนอยู่ และต้องตอบให้เร็ว เพราะขณะนี้ห้องปฏิบัติการหลายแห่งทั่วโลก ทั้งในองค์กรเอกชน บริษัท สตาร์ตอัป สถาบันวิจัย หรือแม้แต่นักผสมพันธุ์พืชทั่วไป เริ่มตื่นตัวและสนใจประยุกต์ใช้ CRISPR/Cas9 แล้ว เช่น ข้าวที่ให้ผลผลิตปริมาณมากจากห้องทดลองในประเทศจีน การสร้างพันธุ์ข้าวบาร์เลย์ปรับแต่งยีนให้งอกง่ายจากห้องปฏิบัติการในสหราชอาณาจักร
และเมื่อปลายปีที่ผ่านมา บริษัทเกษตรยักษ์ใหญ่อย่างดูปองท์ (DuPont) ได้ร่วมมือกับสตาร์ตอัปไฟแรงที่โดดเด่นสุดๆ ทางเทคโนโลยี CRISPR/Cas9 คือ คาริบู ไบโอไซแอนซ์ (Caribou biosciences) เพื่อปรับปรุงพันธุ์พืชเศรษฐกิจอย่างข้าวโพด ข้าว และถั่วเหลือง ให้มีคุณสมบัติโดดเด่นจนอาจแก้ปัญหาวิกฤติอาหารโลกได้ คาดว่าจะเห็นผลไม่เกิน ๕ ปี เมล็ดพันธุ์พืชปรับแต่งจีโนมคงเริ่มทยอยเข้าสู่ท้องตลาดการเกษตรอย่างแน่นอน
และนี่อาจเป็นอีกหนึ่งความหวังที่จะช่วยให้มนุษยชาติพ้นจากโศกนาฏกรรมขาดแคลนอาหารอย่างที่ ศ. ฟาวเลอร์ ทำนายไว้
ใครจะรู้ละครับ ถ้านำมาใช้อย่างถูกต้อง เทคโนโลยีการปรับแต่งจีโนมอาจช่วยสร้างพืชสายพันธุ์ใหม่ๆ ที่อาจปฏิรูปวงการเกษตรของโลก และสามารถผลิตอาหารมากเพียงพอที่จะหลีกพ้นภาวะวิกฤติอาหารขาดแคลนในอนาคต และในตอนนั้นภาพที่เราอาจเห็นทางทีวีคือ “เด็กน้อยอวบอ้วน อิ่มหนำสำราญ” ก็เป็นได้
