วัคซีนโควิด-19 ส่วนหนึ่งถูกผลิตด้วยเทคโนโลยีใหม่ที่อาศัยความรู้ด้านชีวโมเลกุลที่สะสมมามากกว่าครึ่งศตวรรษ เริ่มต้นจากการค้นพบโมเลกุลที่บรรจุรหัสพันธุกรรม จากนั้นจึงมีการศึกษากลไกการทำงานของรหัสพันธุกรรม และโครงสร้างของโปรตีนชนิดต่างๆ ที่ควบคุมการทำงานเกือบทั้งหมดของร่างกาย ซึ่งเทคนิคโปรตีนคริสตัลโลกราฟฟีเป็นหนึ่งในเครื่องมือสำคัญ วันนี้เราจะเล่าเรื่องราวของการค้นพบอันนำไปสู่เทคโนโลยีใหม่ที่อาจเป็นความหวังของมนุษยชาติในการคิดค้นวิธีการรักษาโรคร้ายแรง รวมถึงวัคซีนสำหรับโควิด-19

วันที่ “ความลับของชีวิต” ถูกค้นพบ

วันที่ 28 กุมภาพันธ์ พ.ศ.2496 ระหว่างเวลาอาหารเที่ยงในผับชื่อเดอะอีเกิ้ล ซึ่งตั้งอยู่ใกล้ห้องปฏิบัติการคาเวนดิชของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ มีชายหนุ่มสองคนผลักประตูวิ่งเข้าไปส่งเสียงตะโกน “เราค้นพบความลับของชีวิต” ผู้คนในผับเงยหน้าขึ้นมองชั่วขณะ ก่อนก้มลงทานอาหารเที่ยง จิบเบียร์พูดคุยกันต่อเหมือนไม่มีอะไรเกิดขึ้น ชายหนุ่มสองคนนั้น คนหนึ่งเป็นนักแบคทีเรียวิทยาชื่อเจมส์ วัตสัน อีกคนเป็นนักฟิสิกส์ชื่อฟรานซิส คลิก และ “ความลับของชีวิต” ที่เขาค้นพบในวันนั้นคือโครงสร้างเกลียวคู่ของกรดดีออกซีไรโบนิวคลิอิก หรือที่เราเรียกกันว่า ดีเอ็นเอ (DNA) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่บรรจุรหัสพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกนี้

โครงสร้างโมเลกุลของสไปค์โปรตีนของไวรัสโควิด-19 [Wrapp, D., Wang, N., Corbett, K.S., Goldsmith, J.A., Hsieh, C., Abiona, O., Graham, B.S., McLellan, J.S., Protein Data Bank , Deposition 2020-02-10, DOI:10.2210/pdb6VSB/pdb]

 

การค้นพบโครงสร้างของดีเอ็นเอ มีพื้นฐานมาจากข้อมูลการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ผ่านผลึกของดีเอ็นเอ หรือเรียกว่าเทคนิคโปรตีนคริสตัลโลกราฟฟี และการค้นพบ “ความลับของชีวิต” หรือโครงสร้างของดีเอ็นเอนั้นเป็นจุดเริ่มต้นสำคัญของการศึกษา “กลไกแห่งชีวิต” คือกระบวนการสร้างโปรตีนต่างๆ ซึ่งเป็นตัวควบคุมกระบวนการเกือบทั้งหมดในร่างกาย

 

อาร์เอ็นเอ - โมเลกุลผู้เป็นกลไกแห่งชีวิต

ดีเอ็นเอ นั้นเป็นพิมพ์เขียวของโปรตีนในร่างกาย แต่กระบวนการอ่านพิมพ์เขียว ถอดรหัส และนำส่งรหัสไปสู่ระบบการผลิตโปรตีนที่ถูกต้องนั้น ถูกดำเนินการโดยโมเลกุลอีกกลุ่มหนึ่ง ที่มีโครงสร้างคล้ายดีเอ็นเอ แต่เป็นโมเลกุลสายเดี่ยว และสั้นกว่า เรียกว่า กรดไรโบนิวคลิอิก หรือ อาร์เอ็นเอ (RNA) ดังนั้น อาร์เอ็นเอ จึงเป็นหัวใจของ “กลไกแห่งชีวิต” และความสำคัญของอาร์เอ็นเอนั้น ยืนยันได้ด้วยจำนวนรางวัลโนเบลมากกว่า 30 ครั้ง ที่มอบให้นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานวิจัยเกี่ยวข้องกับอาร์เอ็นเอ

 

เทคนิคโปรตีนคลิสตัลโลกราฟฟีเป็นเครื่องมือสำคัญในการศึกษาโครงสร้างอาร์เอ็นเอ และโปรตีนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับ “กลไกแห่งชีวิต” ล่าสุด หนึ่งในรางวัลโนเบลสาขาเคมี พ.ศ.2563 ก็มอบให้แก่ผลงานเทคนิคการตัดต่อยีนส์ คือ โปรเฟสเซอร์ เจนนิเฟอร์ ดูด์นา ของมหาวิทยาลัยแคลิฟอเนียร์ เบิร์กเลย์ ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้เชี่ยวชาญเรื่องอาร์เอ็นเอระดับแถวหน้าของโลก และเป็นผู้ใช้เทคนิคโปรตีนคลิสตัลโลกราฟฟีขาประจำของห้องปฏิบัติการแสงซินโครตรอนที่เบิร์คเลย์ (ALS) ก่อนหน้านั้นในปี พ.ศ.2552 โปรเฟสเซอร์อะดา โยนาธ ของสถาบันวีซแมน ประเทศอิสราเอล ก็เป็นหนึ่งในผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี จากผลงานการศึกษาโครงสร้างไรโบโซม ซึ่งเป็นเหมือนโรงงานผลิตโปรตีนภายในเซล โดยโปรเฟสเซอร์โยนาธ เป็นผู้ใช้เทคนิคโปรตีนคริสตัลโลกราฟฟีขาประจำของห้องปฏิบัติการแสงซินโครตรอนแห่งยุโรป (ESRF) และห้องปฏิบัติการแสงซินโครตรอนแห่งมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ (CHESS) และในปี พ.ศ.2549 รางวัลโนเบลสาขาเคมีก็ถูกมอบให้แก่โปรเฟสเซอร์ โรเจอร์ คอร์นเบิร์ก ของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด สำหรับการค้นพบกระบวนการการถ่ายทอดรหัสการผลิตโปรตีนโดยอาร์เอ็นเอ และแน่นอนว่าโปรเฟสเซอร์คอร์นเบิร์กเป็นผู้ใช้เทคนิคโปรตีนคริสตัลโลกราฟฟีคนสำคัญห้องปฏิบัติการแสงซินโครตรอนแห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (SSRL)

 

หนึ่งในอาร์เอ็นเอที่สำคัญมีชื่อว่าเมจเซนเจอร์อาร์เอ็นเอ หรือ เอ็ม-อาร์เอ็นเอ (m-RNA) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ทำหน้าที่รับรหัสจากดีเอ็นเอ และนำส่งรหัสดังกล่าวไปยังโรงงานผลิตโปรตีน คือไรโบโซม เพื่อผลิตโปรตีนที่ถูกต้องออกมา และเมื่อโลกต้องเผชิญกับการระบาดของเชื้อโควิด-19 ความรู้เกี่ยวกับเอ็ม-อาร์เอ็นเอ ก็ถูกนำมาใช้ในเทคโนโลยีการผลิตวัคซีนแบบใหม่

 

จากกลไกแห่งชีวิต สู่วัคซีนโควิด

ไวรัสโคโรนานั้นเป็นไวรัสชนิดที่ไม่มีดีเอ็นเอ แต่พวกมันเก็บรหัสพันธุกรรมไว้ในอาร์เอ็นเอ เชื้อไวรัสโควิด-19 หรือชื่อเป็นทางการว่า SARS-Cov-2 มีอาร์เอ็นเอที่เก็บรหัสพันธุกรรมสำหรับการสร้างโปรตีน 29 ชนิด ที่ประกอบกันเป็นตัวไวรัส ในช่วงการระบาดของโควิค-19 นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกได้ร่วมมือกันศึกษาโครงสร้างโปรตีนของเชื้อไวรัสตัวนี้ด้วยเครื่องมือต่างๆ โดยมีสองเครื่องมือสำคัญคือเทคนิคโปรตีนคริสตัลโลกราฟฟีและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเยือกแข็ง (Cryo-EM) จนเกิดสถิติโลกใหม่เมื่อนักวิทยาศาสตร์จากประเทศจีนใช้เทคนิคโปรตีนคริสตัลโลกราฟฟีที่ห้องปฏิบัติการซินโครตรอนของเซี่ยงไฮ้ถอดโครงสร้างโมเลกุลของหนึ่งในโปรตีนของเชื้อไวรัสโควิด-19 และรายงานเข้าสู่ธนาคารข้อมูลโปรตีน (Protein Data Bank) ของโลกภายในเวลาเพียง 5 สัปดาห์ หลังการรายงานการติดเชื้อโควิด-19 ครั้งแรกในเดือนธันวาคม 2562

 

หลังจากนั้นในเดือนกุมภาพันธ์ 2563 ก็มีการรายงานโครงสร้างของโปรตีนตัวสำคัญของเชื้อไวรัสโควิด-19 เป็นโปรตีนที่มีลักษณะเป็นปุ่มหนามอยู่ผิวนอกของไวรัส เรียกว่าสไปค์โปรตีน ซึ่งเป็นตัวที่ช่วยให้ไวรัสเกาะและทะลุผ่านผนังเซลล์ของมนุษย์ เมื่อรู้โครงสร้างสไปค์โปรตีนของไวรัส นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถนำความรู้เกี่ยวกับอาร์เอ็นเอที่สะสมมา ออกแบบวัคซีนที่ทำให้เกิดการกระตุ้นภูมิคุ้มกันของร่างกาย

 

กลไกการกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายโดยวัคซีนแบบ เอ็ม-อาร์เอ็นเอ

 

วัคซีนชนิดเอ็ม-อาร์เอ็นเอ

จากโครงสร้างของสไปค์โปรตีน นักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบเอ็ม-อาร์เอ็นเอ ที่มีข้อมูลรหัสสำหรับการสร้างสไปค์โปรตีนที่เหมือนของเชื้อไวรัส จากนั้นนำ เอ็ม-อาร์เอ็นเอที่สังเคราะห์ขึ้นใส่ในภาชนะระดับนาโนที่สร้างขึ้นจากอนุภาคนาโนของไขมัน (Lipid nano particle vessel) ซึ่งเมื่อฉีดเข้าไปในร่างกายมนุษย์ ภาชนะนาโนนี้จะนำเอ็ม-อาร์เอ็นเอเข้าสู่เซลล์โดยไม่ถูกทำลายซะก่อน จากนั้นไรโบโซมภายในเซลล์จะสร้างสไปค์โปรตีนขึ้นตามรหัสของเอ็ม-อาร์เอ็นเอ และสไปค์โปรตีนซึ่งเป็นสิ่งแปลกปลอมนี้ก็จะทำให้เกิดการกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันในร่างกายมนุษย์ เพื่อเตรียมไว้สำหรับต่อต้านเชื้อไวรัสโควิด-19 ตัวจริง ปัจจุบัน เทคนิคการผลิตวัคซีนแบบเอ็ม-อาร์เอ็นเอนี้ถูกใช้โดยบริษัทโมเดิร์นนา และ ไฟเซอร์ไบโอเอ็นเทค

 

วัคซีนชนิดไวรัลเวคเตอร์

วัคซีนแบบเอ็ม-อาร์เอ็นเอ เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ไม่เคยถูกใช้มาก่อน แต่มีวัคซีนอีกประเภทที่ใช้ความรู้เกี่ยวกับอาร์เอ็นเอเช่นกัน และถูกพัฒนาใช้กับโรคอื่นๆ ก่อนหน้ามาแล้ว คือวัคซีนประเภทที่เรียกว่าไวรัลเวคเตอร์วัคซีน ซึ่งใช้ไวรัสชนิดอื่นที่ถูกดัดแปลงพันธุกรรมไม่ให้สามารถแบ่งตัวได้ เช่นในกรณีของแอสตร้าเซเนกาและจอห์นสันแอนด์จอห์นสัน ใช้ไวรัสที่ทำให้เกิดหวัดในลิงชิมแปนซี เป็นตัวนำรหัสของสไปค์โปรตีนของเชื้อโควิด-19 เข้าไปในเซลล์ของมนุษย์ และส่งรหัสดังกล่าวเข้าไปในนิวเคลียสของเซลล์เพื่อให้มีการผลิตเอ็ม-อาร์เอ็นเอ จากนั้นเอ็ม-อาร์เอ็นเอที่ถูกสร้างขึ้นจะเคลื่อนที่ออกจากนิวเคลียสของเซลล์ไปยังไรโบโซมเพื่อให้เกิดการผลิตสไปค์โปรตีน ทำให้เกิดการกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันของร่างกาย

 

 

บทความโดย

ดร.ศุภกร รักใหม่ ผู้ช่วยผู้อำนวยการฝ่ายวิชาการ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน

และ ดร.รัตนา เจริญวัฒนาเสถียร นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสง