3 นักวิทยาศาสตร์ผู้บุกเบิก Optogenetics

คณะกรรมการโนเบลแห่งสถาบันคาโรลินสกา (The Nobel Assembly at Karolinska Institutet) ได้ประกาศผลรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ ประจำปี 2026 ให้แก่ คาร์ล เดสเซอรอท (KARL DEISSEROTH) สถาบันการแพทย์ฮาวเวิร์ด ฮิวจ์ส และ มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด สหรัฐอเมริกา, ปีเตอร์ เฮเกอมันน์ (PETER HEGEMANN) มหาวิทยาลัยฮุมโบลท์แห่งเบอร์ลิน เยอรมนี และ เกออร์ก นาเกิล (GEORG NAGEL) มหาวิทยาลัยเวือร์ซบวร์ค เยอรมนี "สำหรับผลงานการค้นพบเกี่ยวกับช่องผ่านไอออนที่ควบคุมด้วยแสงและเทคโนโลยีออปโตเจนีติกส์ (optogenetics)" ซึ่งผู้ได้รับรางวัลทั้งสามท่านได้วางรากฐานยุคใหม่แห่งประสาทวิทยาศาสตร์

จากสาหร่ายสู่ “สวิตช์แสงควบคุมสมอง”

          เทคโนโลยีออปโตเจนีติกส์ (optogenetics) เป็นวิธีการที่แสดงให้เห็นว่า เซลล์ประสาทกำหนดความทรงจำ อารมณ์ความรู้สึก และพฤติกรรมในสมองที่มีชีวิตได้อย่างไร โดยเริ่มต้นจากความอยากรู้อยากเห็นของปีเตอร์ เฮเกอมันน์ ที่ตั้งข้อสงสัยว่าสาหร่ายเซลล์เดียว Chlamydomonas สามารถว่ายน้ำเข้าหาแหล่งกำเนิดแสงได้อย่างไร จากนั้นในช่วงต้นทศวรรษ 2000 ปีเตอร์ เฮเกอมันน์ และเกออร์ก นาเกิล ได้ค้นพบโปรตีนแชนเนลโรดอปซิน (Channelrhodopsin-1, ChR1) ซึ่งเป็นโปรตีนของสาหร่ายที่มีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะตัวบนพื้นผิวเซลล์ และเมื่อถูกส่องด้วยแสงสีฟ้าช่องผ่านไอออนของโปรตีนจะเปิดออกให้โปรตอนที่เป็นประจุบวกไหลผ่านเข้าสู่เซลล์ และสร้างกระแสไฟฟ้ากระตุ้นขึ้นมา ทั้งคู่พบว่าไม่ว่าจะนำโปรตีนนี้ไปใส่ในเซลล์ใด เซลล์เหล่านั้นจะไวต่อแสงทันที

          จากนั้น คาร์ล เดสเซอรอท ได้เปลี่ยนโปรตีนชนิดนี้ให้กลายเป็นสวิตช์ควบคุมเซลล์ประสาทด้วยแสง โดยทีมวิจัยได้นำยีนสร้างโปรตีนแชนเนลโรดอปซิน-2 (Channelrhodopsin-2, ChR2) ใส่เข้าไปในเซลล์ประสาทของหนู ทำให้สามารถใช้แสงสีฟ้ากระตุ้นเพื่อเปิดให้ไอออนบวกไหลผ่านเข้าไปในเซลล์และสร้างกระแสไฟฟ้าในเซลล์ประสาทได้อย่างรวดเร็วระดับมิลลิวินาที เขาตีพิมพ์ผลงานการค้นพบนี้ในปี 2005 และอีกสองปีต่อมาเขาประสบความสำเร็จในการกระตุ้นให้หนวดของหนูที่มีชีวิตอยู่ขยับตามการกระตุ้นของแสงที่ฉายโดยตรงไปยังสมองได้ ถือเป็นข้อพิสูจน์ครั้งแรกของโลกที่แสดงว่าแสงสามารถควบคุมพฤติกรรมและการเคลื่อนไหวของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมได้โดยตรง

          การที่สมองกำกับดูแลอารมณ์ พฤติกรรม และการทำงานของร่างกายได้อย่างไรนั้น เป็นปริศนามาอย่างยาวนาน ในช่วงศตวรรษที่ 20 นักวิจัยเริ่มศึกษาวิจัยว่าสมองส่วนใดส่งผลต่อการทำงานส่วนใด แต่วิธีการที่ใช้ในยุคนั้นยังไม่สามารถพิสูจน์หาสาเหตุที่ชัดเจนได้ ภาพของสมองที่สร้างขึ้นในเวลานั้นจึงเปรียบเสมือนแผนที่แบบคร่าวๆ แต่ยังมีคำถามอีกมากเกี่ยวกับการทำงานของสมอง        

          "ออปโตเจนีติกส์เปิดโอกาสให้เราสามารถทำแผนที่สมองในแบบที่เราเคยทำได้เพียงแค่ฝัน" เพอร์ สเวนทิงส์ซอน (Per Svenningsson) ประธานคณะกรรมการโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ กล่าว

จากการศึกษาวงจรสมอง สู่ความหวังด้านการรักษา

          วิธีการควบคุมสัญญาณประสาทด้วยแสงนี้ถูกเรียกว่า ออปโตเจนีติกส์ (optogenetics) ได้ถูกใช้แพร่หลายไปทั่วโลกอย่างรวดเร็ว ช่วยให้นักวิจัยสามารถเผยวงจรประสาทที่ควบคุมความทรงจำ อารมณ์ความรู้สึก และพฤติกรรมเฉพาะเจาะจง แทนที่กระบวนการศึกษาและกระตุ้นสมองด้วยวิธีการเดิม อย่างการใช้ขั้วไฟฟ้าที่กระตุ้นเซลล์ประสาททุกชนิดบริเวณนั้น หรือการใช้ยาและสารเคมีที่ช้าและควบคุมเวลาไม่ได้ ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนากลุ่มโปรตีนรับแสง Opsins อย่างต่อเนื่อง เช่น Halorhodopsin ที่ทำงานด้วยแสงสีเหลืองเพื่อปิดสวิตช์หรือยับยั้งเซลล์ประสาท และปรับปรุงโปรตีน Channelrhodopsin รุ่นใหม่ๆ ให้ตอบสนองต่อแสงสีแดงที่ทะลุทะลวงเนื้อเยื่อสมองได้ลึกขึ้น

          เทคโนโลยีออปโตเจเนติกส์ยังได้เข้ามาปฏิวัติการศึกษาโรคทางสมองที่มีความซับซ้อนหลายชนิด เช่น โรคพาร์กินสัน, โรคลมชัก, อาการปวดเรื้อรัง, โรคซึมเศร้า, การเสพติด และภาวะสมองเสื่อม โดยช่วยระบุตำแหน่งเซลล์ที่เป็นเป้าหมายสำคัญในการพัฒนายาและการกระตุ้นไฟฟ้า ส่วนการนำมาใช้รักษาโรคในมนุษย์นั้นปัจจุบันยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น ปัจจุบันเริ่มทดสอบการวิจัยทางคลินิกในคนตาบอดจากโรคจอประสาทตาที่เกิดจากสารพันธุกรรม (retinitis pigmentosa) โดยใช้แว่นตาพิเศษที่มีการกระตุ้นด้วยแสง ทำให้เริ่มกลับมามองเห็นได้บางส่วน

ซินโครตรอนไขกลไก “สวิตช์แสง” ในระดับอะตอม

          แม้จะเริ่มนำเทคโนโลยีออปโทเจเนติกส์มาใช้งานจริงตั้งแต่ปี 2005 แต่ยังมีข้อจำกัดในการทำความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการทำงานในระดับโมเลกุล จนกระทั่งในปี 2012 คณะวิจัยซึ่งนำโดย ฮิเดอากิ อี. คาโตะ (Hideaki E. Kato) ร่วมกับ ปีเตอร์ เฮเกอมันน์ (Peter Hegemann) และ คาร์ล เดสเซอรอท (Karl Deisseroth) ได้ใช้ลำแสงรังสีเอกซ์พลังงานสูงจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ณ Swiss Light Source (SLS) ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ และ SPring-8 ประเทศญี่ปุ่น ถอดรหัสโครงสร้างผลึกสามมิติของโปรตีนลูกผสมระหว่าง ChR1 และ ChR2 ที่ชื่อว่า C1C2 Chimera ได้สำเร็จที่ความละเอียดสูงระดับอังสตรอม

โครงสร้างระดับอะตอมของโปรตีน C1C2 ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก ได้แก่ 1. กระเป๋าจับเรตินอล (Retinal-binding pocket) ที่ใช้อนุพันธ์ของวิตามินเอทำหน้าที่รับแสง (Photoreceptor) 2. ช่องผ่านไอออน (Ion pathway) มีการเรียงตัวของกรดอะมิโนประจุลบเพื่อดึงดูดให้เฉพาะไอออนบวกเข้าสู่เซลล์ 3. ประตูปิดกั้น (Closed-State Gates) มีลักษณะโครงสร้างเป็นคอคอดที่ควบคุมการเปิด-ปิดด้วยพันธะไฮโดรเจน ข้อมูลความละเอียดสูงจากแสงซินโครตรอนยังช่วยระบุตำแหน่งพันธะของคู่กรดอะมิโนสำคัญได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการตัดต่อพันธุกรรมเพื่อควบคุมการเปิดปิดของช่องผ่านไอออน

 

        

                                                     กระเป๋าจับเรตินอล                                                           ช่องผ่านไอออน

 

 

ประตูปิดกั้น

การทดลองด้วยแสงซินโครตรอนจึงเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญที่ยกระดับเครื่องมือทางชีววิทยาจากการใช้งานตามธรรมชาติ ไปสู่ความเข้าใจกลไกการทำงานในระดับอะตอมอย่างถ่องแท้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถนำโครงสร้างที่มองเห็นมาต่อยอด ออกแบบ และดัดแปลงโปรตีนได้อย่างแม่นยำในเวลาต่อมา สะท้อนให้เห็นว่าเทคโนโลยีแสงซินโครตรอนคือโครงสร้างพื้นฐานทางฟิสิกส์ชั้นสูงที่อยู่เบื้องหลังความสำเร็จของการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ในวงการแพทย์และการศึกษาสมองยุคใหม่อย่างแท้จริง

 

 

SPS-II โอกาสใหม่ของนักวิจัยไทยสู่เวทีโลก

สำหรับประเทศไทยกำลังก้าวสู่โอกาสสำคัญในการสร้างผลงานวิจัยและนวัตกรรมที่ได้รับการยอมรับในระดับโลก เนื่องจากกำลังเตรียมก่อสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนพลังงาน 3 GeV (SPS-II) ณ วังจันทร์วัลเลย์ จังหวัดระยอง ซึ่งจะเป็นโครงสร้างพื้นฐานวิทยาศาสตร์ขั้นสูงที่ช่วยให้นักวิจัยไทยสามารถศึกษาวัสดุ โมเลกุล โปรตีน และกระบวนการทางชีวภาพได้อย่างละเอียดลึกซึ้งยิ่งขึ้น

เมื่อโครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์นี้พร้อมใช้งานนักวิจัยไทยจะมีศักยภาพในการสร้างองค์ความรู้และนวัตกรรมตั้งแต่ยาและวัคซีน วัสดุการแพทย์ อาหาร เกษตร พลังงานสะอาด แบตเตอรี่ ไปจนถึงเซมิคอนดักเตอร์ ไม่เพียงเป็นผู้ใช้เทคโนโลยีจากต่างประเทศ แต่สามารถร่วมสร้างคำตอบใหม่และแข่งขันบนเวทีวิทยาศาสตร์ระดับโลกได้อย่างแท้จริง

 

 

บทความโดย ดร.ชาตรี ไสยสมบัติ ดร.ชมภูนุช ส่งสิริฤทธิกุล

เรียบเรียงโดย ส่วนสื่อสารองค์กร

อ้างอิง
- https://www.nobelprize.org/
- H. E. Kato et al., "Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel," Nature, vol. 482, no. 7385, pp. 369–374, Feb. 2012.