โปรตีนเรืองแสงจากแมงกะพรุน

Posted: สิงหาคม 22, 2012 in ชีววิทยาม.5, บทที่17

โปรตีนเรืองแสงจากแมงกะพรุน
ใครเลยจะคิดว่าโปรตีนเรืองแสงจากแมงกะพรุนจะกลายเป็นเครื่องมือที่น่าอัศจรรย์ในการศึกษาวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ราวกับเป็นกุญแจสำคัญที่ไขเข้าไปในเซลล์เล็กๆ ของสิ่งมีชีวิตและเปิดโลกวิทยาการให้ก้าวไกล ทั้งชีววิทยา ชีวเคมี พันธุศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการแพทย์

โอซามุ ชิโมมุระ (Osamu Shimomura) มาร์ติน ชาลฟี (Martin Chalfie) และ โรเจอร์ เฉียน (Roger Y. Tsien) เป็นนักวิทยาศาสตร์ ๓ คนที่ได้รับรางวัลโนเบล สาขาเคมี ปี ๒๕๕๑ ร่วมกัน จากผลงานการค้นพบโปรตีนเรืองแสงสีเขียวในแมงกระพรุนและมีการนำไปพัฒนาต่อจนเรืองแสงได้หลากสี จนสามารถนำไปใช้เป็นกุญแจไขความลับในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

ในปี ๒๔๙๘ ชิโมมุระทำงานเป็นผู้ช่วยของศาสตราจารย์ยาชิมาสะ ฮิราตะ (Yashimasa Hirata) ที่มหาวิทยาลัยนาโกยา (Nagoya University)โดยได้รับมอบหมายให้ค้นหาสิ่งที่ทำให้ตัวอย่างของเนื้อเยื่อพวกหมึกที่บดละเอียดแล้วยังสามารถเรืองแสงได้เมื่อเปียกน้ำ ซึ่งทีมวิจัยชั้นนำของสหรัฐฯ ได้พยายามศึกษาและค้นหามาเป็นเวลานานแล้ว จนในปี ๒๔๙๙ ชิโมมุระก็ค้นพบโปรตีนที่เรืองแสงสว่างกว่าตัวอย่างหมึกบดถึง ๓๗,๐๐๐ เท่า และศาสตราจารย์ฮิราตะได้มอบปริญญาเอกให้แก่ชิโมมุระ  หลังจากตีพิมพ์ผลงานการค้นพบ แฟรงก์ จอห์สัน (Frank Johnson) นักวิจัยของมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน สหรัฐฯ ก็รับชิโมมุระเข้าทำงานทันที ซึ่งชิโมมุระได้มุ่งศึกษาวัตถุธรรมชาติที่เรืองแสงได้ รวมทั้งแมงกะพรุน เอควาเรีย วิคตอเรีย (Aequorea Victoria) ที่จะเรืองแสงสีเขียวบริเวณขอบนอกเมื่อถูกสิ่งเร้า  ในปี ๒๕๐๔ ชิโมมุระและจอห์นสันช่วยกันเก็บตัวอย่างแมงกะพรุนบริเวณชายฝั่งอ่าวฟรายเดย์ (Friday Harbor) ทางตะวันตกของอเมริกาเหนือ และตัดเอาเพียงส่วนขอบของแมงกะพรุนมาสกัดเอาน้ำคั้น (squeezate) ขณะที่ชิโมมุระ
กำลังเทน้ำคั้นจากแมงกะพรุนบางส่วนทิ้งลงในอ่าง ปรากฏว่าเกิดการเรืองแสงขึ้นมา แต่ในเวลานั้นเขาเข้าใจว่าคงเป็นเพราะปฏิกิริยาเคมีของประจุแคลเซียม (calcium ion) จากน้ำทะเลที่ปะปนมา แสงที่เกิดขึ้นนั้นเป็นสีฟ้า ไม่ใช่สีเขียวเหมือนแสงที่เรืองออกมาจากแมงกะพรุน  ชิโมมุระและจอห์นสันยังคงช่วยกันทำงานวิจัยและออกไปเก็บตัวอย่างน้ำคั้นจากแมงกะพรุนด้วยกันอย่างต่อเนื่อง เมื่อได้น้ำคั้นจากแมงกะพรุน ๑๐,๐๐๐ ตัว ก็นำมาสกัดจนได้สารบริสุทธิ์เพียงไม่กี่มิลลิกรัมที่เรืองแสงสีฟ้าได้ ซึ่งก็คือโปรตีน เอควาริน (aequorin)

ทั้งสองคนได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยในปีถัดมา คือปี ๒๕๐๕  โปรตีนที่แยกได้นี้มีสีแกมเขียวเล็กน้อยเมื่อถูกแสงแดด มีสีออกเหลืองๆเมื่อถูกแสงจากหลอดไฟ และเรืองแสงสีเขียวเมื่อได้รับแสงยูวี ซึ่งชิโมมุระและจอห์นสันเรียกโปรตีนนี้ว่า “โปรตีนเขียว” (green protein) และนับเป็นครั้งแรกที่มีการค้นพบและอธิบายคุณลักษณะของโปรตีนชนิดนี้ ที่ต่อมาภายหลังเรียกกันใหม่ว่า โปรตีนเรืองแสงสีเขียว หรือจีเอฟพี (green fluorescent
protein, GFP)   อีกหลายปีต่อมา ในช่วงทศวรรษที่ ๗๐ ชิโมมุระ ก็ได้ค้นพบว่าแท้จริงแล้วในโปรตีนจีเอฟพีนั้นมีส่วนประกอบของสารที่ทำให้เกิดสีหรือโครโมฟอร์ (chromophore) ชนิดพิเศษ คือสามารถดูดกลืนแสงสีอื่นๆ เอาไว้และเปล่งแสงที่อยู่ในช่วงความยาวคลื่นแสงสีเขียวได้เมื่อได้รับแสงยูวี จึงเห็นว่าโปรตีนนี้เรืองแสงสีเขียวออกมา

ในปี ๒๕๓๑ มาร์ติน ชาลฟี ได้ยินเรื่องเกี่ยวกับโปรตีนจีเอฟพีเป็นครั้งแรกในงานสัมมนาเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตที่เรืองแสงได้ของมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย (University Columbia) มลรัฐนิวยอร์ก ที่เขาทำงานอยู่ เขาจึงเกิดความคิดว่าโปรตีนเรืองแสงสีเขียวนี้น่าจะเป็นเครื่องมือที่จะทำให้เขาสร้างแผนที่ในหนอนตัวกลม (Caenorhabditis elegans) ที่เขากำลังศึกษาอยู่ขณะนั้นได้ ซึ่งจะเป็นเครื่องหมายให้เขาติดตามสังเกตกิจกรรมต่างๆ ในเซลล์ของหนอนตัวกลมได้ง่ายขึ้น  หนอนตัวกลมเป็นตัวอย่างสิ่งมีชีวิตที่นักวิจัยนำมาศึกษากันค่อนข้างมาก และ ๑ ใน ๓ ของยีนในหนอนตัวกลมนั้นเกี่ยวโยงกับยีนของ
ร่างกายมนุษย์ แนวคิดของชาลฟี คือนำเอายีนที่เป็นรหัสของโปรตีนจีเอฟพีมาติดไว้กับยีนต่างๆ ภายในเซลล์ เพื่อติดตามดูว่ายีนเหล่านั้นถอดรหัสเป็นโปรตีนใด ที่เซลล์ไหนบ้าง โดยมีโปรตีนจีเอฟพีเป็นเครื่องส่งสัญญาณ ชาลฟีได้ค้นหายีนของแมงกะพรุนที่ควบคุมการแสดงออกของโปรตีนจีเอฟพี ซึ่งพบว่าดักลาส พราเชอร์ (Douglas Prasher) จากสถาบันสมุทรศาสตร์ วูดส์ โฮล์ (Woods Hole Oceanographic Institution) มลรัฐแมสซาชูเซตต์ส ได้เริ่มค้นหายีนจีเอฟพีมาก่อนแล้ว จึงขอให้พราเชอร์ติดต่อกลับมาหากพบยีนที่ว่านั้น   ๒ ปีต่อมา พราเชอร์ก็ส่งตัวอย่างยีนจีเอฟพีที่เขาแยกได้ให้ชาลฟี ซึ่งได้ทดลองนำยีนนี้ไปใส่ในแบคทีเรีย อี โคไล (E-coli) และพบว่าแบคทีเรียสามารถเรืองแสงสีเขียวได้เมื่อได้รับการฉายแสงยูวี การทดลองนี้ถือได้ว่าเป็นรากฐานของการใช้ประโยชน์จากโปรตีนเรืองแสงในปัจจุบัน  ยิ่งไปกว่านั้นการทดลองของชาลฟีครั้งนี้ยังหักล้างความเชื่อเดิมของนักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นที่เข้าใจว่ากลไกการสร้างสารจำพวกโมเลกุลเรืองแสงและสารที่ทำให้เกิดสีในพืชและสัตว์นั้นต้องผ่านหลายขั้นตอน และถูกควบคุมด้วยโปรตีนหลายชนิด รวมทั้งสารเรืองแสงในจีเอฟพีก็ต้องมีโปรตีนอื่นๆควบคุมด้วยเหมือนกัน แต่ชาลฟีแสดงให้เห็นว่าไม่จำเป็นต้องมีโปรตีนอื่นๆ เพียงแค่จีเอฟพีก็สามารถเรืองแสงได้  จากนั้นชาลฟีก็ทดลองนำยีนของจีเอฟพีไปติดไว้กับตัวเปิดการทำงานของยีน (promoter) ที่ควบคุมการสร้างโปรตีนรีเซพเตอร์ (receptor) ของเซลล์ประสาทในหนอนตัวกลมจนสำเร็จ ซึ่งผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์และขึ้นหน้าปกวารสารไซน์ (Science) ฉบับเดือนกุมภาพันธ์ ๒๕๓๗

ต่อมาโปรตีนจีเอฟพีได้รับการพัฒนาให้มีสีสันการเรืองแสงได้หลายสีให้เลือกใช้มากขึ้น โดยโรเจอร์ เฉียน ได้สร้างแผนที่ลำดับกรดอะมิโน ๒๓๘ ตัว ของโปรตีนจีเอฟพี เพื่อดูว่าโครโมฟอร์ในโปรตีนจีเอฟพีมีหน้าตาอย่างไร ก่อนหน้านั้นมีการวิจัยพบว่ากรดอะมิโน ๓ ตัว ที่ตำแหน่ง ๖๕-๖๗ ทำปฏิกิริยาต่อกันจนเกิดเป็นโครโมฟอร์ เฉียนได้ให้ข้อมูลเพิ่มเติมว่าต้องมีออกซิเจนเข้าไปเกี่ยวข้อง และยังอธิบายด้วยว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นโดยไม่ต้องอาศัยการควบคุมจากโปรตีนชนิดอื่นได้อย่างไร เขาทดลองเปลี่ยนชนิดของกรดอะมิโนที่ตำแหน่งต่างๆ และพบว่าทำให้จีเอฟพีสามารถดูดกลืนและปล่อยพลังงานแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆ ได้  เขาจึงสามารถสร้างโปรตีนจีเอฟพีให้เรืองแสงได้หลากหลายสีและสว่างมากขึ้น ส่งผลให้ขอบเขตงานวิจัยขยายวงกว้างยิ่งขึ้น นักวิจัยสามารถติดฉลากโปรตีนต่างชนิดกันด้วยสีที่แตกต่างกัน และสังเกตปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์สิ่งมีชีวิตได้ง่ายยิ่งขึ้น  อย่างไรก็ตาม เฉียนยังไม่สามารถทำให้จีเอฟพีเรืองแสงสีแดงได้ จนกระทั่ง นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ๒ คนนำไปวิจัยต่อยอดจนสำเร็จ จากการวิจัยโปรตีนเรืองแสงที่พบในปะการัง

ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์รู้ถึงหน้าที่และกลไกการทำงานของยีนต่างๆ  พัฒนาการของเซลล์ประสาท  การสร้างฮอร์โมนอินซูลิน การแพร่กระจายของเซลล์มะเร็ง และอื่นๆ อีกมากมายที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็น  รวมทั้งสามารถสร้างสารพัดสัตว์ที่เรืองแสงได้ ซึ่งนับเป็นความก้าวหน้าทางวิทยาการที่นำไปสู่การค้นคว้าสิ่งใหม่ๆหรือไขปริศนาสิ่งต่างๆ อีกนับไม่ถ้วน

ที่มา   http://www.cet-media.com/talk_detail.php?id=20

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s