เรื่องโดย ผศ. ดร.ป๋วย อุ่นใจ
รอยยิ้มของหญิงสาวดูจริงใจ สีผมที่ดำขลับดูเข้ากันดีกับชุดเดรสสีดำที่เธอสวมอยู่ ดวงตาสีน้ำตาลไหม้ของเธอฉายแววขี้เล่นและเต็มไปด้วยความอยากรู้อยากเห็น
สัตว์เลี้ยงตัวจิ๋วของเธอกำลังหลับไหลอยู่ภายในกล่องขนาดย่อมที่กรุไปด้วยผ้าตาข่ายตาถี่สีขาวเอาไว้อย่างแน่นหนา
ผ้าตาข่ายผืนบางคือปราการเพียงชั้นเดียวที่กีดขวางระหว่างเธอกับสัตว์เลี้ยงสุดพิลึกพิลั่น หญิงสาวสูดลมหายใจเข้าเต็มปอด ก่อนที่จะพ่นลมหายใจเข้าไปในกล่องผ่านกำแพงผ้าผืนบาง
ในเสี้ยววินาที จากความเงียบสงบ ก็กลับกลายเป็นการจลาจล ฝูงสัตว์นับร้อยที่เคยหลับไหล ตื่นขึ้นมาด้วยความหิวกระหาย และเริ่มตระเวนไปทั่วกล่องราวกับบ้าคลั่ง
“ยุงลายพวกนี้กระหายเลือด และคาร์บอนไดออกไซด์จากลมหายใจเราก็ทำให้มันคลั่ง” เมก ยังเกอร์ (Meg Younger) นักวิทยาศาสตร์สาวท่าทางเป็นมิตร จากมหาวิทยาลัยบอสตัน (Boston University) อธิบาย “พวกมันจะตื่นกันหมด และจะเริ่มบินว่อนไปทั่วอยู่สักสองสามนาที”
ใช่แล้วครับ สัตว์เลี้ยงที่เมกเลี้ยง คือ “ยุง” เจ้ามัจจุราชตัวจิ๋วที่ขึ้นชื่อลือชาว่าร้ายกว่าพญาเสือ ! เมกไม่ได้มีรสนิยมพิสดารที่อยากเลี้ยงสัตว์เอกซอติก พวกมันไม่ได้น่ารักน่าเอ็นดูสำหรับทุกคน ที่จริงแล้วพวกมันคือปัญหาระดับโลก
หลังจากที่คาร์บอนไดออกไซด์ปลุกพวกมันขึ้นมาแล้ว เจ้าแวมไพร์ตัวจิ๋วจะตื่นตัวและกระเหี้ยนกระหือรือที่จะหาเหยื่อเพื่อสูบเลือด มารโลหิตพวกนี้จะไวสุด ๆ ต่อสัญญาณภาพและกลิ่นอันยวนใจของร่างกายมนุษย์
“ยุงตัวเมียจะถูกดึงดูดด้วยสัญญาณภาพที่ความต่างสีสูง (high contrast visual cue) และกลิ่นกายที่โชยออกมาจากผิวหนังมนุษย์เพื่อค้นหาและเล็งเป้าหมายได้จากระยะห่างหลายเมตร” ยินเพง จ้าน (Yinpeng Zhan) นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา (The University of California Santa Barbara) เผย “หลังจากนั้นความร้อนที่แผ่ออกมาจากผิวหนังและสัญญาณกลิ่นเพิ่มเติมจะช่วยให้พวกยุงประเมินได้ว่า สิ่งที่พวกมันกำลังสนใจอยู่นั้น จะใช่เหยื่อหรือเปล่า”
แล้วถ้ายุงมันมองไม่เห็นภาพล่ะ แค่กลิ่นอย่างเดียว พวกมันจะยังตามล่าหามนุษย์เจอไหม ยินเพงและทีมวิจัยของเครก มอนเทลล์ (Craig Montell) ที่ซานตาบาร์บารา เริ่มตั้งคำถาม และเพื่อพิสูจน์ข้อสงสัย พวกเขาจึงเริ่มออกแบบวิธีการสร้างยุงกลายพันธุ์ที่ตาบอด
พวกเขาพบว่าในตาของยุงลายนั้นมีการสร้างโปรตีนในตระกูลโรดอปซิน (rhodopsin) ซึ่งทำหน้าที่สำคัญในการรับและเปลี่ยนสัญญาณแสงไปเป็นกระแสประสาทอยู่ 5 ชนิด และถ้าพิจารณาจากข้อมูลทรานสคริปโตม (transcriptome) (ข้อมูลนี้จะบ่งชี้ถึงปริมาณเอ็มอาร์เอ็นเอที่สร้างขึ้นและสะท้อนไปถึงปริมาณโปรตีนที่ถูกแสดงออกมาได้) พบว่าโรดอปซินที่สร้างเยอะที่สุดในตาของยุงก็คือ ออป 1 (Op1) และออป 2 (Op2)
นั่นหมายความว่าถ้าเราสามารถน็อกเอายีนตัวใดตัวหนึ่งหรือทั้งสองตัวนั้นออกไปจากจีโนมได้ ยุงกลายพันธุ์ก็น่าที่จะเสียความสามารถในการมองเห็นไปได้เยอะ หรือแม้แต่อาจจะบอดไปเลยก็ได้ คิดได้เช่นนั้น ยินเพงและทีมจึงเริ่มกระบวนการแก้ไขยีนยุงโดยใช้เทคโนโลยีคริสเพอร์-แคส 9 (CRISPR-Cas9)
ไม่ช้าไม่นานยุงกลายพันธุ์ที่ปราศจากออป 1 ก็ถูกสร้างขึ้นมา ที่น่าแปลกใจคือ ปรากฏว่ายุงกลายพันธุ์ฝูงนี้กลับยังล่าเหยื่อตามเลือดได้แบบชิลล์ ๆ ราวกับไม่มีอะไรเกิดขึ้น
หรือว่าจะเป็นออป 2 ? พวกเขาคิด พร้อมจัดการกลายพันธุ์ยีนออป 2 ออกไปจากจีโนมของยุงดั้งเดิม สรุปคืองงยิ่งไปกว่าเดิม เพราะการลบเอายีนออป 2 ออกไปจากสารบบ ก็แทบไม่มีผลอะไรกับพฤติกรรมในการล่าเหยื่อของยุงเลยแม้แต่น้อย
แล้วถ้าเอาออกหมดเลยทั้งออป 1 และออป 2 ล่ะ เจ้าแสบพวกนี้จะยังเห็นภาพได้ไหม น็อกทีละยีนไม่เห็นผล ยินเพงเลยตัดสินใจจัดให้แบบเอกซ์ตรีม เอาออกไปเลยทั้งสองยีน คราวนี้ได้ผล ยุงกลายพันธุ์สองยีนที่เรียกว่า ดับเบิลมิวแทนต์ (double mutant) ที่สูญสิ้นความสามารถในการล่าเหยื่อไปเกือบชะงัด แสดงให้เห็นว่าตาของยุงมีความซับซ้อนกว่าที่เราคิด อย่างน้อยต้องเอาโปรตีนรับแสงออกไปถึงสองชนิดถึงจะทำลายระบบนำร่องของมันได้
แต่เมื่อพวกเขาลองทดสอบดูการเปลี่ยนแปลงกระแสประสาทในตาของยุงกลายพันธุ์ ก็ต้องเจอกับเซอร์ไพรส์อีกรอบ เพราะเมื่อเปลี่ยนสภาพแสง เซลล์ประสาทในตาก็ยังคงส่งกระเเสประสาทได้ไม่ต่างจากเดิม แม้ว่าจะขาดโปรตีนรับแสงตัวหลักไปแล้วถึงสองชนิด ทั้งออป 1 และออป 2
ซึ่งตีความได้อย่างเดียวว่าพวกดับเบิลมิวแทนต์นั้นไม่ได้ตาบอด แค่อาจจะแค่รับแสงได้เพี้ยนไป อาจจะแค่ภาพเบลอหรือสีเพี้ยนแค่นั้น ไม่ได้บอดสนิทจริง
แม้จะไม่ถึงบอด แต่งานนี้ก็น่าสนใจแล้ว เพราะเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุได้ว่าอย่างน้อยจะต้องก่อกวนโปรตีนรับภาพของยุงตัวไหนไปบ้าง พวกมันถึงจะสูญเสียระบบโจมตีเป้าหมายไปได้
ในขณะที่ทีมของยินเพงและเครกสนใจระบบรับแสง แต่ทีมของเมกกลับสนใจระบบประสาทรับกลิ่น ถ้าอ้างทฤษฎีเดิมที่ยึดถือกันมาเนิ่นนานจากการศึกษาในหนูและในแมลงหวี่ ที่เรียกว่า “one-receptor-to-one-neuron-to-one-glomerulus” เซลล์ประสาทรับกลิ่น (olfactory sensory neuron) 1 เซลล์จะสร้างโปรตีนรับกลิ่น (receptor) ได้ 1 แบบ และสร้างเป็นโครงสร้างปมรับกลิ่นที่เรียกว่า โกลเมอรูลัส (glomerulus) ได้ 1 ก้อน ปมโกลเมอรูลัสนี้คือจุดแรกที่เซลล์ประสาทรับกลิ่นจะส่งสัญญาณต่อให้ระบบประสาทส่วนกลาง
โมเดลนี้ดูเรียบง่ายและสวยงาม ซึ่งถ้ากะเอาคร่าว ๆ 1 โปรตีนรับกลิ่น ต่อ 1 ชนิดเซลล์ประสาท ต่อ 1 ปมโกลเมอรูลัส นั่นหมายความว่าจำนวนของปมโกลเมอรูลัสจะต้องมีเท่ากับกับชนิดของโปรตีนรับกลิ่นของสัตว์ที่มีอยู่อย่างมากมาย ซึ่งถ้าเทียบคร่าว ๆ ในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ที่มีการศึกษามา ก็ต้องถือว่าใกล้เคียงหลายชนิด เช่น ในผึ้งมีราว ๆ 180 โปรตีนรับกลิ่น และประมาณ 160 ปมโกลเมอรูลัส ในขณะที่แมลงหวี่ซึ่งมี 60 โปรตีนรับกลิ่นจะมีราว ๆ 55-60 ปมโกลเมอรูลัส
แต่อัตราส่วนตรงนี้ต่างไปในยุงลาย จำนวนชนิดของโปรตีนรับกลิ่นเมื่อเทียบกับจำนวนปมโกลเมอรูลัสแล้วกลับมีมากกว่าถึงสองเท่าเป็นอย่างน้อย ซึ่งนั่นทำให้เมกเริ่มสงสัยว่าเป็นไปได้มั้ยที่ระบบรับรู้กลิ่นในยุงนั้นจะแตกต่างไปจากที่เคยมีคนรายงานมาในสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น ๆ
เมกและทีมผู้ร่วมวิจัยของเธอจากมหาวิทยาลัยร็อกกีเฟลเลอร์ (Rockefeller University) ได้พัฒนาวิธีการแก้ไขพันธุกรรมแบบน็อกอิน (knock in) ด้วยเทคนิคคริสเพอร์-แคส 9 เพื่อสร้างสายพันธุ์ยุงที่ผลิตโปรตีนรับกลิ่นที่เรืองแสงฟลูออเรสเซนซ์สีต่าง ๆ
จากการวิเคราะห์ภาพถ่ายสามมิติของโครงสร้างรับกลิ่นในหนวด (antenna) และการศึกษาลำดับของอาร์เอ็นเอที่แสดงออกในเซลล์ต่าง ๆ ของยุง เมกและทีมพบว่าโมเดลที่ทุกคนเชื่อกันในอดีต หนึ่งโปรตีน หนึ่งเซลล์ประสาท หนึ่งปมโกลเมอรูลัสนั้น ใช้ไม่ได้เลยกับยุงลาย
ระบบรับกลิ่นของยุงลายที่พวกเธอค้นพบนั้น มีความสลับซับซ้อนมากกว่าที่โมเดลว่าไว้อย่างมหาศาล เซลล์ประสาทหนึ่งชนิดของยุงสามารถสร้างโปรตีนรับกลิ่นได้หลายแบบ ไม่ใช่แค่แบบเดียวอย่างที่เคยเชื่อกันมา และโปรตีนรับกลิ่นในแบบเดียวกันก็สามารถพบได้ในเซลล์ประสาทรับกลิ่นได้หลายชนิดด้วย
“มันคือการซ้ำซ้อน (redundancy) อย่างมากในทางชีววิทยา” แต่ทำไมต้องมีความซ้ำซ้อนกันมากขนาดนี้นั้น ยังเป็นปริศนาที่ต้องค้นหาต่อไป
“พวกที่กระหายเลือดมนุษย์ มักจะเป็นพาหะของโรคร้ายที่ติดต่อได้ในมนุษย์ ทั้งไข้เลือดออก ซิกา ชิคุนกุนยา และมาลาเรีย” เมกสาธยาย “มาลาเรียโรคเดียวก็พรากชีวิตผู้คนบนโลกไปได้อย่างน้อยก็ครึ่งล้านต่อปีแล้ว”
สำหรับเมก ความซ้ำซ้อนแบบไม่สมเหตุสมผลนี้อาจจะเกิดขึ้นเพราะว่ายุงนั้นต้องวิวัฒน์เผ่าพันธุ์ตัวเองให้จับสัญญานกลิ่นกายของสัตว์เลือดอุ่นอย่างมนุษย์ได้ดีเลิศประเสริฐที่สุด เพื่อเอาชนะคะคานคู่แข่งในธรรมชาติและสามารถอยู่รอดสืบต่อเผ่าพันธุ์ได้อย่างที่เป็น “ผู้คนต่างกัน มีกลิ่นตัวที่แตกต่างกันไปได้สารพัด นี่อาจจะเป็นระบบเพื่อค้นหามนุษย์ที่ไม่สนใจว่ากลิ่นอะไรบ้างที่มนุษย์จะปล่อยออกมา” เธอกล่าว
แต่ที่สำคัญ ความซ้ำซ้อนแบบนี้ ทำให้เป็นเรื่องยากที่การกลายพันธุ์ธรรมดา ๆ จะทำให้เจ้าแวมไพร์ตัวจิ๋วนี่เสียความสามารถในการเล็งเป้าเข้าหาเหยื่ออย่างแม่นยำตามธรรมชาติของพวกมันไป สำหรับนักวิจัยที่คิดง่าย ๆ ว่าจะเอาคริสเพอร์ฯ ไปแก้ไขปรับแต่งยีนไม่กี่จุดในระบบนำร่องของยุง แล้วคาดหวังว่าจะทำให้พวกมันสิ้นฤทธิ์นั้น ลืมไปได้เลย
การค้นพบของเมกและทีมทำให้ทฤษฎีเรื่องการรับกลิ่นที่เป็นที่ยอมรับกันมานานหลายทศวรรษในวงการประสาทวิทยาศาสตร์ต้องได้รับการรื้อขึ้นมาแก้ใหม่ ธรรมชาติมักมีอะไรให้เราได้ประหลาดใจอยู่เสมอ
แม้ว่างานวิจัยนี้จะเป็นงานวิจัยพื้นฐานที่อาจจะฟังดูห่างไกลจากการนำไปประยุกต์ใช้ แบบที่หลาย ๆคนเรียกว่าเป็นงานขึ้นหิ้ง แต่เมกก็ยังสามารถตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานวิจัยนี้ของเธอได้ในวารสาร Cell ซึ่งถือว่าเป็นวารสารที่มีผลกระทบสูงมากในวงการวิทยาศาสตร์เมื่อกลางเดือนสิงหาคมที่ผ่านมา
เพราะนอกจากจะปฏิรูปแนวคิดเรื่องระบบประสาทรับกลิ่นในสัตว์ได้แล้ว การเข้าใจกลไกการค้นหาเป้าหมายของยุงอย่างถ่องแท้ อาจจะช่วยให้เราออกแบบสารไล่ยุงแบบใหม่ที่ใช้ได้ผลดีกว่าและมีพิษภัยน้อยกว่าสารไล่แมลงที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันอย่าง DEET (N,N-diethyl-meta-toluamide) หรือกลยุทธ์แบบใหม่ที่ใช้ในการล่อยุงเข้าไปติดกับก็เป็นได้
สุภาษิตโบราณว่าไว้ “รู้เขารู้เรา รบร้อยครั้ง ชนะร้อยครั้ง” ในท้ายที่สุด หากต้องการการแก้ปัญหาอย่างแท้จริงที่ต้นเหตุ บางทีเราอาจจะต้องหันมาประเมินกันใหม่ว่าหนทางใดที่จะนำไปสู่การพัฒนาอย่างยั่งยืน !
อ้างอิง
- Herre M, et al. (2022) Non-canonical odor coding in the mosquito. Cell, 185 (17): P3104-3123 doi: 10.1016/j.cell.2022.07.024
- Zhan Y, et al. (2021) Elimination of vision-guided target attraction in Aedes aegypti using CRISPR. Current Biology, 31(18):4180-4187. doi: 10.1016/j.cub.2021.07.003.
About Author
