เรื่องราวของเปียซโซและทริป

เรื่องโดย ผศ. ดร.ป๋วย อุ่นใจ

ในที่สุดก็มาถึงเดือนสิบ เดือนแห่งการประกาศผลรางวัลโนเบล

ปีนี้รางวัลน่าสนใจเกือบทุกสาขา ตั้งแต่โปรตีนรับสัมผัสไปจนถึงนักจำลองแบบภูมิอากาศ ในคอลัมน์สภากาแฟคราวนี้ ผมจะมาเล่าให้ฟังถึงปูมหลังของสองนักวิทยาศาสตร์ผู้พิชิตรางวัลโนเบลสรีรวิทยาหรือการแพทย์ แห่งปี พ.ศ. 2564 กันครับ

รางวัลแด่ชายผู้ค้นพบกลไกแห่งกายสัมผัส

เข็มสั้นนาฬิกาเพิ่งจะเคลื่อนผ่านเลขสองไปไม่นาน นี่เป็นช่วงเวลาหลายคนที่เรียกว่า wee hours

อาร์เดม พาทาปูเตียน (Ardem Patapoutian) นักวิจัยชีวฟิสิกส์หนุ่มจากสถาบันวิจัยสคริปส์ (Scripps Research) กำลังพักผ่อนอย่างสบายในบ้านของเขาที่แคลิฟอร์เนีย

เสียงโทรศัพท์ที่ดังอยู่อย่างไม่ขาดสายปลุกเขาจนตื่น มันเป็นเบอร์ที่คุ้นเคย พาทาปูเตียนสะลึมสะลือรับสายบิดาวัย 94 ปี มันต้องมีเรื่องอะไรเกิดขึ้นแน่นอน

“ฉันคิดว่าแกได้รางวัลโนเบลนะ” เสียงชายชราเอ่ยเจื้อยแจ้วมาตามสาย

พาทาปูเตียนเล่าว่า “ความรู้สึกมันเอ่อท้นจนเกินจะรับไหว แต่ผมก็มีความสุข”

เป็นข่าวใหญ่กระจายไปทั่ว พาทาปูเตียน นักวิจัยอเมริกันเชื้อสายอาร์เมเนียที่อพยพย้ายประเทศมาจากเลบานอนคือนักวิทยาศาสตร์ผู้พิชิตรางวัลโนเบลสรีรวิทยาหรือการแพทย์ ในปี พ.ศ. 2564

“บางทีในวงการวิทยาศาสตร์ สิ่งที่เราไม่เคยให้ความสำคัญ กลับกลายเป็นสิ่งที่ผู้คนให้ความสนใจ”

สิ่งที่พาทาปูเตียนสนใจคือกายสัมผัส เขาอยากรู้ว่าโมเลกุลอะไรที่ทำให้ร่างกายของคนเรารับรู้สัมผัสได้

เขาและเบิร์ตแรนด์ คอสเต (Bertrand Coste) ตั้งสมมติฐานว่าโปรตีนรับสัมผัสน่าจะเป็นพวก ion channel ที่ทำหน้าที่เป็นท่อขนส่งเกลือไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ การไหลของเกลือผ่านเยื่อหุ้มจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าที่จะกระตุ้นให้เกิดการส่งกระแสประสาทได้

พาทาปูเตียนและคอสเตเลยลองค่อยๆ น็อกเอายีนสร้าง ion channel ออกไปจากเซลล์หนูทีละยีน ก่อนที่จะเอาปลายปิเปตต์เล็กๆ จิ้มไปที่เซลล์ แล้วลองวัดศักย์ไฟฟ้าดู เพื่อหาดูว่าเซลล์หนูกลายพันธุ์ขาด ion channel ตัวไหนไปถึงจะไม่สามารถตอบสนองการรับสัมผัส (หรือการจิ้ม)

ทั้งสองเผยว่าตอนแรกคิดว่าน่าจะใช้เวลาไม่นาน อย่างมากก็คงไม่กี่เดือน แต่ในความเป็นจริงกว่าจะได้มาก็เล่นเอาหืดขึ้นคอ แต่ความพยายามอยู่ที่ไหน ความสำเร็จย่อมอยู่ที่นั่น ในปี พ.ศ. 2552 ทีมของเขาก็ค้นพบโปรตีนที่อยู่เบื้องหลังการรับสัมผัสของสัตว์ พวกเขาตั้งชื่อมันว่าเปียซโซ 1

เเละต่อมาไม่นาน พวกเขาก็เจอโปรตีนในตระกูลเดียวกันอีกตัวเรียกว่าเปียซโซ 2 (PIEZO2)

การค้นพบโปรตีนเปียซโซของพาทาปูเตียนถือเป็นจุดพลิกผันที่ทำให้เราเข้าใจว่า ร่างกายรับรู้กายสัมผัส และอากัปกิริยาที่กำลังกระทำอยู่ได้อย่างไร แต่การจะเข้าใจการทำงานของโปรตีนให้รู้ซึ้งถึงกึ๋นต้องเห็นโครงสร้างสามมิติในระดับอะตอมเท่านั้น

ปัญหาก็คือ โปรตีนเปียซโซมีขนาดใหญ่โตมโหฬาร ยากจะหาโปรตีนในเยื่อหุ้มตัวไหนใหญ่เท่า คือมีกรดอะมิโนมากถึง 2,500 โมเลกุล และมวลโมเลกุลรวมราวๆ 300 กิโลดาลตัน หรือถ้าเทียบก็คือต้องเท่ามวลของธาตุไฮโดรเจนราวๆ 300,000 อะตอม

ซึ่งโครงสร้างใหญ่โตขนาดนี้ การหาโครงสร้างโปรตีนโดยผลึกศาสตร์เอกซเรย์ ปกติแล้วทำได้ยากมาก ยิ่งเป็นโปรตีนในเยื่อหุ้มเซลล์ด้วยจะยิ่งยาก แต่โชคดีที่ในตอนปี พ.ศ. 2556 ไป๋หลง เซียว (Bailong Xiao) อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกของพาทาปูเตียนกำลังอยู่ในระหว่างการจัดตั้งห้องแล็บใหม่ของที่มหาวิทยาลัยชิงหัว ประเทศจีน ประจวบเหมาะกับที่ตอนนั้นมีอีกเทคนิคนึงที่ใช้ในการหาโครงสร้างโปรตีนที่เรียกว่าเทคนิค cryoEM กำลังเริ่มสุกงอมพอดี

เซียวเลยได้โอกาสใช้เทคนิคใหม่ cryoEM หาโครงสร้างสามมิติของโปรตีนเปียซโซ ทีมวิจัยของเขาพบว่าโครงสร้างของเปียซโซนั้นมีหน้าตาแปลกพิลึกคือเป็นรูปใบพัดสามแฉก ซึ่งแตกต่างมากถ้าเทียบกับโปรตีนที่พบทั่วไปในเยื่อหุ้มเซลล์

โครงสร้างของโปรตีนเปียซโซจะช่วยไกด์แนวทางให้เราเข้าใจว่าใบพัดน่าจะขยับอย่างไรเพื่อกระตุ้นกลไกการรับสัมผัสทางกายของมนุษย์และสัตว์ น่าจะมีประโยชน์อย่างยิ่งในการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์

“การค้นพบเปียซโซคือก้าวสำคัญสำหรับทั้งวงการ แต่ชัดเจนว่าคงไม่ได้มีแค่เปียซโซ” เคต พูล (Kate Poole) นักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลส์กล่าว

และถ้าถามความเห็นของบุคคลสำคัญผู้อยู่เบื้องหลังการค้นพบเปียซโซ ว่าในเรื่องความเข้าใจในเชิงอณูของการรับสัมผัส พวกเราก้าวหน้าไปถึงขั้นไหนแล้ว

“เพิ่งจะแค่สะกิดผิวๆ เท่านั้นเอง !” พาทาปูเตียนตอบ

การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลไม่ใช่จุดสิ้นสุด แต่เป็นจุดเริ่มของการค้นพบสิ่งใหม่ๆ ที่จะทำให้เราเข้าใจโลกใบนี้มากยิ่งขึ้น

รางวัลเผ็ชๆ สำหรับชายผู้ค้นพบโปรตีนแห่งความเจ็บปวด

ข้อความเด้งแต่เช้า มือถือข้างเตียงสั่นระลิกเป็นจังหวะ ‘rrrrrrrrrr’ เดวิด จูเลียส (David Julius) นักสรีรวิทยาและชีวฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานฟรานซิสโก (UCSF) งัวเงียลุกขึ้นมา

มันเกิดอะไรขึ้น ! ข้อความนี้มาจากน้องสะใภ้ของเขาในซานตาครูซ

“ผมนึกว่ามันเป็นการแกล้งกัน” จูเลียสเปรย

ข้อความเขียนประมาณว่า “มีใครสักคนกำลังพยายามติดต่อพี่อยู่ ชื่อโทมัส เพิร์ลแมน (Thomas Perlman) และฉันก็ไม่อยากจะให้เบอร์พี่กับเขา และนี่คือเบอร์ของเขา”

“ผมหันไปถามภรรยาว่าคิดยังไงกับเรื่องนี้ เธอก็เลยลองโทรไปเบอร์นั้นดู” และเสียงปลายสายก็ตอบมา “ผมพยายามติดต่อเดวิดมาหลายครั้งแล้ว”

แต่กว่าที่ทั้งสองจะได้คุยกัน เพิร์ลแมนก็เหลือเวลาอีกเพียงแค่สามนาทีก่อนที่เขาจะต้องไปประกาศรางวัล

และกว่าจะได้คุยกันเป็นกิจลักษณะก็อีกราวๆ ยี่สิบนาทีต่อมา ตอนที่จูเลียสโทรกลับไปหาเพิร์ลแมนอีกรอบหลังการประกาศผลรางวัลไปแล้ว แต่จูเลียสไม่ใช่คนที่ตื่นเต้นที่สุด

เพราะทันทีที่รู้ว่าสามีของเธอคือหนึ่งในสองผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์แห่งปีนี้ ภรรยาของเขาก็หลั่งไหลถั่งท้นออกมา “ฉันไม่อยากจะเชื่อเลย” เธอกล่าว “แต่เขาทำงานหนักมากจริงๆ ก็เหมาะสมที่สุดแล้วกับรางวัล”

ที่จริงแล้ว ไม่น่าแปลกใจที่รางวัลโนเบลในปีนี้จะตกเป็นของเขา ชื่อของเดวิด จูเลียส โด่งดังมานาน เรียกได้ว่าเป็นหนึ่งในบิ๊กชอตที่ทุกคนที่ทำงานในสายชีวฟิสิกส์น่าจะไม่มีใครไม่เคยได้ยินชื่อเสียง

เขาคือดาวรุ่งพุ่งแรงตั้งแต่สมัยเรียน แถมยังได้ฝึกกับนักวิทยาศาสตร์ระดับโนเบลมาหลายคน

จูเลียสเป็นลูกศิษย์ปริญญาเอก ของเจเรมี ทอร์นเนอร์ (Jeremy Thorner) และอดีตนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบล แรนดี เชร็กแมน (Randy Schrekman) ซึ่งถือเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ทรงอิทธิพลที่สุดในวงการวิจัยเซลล์และอณูชีววิทยาของสหรัฐอเมริกา

และหลังจากได้ดีกรีจากเบิร์กลีย์ (University of California Berkeley) จูเลียสข้ามประเทศกลับไปทำโพสต์ดอกต่อที่นิวยอร์กกับอดีตนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลอีกคน ริชาร์ด แอกเซล (Richard Axel) ผู้ไขปริศนาแห่งการรับกลิ่น ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย (Columbia University)

จูเลียสสนใจการรับความเจ็บปวด ตอนที่เขาเริ่มตั้งคำถามว่าจะทำยังไงให้เซลล์เจ็บปวด เพื่อที่เขาจะได้ศึกษาได้ว่าเซลล์รับรู้ความเจ็บปวดได้อย่างไร

จูเลียสเริ่มหาสารสร้างความเจ็บปวดทรมานที่จะเอามาใช้กับการทดลองของเขา และก็ไปสุดที่พริก โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับสารแคปไซซินที่อยู่ในพริกทำให้คนที่กินเผ็ดไม่ได้เจ็บปวดทุรนทุราย

และในอีกไม่กี่ปีต่อมา จูเลียสก็ค้นหาและโคลนยีนที่สามารถเปลี่ยนเซลล์ที่ปกติเพิกเฉยต่อรสชาติเผ็ดร้อนของเเคปไซซินให้ตอบสนองต่อสารสร้างความเจ็บปวดทรมานของพริกได้

ภาพ TRPV1 ที่ค้นพบโดยจูเลียส

ยีนที่พบเป็นยีนที่ใช้สำหรับสร้างโปรตีนในกลุ่ม ion channel หรือท่อส่งไอออนในเยื่อหุ้มเซลล์ (เช่นเดียวกับเปียซโซ) ในกลุ่ม transient receptor potential ที่ชื่อว่า TRPV1 เมื่อจับกับแคปไซซิน โปรตีน TRPV1 จะเปิดออกทำให้แคลเซียมไอออนไหลผ่านเยื่อหุ้มเข้าสู่เซลล์กระตุ้นให้เกิดกระแสประสาท ส่งไปที่สมองให้ร่างกายสามารถรับรู้ความรู้สึกปวดแสบปวดร้อนได้ การค้นพบ TRPV1 ถือเป็นการเปิดศักราชใหม่ของการศึกษาการรับสัมผัสความเจ็บปวด

ผลงานของจูเลียสทำให้โปรตีน TRP channel กลายเป็นหนึ่งในโปรตีนทีเผ็ดร้อนที่สุดในวงการชีวฟิสิกส์ มีการค้นพบโปรตีน TRP channel อีกหลายตัวและโคลนออกมาอย่างรวดเร็ว เด่นๆ ก็คือ TRPM8 หรือที่รู้จักกันในนามรีเซปเตอร์แห่งความเย็นและเมนทอล (cold and menthol receptor) ที่ทั้งจูเลียสและพาทาปูเตียนแข่งขันกันค้นหา และท้ายที่สุดก็เสมอ คือเจอพร้อมๆ กัน

ส่วน TRP channel อีกตัวที่เปิดตัวอย่างอลังการก็คือโปรตีนรีเซปเตอร์แห่งวาซาบิ TRPA1 ที่นอกจากจะตอบสนองกับรสแสบฉุนของวาซาบิแล้ว ยังเป็นโปรตีนที่เป็นเป้าหมายหลักของแก๊สน้ำตาด้วย และเนื่องจากเซลล์ที่มี TRPA1 นั้นไม่ได้พบแค่ที่ตา แต่พบได้ทั่วไป รวมทั้งในเซลล์ผิวหนังด้วย ควันของแก๊สน้ำตาก็เลยไม่ได้ทำให้รู้สึกแสบร้อนแค่ที่ตา แต่จะกระจายไปทั่วทุกส่วนของร่างกายที่สัมผัสโดน

ทางทีมวิจัยของจูเลียสเดินหน้าเต็มกำลังเพื่อสร้างองค์ความรู้ที่จะนำไปสู่ความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับกลไกแห่งการรับความเจ็บปวด จูเลียสร่วมงานกับนักชีววิทยาเชิงโครงสร้าง อีฟาน เชง (Yifan Cheng) ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก ผู้เชี่ยวชาญ cryoEM เพื่อหาโครงสร้างสามมิติของ TRP channel

และโครงสร้างของ TRPV1 และ TRPA1 ที่สามารถบอกเป็นนัยได้ว่าความเจ็บปวดจากสารเผ็ดร้อนจากพริกและแก๊สน้ำตานั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร ก็เป็นฝีมือของทีมวิจัยของจูเลียสและเชงนั่นเอง

จูเลียสเชื่อมั่นว่าความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับการทำงานของ TRP channel โปรตีนแห่งความเผ็ดร้อนและเหน็บหนาวที่เขาค้นพบนั้น จะช่วยปูทางสู่การออกแบบยาต้านความเจ็บปวดแห่งอนาคตได้

ซึ่งนั่นน่าจะยังคงต้องใช้เวลาอีกสักพัก (ใหญ่ๆ) แต่คงไม่ไกลเกินฝัน

นี่คือเรื่องราวหนทางสู่โนเบลของสองนักวิจัยมือฉมังที่เต็มไปด้วยความมุ่งมั่นและความสนุกกับการทำงานค้นคว้าวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่เขาสนใจ จนในที่สุดก็สามารถคว้าเอารางวัลที่ทรงเกียรติที่สุดในโลก โนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์มาได้สำเร็จในปี พ.ศ. 2564