จากการค้นพบโครงสร้าง DNA ในปี 1953 สู่ยุค Genomics และ Human Genome Project มนุษย์พัฒนาเทคโนโลยีอ่านรหัสชีวิตจนย่อส่วนเครื่อง Sequencer ขึ้นไปบนสถานีอวกาศนานาชาติได้ในปี 2016 เป้าหมายไม่ใช่แค่โชว์เทคโนโลยี แต่เพื่อเฝ้าระวังการกลายพันธุ์ จุลชีพ และผลของรังสีอวกาศต่อมนุษย์ เพราะถ้าเราจะไปไกลกว่าวงโคจรต่ำ เราต้องอ่าน “ชีววิทยา” ได้แบบ Real-time บนอวกาศเอง
หนึ่งในเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์บนสถานีอวกาศนานาชาติที่สำคัญที่สุดชิ้นหนึ่งคือเครื่อง DNA Sequencer อุปกรณ์ที่มีหน้าที่ “อ่านรหัสชีวิต” ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่อยู่ร่วมกับนักบินอวกาศบนวงโคจร การที่มนุษย์นำเทคโนโลยีถอดรหัสพันธุกรรมขึ้นสู่อวกาศสะท้อนคำถามที่ลึกกว่านั้นว่า เมื่อเราออกจากโลกไปอยู่ในสภาพไร้น้ำหนักและถูกรังสีคอสมิกโถมใส่ตลอดเวลา ชีวิตในระดับโมเลกุลจะเปลี่ยนไปอย่างไร เราจะเฝ้าระวังการกลายพันธุ์ การติดเชื้อ หรือความเปลี่ยนแปลงของระบบภูมิคุ้มกันได้อย่างไรโดยไม่ต้องรอส่งตัวอย่างกลับโลก
บทความนี้จะพาย้อนดูเส้นทางตั้งแต่ยุคแรกของการถอดรหัส DNA บนพื้นโลก ไล่เรียงความพยายามในการนำชีววิทยาโมเลกุลขึ้นสู่วงโคจร จนถึงวันที่เครื่อง Sequencer ทำงานจริงในสภาพไร้น้ำหนัก และสิ่งที่การทดลองนั้นกำลังบอกเราถึงอนาคตของการสำรวจอวกาศระยะยาว
จาก Double Helix สู่ยุค Genomics จุดเริ่มต้นของการถอดรหัสชีวิตบนโลก
ปี 1953 การค้นพบโครงสร้าง Double Helix ของ DNA โดย James Watson และ Francis Crick (ต่อยอดจากข้อมูล X-ray diffraction ของ Rosalind Franklin) เปลี่ยนชีววิทยาให้กลายเป็นศาสตร์เชิงข้อมูลอย่างแท้จริง มนุษย์เริ่มเข้าใจว่า “ชีวิต” ไม่ได้เป็นเพียงกระบวนการทางเคมี แต่คือรหัสที่สามารถอ่านและตีความได้ อย่างไรก็ตาม กว่าที่เราจะอ่านรหัสนั้นได้จริงต้องรอถึงทศวรรษ 1970 เมื่อ Frederick Sanger พัฒนาเทคนิค Sanger Sequencing ซึ่งเป็นครั้งแรกที่เราสามารถเรียงลำดับเบสของ DNA ได้อย่างเป็นระบบ เทคโนโลยีนี้วางรากฐานให้กับยุค Genomics และนำไปสู่โครงการขนาดมหึมาอย่าง Human Genome Project ที่เริ่มต้นในปี 1990 และประกาศความสำเร็จในปี 2003
การถอดรหัสจีโนมมนุษย์ทั้งชุดต้องใช้เวลากว่าสิบปี งบประมาณหลายพันล้านดอลลาร์สหรัฐ และความร่วมมือจากห้องปฏิบัติการทั่วโลก แต่สิ่งที่สำคัญกว่าคือการเปลี่ยนมุมมองทางวิทยาศาสตร์ จากเดิมที่ชีววิทยาเน้นการสังเกตสัณฐานวิทยา มาสู่การอ่าน “ข้อมูลระดับโมเลกุล” ของสิ่งมีชีวิตโดยตรง ต่อมาเทคโนโลยี Next-Generation Sequencing (NGS) ในช่วงปี 2005 เป็นต้นมา ทำให้ต้นทุนการอ่านจีโนมลดลงอย่างรวดเร็ว จากหลักพันล้านดอลลาร์ต่อจีโนม เหลือเพียงหลักพันดอลลาร์สหรัฐ ในเวลาไม่ถึงสองทศวรรษ การถอดรหัส DNA จึงกลายเป็นเครื่องมือพื้นฐานในงานแพทย์ การเกษตร และชีววิทยาวิวัฒนาการ
คำถามใหม่ในสภาพไร้น้ำหนัก เมื่อ DNA ต้องเผชิญอวกาศ
เมื่อมนุษย์เริ่มพำนักระยะยาวบนสถานีอวกาศ คำถามไม่ได้มีเพียงว่า “ร่างกายมนุษย์ปรับตัวอย่างไร” แต่รวมถึงระดับโมเลกุลด้วย สภาพไร้น้ำหนักและรังสีคอสมิกพลังงานสูงอาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อ DNA เพิ่มขึ้น ความเสียหายระดับ Double-Strand Break หรือการกลายพันธุ์สะสมในระยะยาวอาจเป็นความเสี่ยงสำคัญต่อภารกิจระยะยาว เช่น การเดินทางไปดาวอังคาร
ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 การศึกษาในอวกาศยังคงอาศัยการเก็บตัวอย่างกลับมาวิเคราะห์บนโลก กระบวนการนี้มีข้อจำกัดทั้งด้านเวลาและการควบคุมสภาพตัวอย่าง หากต้องการวินิจฉัยการติดเชื้อหรือศึกษาการเปลี่ยนแปลงของจุลชีพบนสถานีแบบ Real-Time นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องมีเครื่องมือ Sequencing บนอวกาศโดยตรง
ปี 2016 เครื่อง Sequencer เครื่องแรกในอวกาศ
จุดเปลี่ยนสำคัญเกิดขึ้นในปี 2016 เมื่อ NASA ร่วมกับบริษัทเอกชนส่งเครื่อง MinION ซึ่งพัฒนาโดย Oxford Nanopore Technologies ขึ้นไปยัง NASA บน International Space Station ภายใต้ภารกิจ Genes in Space เครื่อง MinION ใช้หลักการ Nanopore Sequencing โดยอ่านสัญญาณไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงเมื่อสาย DNA เคลื่อนผ่านรูพรุนระดับนาโน เทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบคือขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และไม่ต้องใช้ระบบออปติกซับซ้อนเหมือนเครื่อง Sequencer รุ่นก่อน
ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าการถอดรหัส DNA ในสภาวะไร้น้ำหนักให้ผลลัพธ์ที่มีคุณภาพใกล้เคียงกับการวิเคราะห์บนโลก ความสำเร็จนี้ไม่ได้เป็นเพียงสัญลักษณ์เชิงเทคโนโลยี แต่เป็นการพิสูจน์ว่าห้องปฏิบัติการชีวโมเลกุลสามารถย่อส่วนลงไปอยู่ในวงโคจรได้จริง
อย่างไรก็ตาม การส่งเครื่อง MinION ขึ้นไปในปี 2016 เป็นเพียงการพิสูจน์ว่า “การอ่าน DNA ทำได้ใน microgravity” มากกว่าจะเป็นระบบชีววิทยาที่ครบวงจรสำหรับภารกิจระยะไกล ด้วยเหตุนี้ NASA ร่วมกับ Jet Propulsion Laboratory จึงพัฒนาแนวคิด BEST หรือ Biomolecule Extraction and Sequencing Technology ซึ่งขยับจากการเป็นเครื่องอ่านลำดับเบสเพียงอย่างเดียว ไปสู่ระบบที่รวมขั้นตอนการสกัดชีวโมเลกุล การเตรียมตัวอย่าง และการวิเคราะห์ข้อมูลเข้าไว้ด้วยกันในแพลตฟอร์มกึ่งอัตโนมัติ เป้าหมายของ BEST ไม่ได้จำกัดอยู่แค่การใช้งานบนสถานีอวกาศวงโคจรต่ำ แต่ถูกออกแบบเพื่อรองรับบริบทของภารกิจ Deep Space เช่น Lunar Gateway หรือการเดินทางไปดาวอังคาร ที่ไม่สามารถพึ่งพาการส่งตัวอย่างกลับโลกได้ทันท่วงที
เราอยากศึกษาอะไรในอวกาศกันแน่
เป้าหมายของการทำ DNA Sequencing ในอวกาศมีหลายมิติ ประการแรกคือการเฝ้าระวังจุลชีพบนสถานีอวกาศ สถานีอวกาศเป็นระบบปิดที่มีการหมุนเวียนอากาศและน้ำอย่างจำกัด การเปลี่ยนแปลงของ Microbiome อาจส่งผลต่อสุขภาพลูกเรือ ประการที่สองคือการศึกษาผลของรังสีอวกาศต่อจีโนมมนุษย์ เช่น งานศึกษาคู่แฝดอวกาศของ Scott Kelly ซึ่งเปรียบเทียบข้อมูลชีวโมเลกุลกับพี่ชายบนโลก
นอกจากนี้ การมี Sequencer บนอวกาศยังเป็นรากฐานสำหรับภารกิจสำรวจดาวเคราะห์ หากวันหนึ่งเราส่งมนุษย์ไปดาวอังคาร การตรวจสอบเชื้อโรค การวิเคราะห์ตัวอย่างดิน หรือแม้แต่การค้นหาชีวสัญญาณ (Biosignature) จำเป็นต้องมีเครื่องมือชีวโมเลกุลที่ทำงานได้ในสภาพแวดล้อมสุดขั้ว
จากการทดลองสู่โครงสร้างพื้นฐานของการสำรวจระยะยาว
หลังปี 2016 การทดลองด้านชีวโมเลกุลบนสถานีอวกาศขยายตัวอย่างต่อเนื่อง มีการพัฒนาแนวทางการสกัด DNA และ RNA ใน สภาวะไร้น้ำหนัก และการประมวลผลข้อมูลบนวงโคจร ความก้าวหน้าเหล่านี้ทำให้แนวคิด “ห้องปฏิบัติการอัตโนมัติในอวกาศ” เริ่มเป็นรูปธรรม
สิ่งที่เราเรียนรู้ไม่ใช่เพียงว่าเครื่อง Sequencer ทำงานได้หรือไม่ แต่รวมถึงความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับชีววิทยาในสภาวะไร้น้ำหนัก เราพบว่าการแสดงออกของยีนบางชุดเปลี่ยนแปลงไปเมื่ออยู่ในสภาวะไร้น้ำหนักระบบภูมิคุ้มกันอาจตอบสนองแตกต่างจากบนโลก และจุลชีพบางชนิดมีความรุนแรงเพิ่มขึ้นในอวกาศ
ในภาพใหญ่ การทดลองถอดรหัส DNA ในอวกาศสะท้อนการเปลี่ยนผ่านของยุคสำรวจอวกาศ จากยุคที่เน้นวิศวกรรมโครงสร้างและแรงขับ สู่ยุคที่ต้องเข้าใจชีววิทยาในระดับข้อมูล หากศตวรรษที่ 20 คือศตวรรษของจรวด ศตวรรษที่ 21 อาจเป็นศตวรรษที่เรานำเครื่องมือ Genomics ติดตัวออกไปพร้อมกับยานสำรวจ คำถามจึงไม่ใช่แค่ว่าเราจะเดินทางไปได้ไกลแค่ไหน แต่คือเราจะพก “ความสามารถในการอ่านชีวิต” ไปกับเราได้ไกลเพียงใด
เรียบเรียงโดย โชติทิวัตถ์ จิตต์ประสงค์
Prince of Wales Hospital
Department of Orthopaedics & Traumatology
Faculty of Medicine, The Chinese University of Hong Kong
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
