ครั้งแรกในไทยนักวิจัยชีวเคมี จุฬาฯ ศึกษาโครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ย่อยโปรตีนจากโควิด-19

30 กันยายน 2563

“เราได้นำความรู้ทางด้านชีวเคมีมาประยุกต์ใช้ในงานด้านโควิด-19 ตั้งแต่การทำเจลแอลกอฮอล์ และการผลิตเอนไซม์ที่ใช้ในการพัฒนาชุดทดสอบโควิด-19 ล่าสุดเราได้ศึกษาในเรื่องโครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ย่อยโปรตีนโควิด-19 เป็นที่แรกและที่เดียวในไทยเพื่อนำไปสู่การหายารักษาโรคโควิด-19 ในอนาคต”อ.ดร.กิตติคุณ วังกานนท์ และ ผศ.ดร.ธัญญดา รุ่งโรจน์มงคล จากภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาฯ เผยถึงความภาคภูมิใจในงานวิจัยครั้งนี้

คนทั่วไปเมื่อมองการหาทางยับยั้งเชื้อไวรัสโควิด-19 โดยนักวิทยาศาสตร์และผู้เชี่ยวชาญทางการแพทย์ มักจะนึกถึงการฉีดวัคซีนเพื่อสร้างแอนติบอดีไปบล็อกไม่ให้เชื้อเข้าเซลล์ได้ ซึ่งไม่ใช่ทางออกเดียวในการหยุดเชื้อไวรัสโควิด-19 และเชื้อไวรัสชนิดอื่นๆ เราอาจจะได้ยินว่ามีการใช้ยาของโรคเอดส์มารักษาผู้ป่วยโควิด-19 ซึ่งน่าจะเกี่ยวข้องกับการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ตัวหนึ่ง ไวรัสโควิด-19 ก็เช่นเดียวกับไวรัสที่ก่อโรคเอดส์ มันจะสร้างสายโปรตีนที่ยาวมาก เป็นโปรตีนหลายตัวที่เชื่อมต่อกัน แล้วก็จะต้องมีเอนไซม์ย่อยโปรตีน หรือที่เรียกกันว่า โปรตีเอส (Protease) มาทำให้โปรตีนที่ยาวๆ นี้เป็นชิ้นเล็กๆ แต่ละชิ้นก็จะทำหน้าที่ต่างกันไป นักวิทยาศาสตร์จากทั่วโลกมองว่าเอนไซม์นี้คือเป้าหมายในการผลิตยาที่ดีอีกจุดหนึ่ง” อ.ดร.กิตติคุณ อธิบาย

นักวิจัยทั่วโลกเลือกที่จะศึกษาโปรตีเอสของเชื้อไวรัสด้วยหลายเหตุผล นับตั้งแต่การระบาดของโรคซาร์สและโรคเมอร์ส จนกระทั่งเกิดการแพร่ระบาดของเชื้อไวรัสโควิด-19 ขึ้น โดยประเทศจีนเป็นกลุ่มแรกที่ทำการศึกษาตั้งแต่ปลายเดือนมกราคมที่ผ่านมา โดยโปรตีเอสถือเป็นเอนไซม์ตัวแรกๆ ของไวรัสที่นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนได้ลงมือทำการศึกษาในระดับโมเลกุล ตามด้วยกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เยอรมัน สหรัฐอเมริกาและประเทศไทย โดยภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เป็นที่แรกและที่เดียวในประเทศไทยที่สามารถศึกษาโครงสร้างของโปรตีเอสของเชื้อโควิด-19 ที่สังเคราะห์ขึ้นมาได้ในระดับโมเลกุล

อ.ดร.กิตติคุณ กล่าวถึงการศึกษาโครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ย่อยโปรตีนในเชื้อโควิด-19 ที่มีต่อสังคมในวงกว้างว่า “เราใช้ยีนของโปรตีเอสที่สังเคราะห์ขึ้นมาโดยวิธีการทางเคมีแล้วนำไปใส่ในเชื้อแบคทีเรียทำให้เราสามารถผลิตโปรตีเอสได้เป็นจำนวนมากจนสามารถนำมาทดสอบกับยาได้ โดยใช้เทคนิคที่ทำให้รู้ว่ายาตัวไหนที่น่าจะจับกับโปรตีเอสตัวนี้ได้ ไม่เพียงแต่การทดสอบทางคอมพิวเตอร์ แต่เราสามารถทดสอบจริงในห้องปฏิบัติการได้ด้วย ซึ่งจะช่วยย่นระยะเวลาในการหายารักษาโรคโควิด-19 ซึ่งปกติใช้เวลาเป็นสิบปี นำไปสู่การค้นพบยารักษาโรคนี้ได้เร็วยิ่งขึ้น”

ภาพแสดงการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ย่อยโปรตีนโดยสารยับยั้งที่ศึกษาโดยนักวิจัยชาวจีน (สีแดง)

“ตัวยาที่เรากำลังทำการทดสอบอยู่ เท่าที่สกรีนออกมาได้มีอยู่ประมาณ 60 ตัว บางตัวก็ยังต้องรอการสั่งซื้อจากต่างประเทศ ซึ่งเท่าที่ทำการทดสอบมาแล้วมีอยู่ 3-4 ตัวที่น่าสนใจ บางตัวก็ซ้ำกับที่ประเทศจีนได้ศึกษาเอาไว้แล้ว ส่วนสมุนไพรได้ทำการศึกษาไปแล้วกว่า 50 ตัว สิ่งที่เราทำการสกรีนคือตัวโครงสร้างของยา โดยมีข้อมูลพื้นฐานของยาที่มีการอนุญาตให้ใช้อยู่แล้ว นำมาจับคู่กับโครงสร้างของโปรตีเอสว่าสารเคมีในตัวยาสามารถยับยั้งโปรตีเอสได้หรือไม่ เป็นสารเคมีตัวไหน แล้วจึงเลือกโครงสร้างเหล่านั้นมาทำการทดลองในหลอดทดลองต่อไป” ผศ.ดร.ธัญญดา กล่าวเสริม

อีกสิ่งหนึ่งที่ภาควิชาชีวเคมีสามารถทำได้เป็นที่แรกในประเทศไทย คือการตกผลึกโปรตีนซึ่งคล้ายกับการตกผลึกของเกลือและน้ำตาล คือปล่อยให้น้ำระเหยออกจากโปรตีน จนมีความเข้มข้น ตัวโปรตีน ก็จะตกผลึกขึ้นมา จากนั้นนักวิจัยก็จะทำการเก็บผลึกชิ้นเล็กๆ ที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็นโดยใช้เข็มเก็บและส่งผลึกดังกล่าวไปยิงด้วยลำแสงเอ็กซเรย์เข้มข้น โดยเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (Synchrotron) ที่รัฐอิลลินอยส์ สหรัฐอเมริกา ทำให้ได้เห็นภาพการกระเจิงของเอ็กซเรย์ซึ่งมีลักษณะเป็นจุดๆ จากข้อมูลนี้นักวิจัยสามารถคำนวณกลับได้ว่าอะตอมแต่ละอะตอมอยู่ตรงไหน แต่ละโมเลกุลอยู่ตรงจุดใด

ผลึกเอนไซม์ย่อยโปรตีนหลัก SARS-CoV-2 ภายใต้แสงโพลาไรซ์ (SARS-CoV-2 main protease crystals under polarized light)

แผนภาพความหนาแน่นของอิเล็กตรอน (Electron density map)

เครื่องเร่งอนุภาค Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory – Illinois, USA

รูปแบบการกระเจิงของรังสีเอ็กซ์โดยผลึกโปรตีเอส (Diffraction pattern)

ปัจจุบันภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาฯ สามารถสังเคราะห์โปรตีเอสได้เป็นจำนวนมาก ผนวกกับความสามารถในการวิเคราะห์โครงสร้างโปรตีนในระดับโมเลกุล ทำให้สามารถนำโปรตีเอสเหล่านี้มาทดสอบหรือตกผลึกร่วมกับสารเคมีได้เลย เช่น การทดสอบสารเคมีในสมุนไพรไทยต่างๆ ซึ่งปัจจุบันมีความร่วมมือกับภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ และคณะแพทยศาสตร์ จุฬาฯ ในการทดสอบสารเคมีจากสมุนไพรไทย

“ที่ผ่านมาสังคมมักจะตั้งคำถามว่า ฟ้าทะลายโจรหรือยาโรคเอดส์ใช้กับเชื้อโควิด-19 ได้หรือไม่ ถ้าได้แล้วมีกลไกการทำงานอย่างไร สิ่งที่ภาควิชาชีวเคมีของเราทำได้คือการหาข้อพิสูจน์โดยวิธีทางวิทยาศาสตร์ ตอบโจทย์นักวิจัยของไทย เพราะเรามีโปรตีเอสที่สามารถสังเคราะห์ได้เองตั้งแต่ต้นน้ำ สามารถศึกษาโครงสร้างสามมิติของมันได้ เรามีความพร้อมในประเทศ และสามารถทำการทดสอบได้ทันที อย่างสมุนไพรไทยต่างๆ ที่เรานำมาตกผลึกร่วมกับโปรตีเอส แล้วส่งไปยิงรังสี จะทำให้เราได้เห็นหน้าตาของสารเคมีจากสมุนไพรไทยที่เข้าไปอุดในปากหรือฟันของโปรตีเอส จากนั้นจึงใช้เทคนิคทางคอมพิวเตอร์ต่อเพื่อดัดแปลงให้มีคุณสมบัติที่ดีขึ้น หรือแม้กระทั่งยาต่างๆ ที่เราเห็นว่าใช้ได้ผล เมื่อนำมาหาโครงสร้างสามมิติร่วมกัน จะทำให้เราได้เห็นชัดๆ เลยว่าอะตอมไหนจับคู่อยู่กับอะตอมไหน เพื่อพัฒนาตัวยารุ่นต่อๆ ไปได้” ผศ.ดร.ธัญญดา กล่าวเพิ่มเติม

นวัตกรรมที่ใช้ต่อสู้กับการแพร่ระบาดของโรคโควิด-19 คนส่วนใหญ่จะให้ความสนใจกับเรื่องของวัคซีนเป็นหลัก อ.ดร.กิตติคุณ ย้ำว่าทั้งวัคซีน ชุดตรวจ และการวิจัยยารักษาโควิด-19 มีความจำเป็นที่จะต้องพัฒนา เพราะเชื้อที่กลายพันธุ์ได้เร็วเช่นไวรัส ต้องใช้ตัวยาหลายตัวในการรักษา และมีการควบคุมให้รอบด้าน การฝากความหวังไว้กับอะไรเพียงอย่างเดียว เป็นเรื่องที่อันตรายมาก

“คนทั่วไปอาจเข้าใจว่างานในลักษณะนี้เป็นงานวิจัยต้นน้ำ คือใช้ไม่ได้โดยทันที แต่งานวิจัยในลักษณะนี้ก็ไม่ได้ใช้ทุนมากมายอะไร ปัจจุบันเรามีวิธีทดสอบการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ตัวนี้แล้ว รวมทั้งสามารถทดสอบกับสารสกัดต่าง ๆ ได้ ส่วนการนำไปทดสอบกับเชื้อไวรัสจริง หรือนำไปทดลองทางการแพทย์หรือไม่ ก็ขึ้นอยู่กับว่าจะมีใครสนใจสนับสนุน หรือนำผลการศึกษานี้ไปพัฒนาต่อไป”

อ.ดร.กิตติคุณยังกล่าวทิ้งท้ายอีกว่า “เมื่อกลางเดือนกันยายนนี้ บริษัทยา Pfizer ของสหรัฐอเมริกาก็ประกาศว่าได้เริ่มทดลองยาต้านไวรัสที่ยับยั้งโปรตีเอสแล้ว งานวิจัยยาของเรายังตามหลังต่างประเทศอยู่มาก ถ้ามีการระบาดระลอกต่อไปในไทยเราจำเป็นต้องเตรียมพร้อมในเรื่องนี้”