Thai SynBio Forum | วงในชีววิทยาเหนือธรรมชาติ 
EP.03: Biomaterials and Biochemicals

หลายท่านอาจจะเคยได้ยินคำว่า SynBio, Synthetic Biology, หรือ ชีววิทยาสังเคราะห์มาบ้าง โดยเฉพาะถ้ากดเข้ามาอ่านบทความนี้ได้ แต่สิ่งที่เราได้เห็นได้อ่านได้ฟังเกี่ยวกับ SynBio นั้นส่วนมากจะเป็นการตีความให้เข้าใจง่ายขึ้น เพื่อให้คนที่ไม่ได้อยู่ในวงการเข้าใจได้ในจากการอ่าน หรือฟังสั้นๆ แต่จะเป็นไปได้ไหมที่เราหยิบเอาบทสนทนาของคนในวงการมาเล่าในบริบทที่ไม่ทางการหรือวิชาการจนเกินไป ให้เหมือนกับการนั่งคุยกันบนโต๊ะอาหารในร้านเจ้าประจำหลังเลิกงานวันศุกร์ นี่เองที่อดีตทีมงาน “รวยด้วย SynBio” จากเพจ “Biology Beyond Nature: ชีววิทยาเหนือธรรมชาติ” ที่เคยจัดรายการ podcast ไว้ในช่วงปี 2021 – 2022 กว่า 26 episodes จึงอยากจะหยิบเอาหัวข้อบทสทนาที่เคยได้คุยกันมาปัดฝุ่นเล่าให้อีกครั้งในชื่อรายการ SynBio Forum | วงในชีววิทยาเหนือธรรมชาติ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากหลายหน่วยงานในภาครัฐ นำโดยภาคีเครือข่ายชีววิทยาสังเคราะห์แห่งประเทศไทย หรือ Thailand SynBio Consortium สภาอุตสาหกรรมแห่งประเทศไทย (The Federation of Thai Industries – FTI) สำนักงานสภานโยบายการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรมแห่งชาติ (สอวช.) และ หน่วยบริหารและจัดการทุนด้านการเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของประเทศ (บพข.) เพื่อที่จะชวนนักวิจัย นักพัฒนาในด้าน SynBio มาแลกเปลี่ยนประสบการณ์และแนวคิดในประเด็นต่างๆ ให้กับผู้ฟังที่อาจจะไม่ได้ติดตามวงการอย่างใกล้ชิด

ชีววิทยาสังเคราะห์ก็ต้องเอาไว้ใช้สังเคราะห์

ใน EP นี้ เราขอชวนคุยในหัวข้อวัสดุชีวภาพและสารชีวเคมี “Biomaterials and Biochemicals” ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้ศาสตร์ชีววิทยาสังเคราะห์ (Synthetic Biology) ที่เรียกว่าจับต้องได้มากที่สุดในรูปของผลิตภัณฑ์ต่างๆ นับว่าเป็นสาขาวิชาที่ผสานความรู้ด้านพันธุวิศวกรรมเข้ากับวิทยาศาสตร์ชีวภาพและกายภาพ ไปจนถึงกลไกตลาดของการของห่วงโซ่อุปสงค์อุปทานไปพร้อมๆ กัน (Demand and Supply Chain) เพื่อเชื่อมโยงทั้งเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นในระดับสากลไปจนถึงกลไกตลาดของประเทศไทยเอง การเสวนานี้จึงได้เชิญนักวิจัยทำงานในด้าน Biochemicals และ Biomaterials ทั้งในไทยและต่างประเทศมาร่วมวงคุยไปด้วยกัน โดยมี อ. ควีน ผศ.ดร. พชร สัตยวรรธน์ นักวิศวกรรมเมตาบอลิคจากมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ และ พี่ณัฐ ณัฐวัฒน์ ลีฬหะกร นักวิจัยไฟแรงจากเดนมาร์คผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุใยแมงมุมสังเคราะห์  มาร่วมวงคุยกันโดยมี ไอซ์ ชลพิสิฐ เกียรติเสวี นักวิจัยหลังปริญญาเอกด้านชีววิทยาสังเคราะห์จาก MIT เป็นผู้ดำเนินรายการเช่นเดิม

ความแตกต่างระหว่างวัสดุชีวภาพและสารชีวเคมี

ก่อนอื่นเลยเราต้องมาอธิบายความแตกต่างของวัสดุชีวภาพและสารชีวเคมีกันเสียก่อน อ. ควีน อธิบายว่า วัสดุชีวภาพ (Biomaterials) มักหมายถึงวัสดุพื้นฐานที่สามารถนำไปขึ้นรูปใช้งานได้ในรูปแบบต่างๆ ได้ เช่น บรรจุภัณฑ์จากเส้นใยพืช หรือเส้นใยโปรตีนสำหรับสิ่งทอ ส่วนสารชีวเคมี (Biochemicals) เป็นสารเคมีที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น Bioethanol หรือสารกลิ่นหอมจากธรรมชาติ โดยความแตกต่างที่สำคัยจากวัสดุ/สารเคมีทั่วไปอยู่ตรงที่การได้มาของมัน วัสดุชีวภาพและสารชีวเคมีมีต้นกำเนิดจากสิ่งมีชีวิตหรือการบวนการทางเทคโนโลยีชีวภาพ ต่างจากวัสดุทั่วไปที่อาจจะมีคุณสมบัติเหมือนกันเป๊ะๆ แต่ว่ามีจุดเริ่มต้นการผลิตผ่านกระบวนการปิโตรเคมี (Petrochemical)

ในช่วงนี้เอง พี่ณัฐได้ถือโอกาสเล่าประสบการณ์การผลิตใยแมงมุมสังเคราะห์ (Synthetic Spider Silk) ซึ่งได้รับรางวัลชนะเลิศโครงการ iGEM (International Genetically Engineered Machine) ในปี 2022 โดยเริ่มจากแนวคิดผลิตสิ่งทอด้วยเส้นใยธรรมชาติอย่างใยแมงมุม แต่มี pain point อยู่ตรงที่ใยแมงมุมทั่วไปนั้นไม่ทนน้ำ ทางทีมวิจัยจึงเลือกแก้ปัญหาโดยเริ่มต้นการวิศวกรรมเส้นใยโปรตีนจากใยแมงมุมน้ำที่น่าจะทนน้ำได้ แสดงให้เห็นว่า synthetic biology สามารถค้นคว้ากระบวนการพัฒนาวัสดุใหม่ๆ ที่มีสมบัติเฉพาะได้ ในกระบวนการนี้เอง ทางทีมก็ได้เลือกประเด็นปัญหาที่สำคัญระดับโลกคือการประมง (fishery) ที่นิยมใช้แห (net) ในกระบวนการ จนเป็นที่มาของชื่อทีมและชื่อผลิตภัณฑ์หลักของทีมอย่าง Netlantis นี้เอง หากสนใจอยากศึกษาเพิ่มเติมสามารถเข้าไปศึกษาได้ตามเวบไซต์ของทีม (Netlantis)

ประสบการณ์การวิจัยจากต่างประเทศสู่ประเทศไทย

ลองย้อนมามองที่ฐานการผลิตในประเทศไทยดูบ้าง อ. ควีนเล่าถึงงานวิจัยระดับปริญญาเอกที่ Imperial College London ที่เน้นการออกแบบ Metabolic Pathway ในสิ่งมีชีวิตเพื่อผลิตสารที่มีมูลค่า เช่น Octanol ซึ่งใช้เป็นเชื้อเพลิง หรือสารแต่งกลิ่น ด้วยการแทรกเอนไซม์เฉพาะลงใน E. coli หรือ cyanobacteria ปัจจุบันแม้กลับมาทำงานที่ประเทศไทย ก็ยังคงสานงานวิจัยร่วมกันกับทีมที่อังกฤษ และนำเอาเทคนิคเหล่านี้มาประยุกต์ใช้กับการผลิต antibody ด้วยจุลินทรีย์ ซึ่งมีความท้าทายอยู่ตรงที่ระบบ post-translational modification ที่จุลินทรีย์ต่างๆ มักจะมีคุณสมบัติที่ต่างออกไปจากกระบวนการผลิตในมนุษย์หรือสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่นๆ ในอีกมุมมองหนึ่ง พี่ณัฐได้และเปลี่ยนประสบการณ์ด้าน yeast-based biosensors ซึ่งพัฒนาเซลล์ยีสต์ให้สามารถรับกลิ่น แล้วเปล่งแสงหรือเปลี่ยนสีตามสารเคมีที่สามารถรับรู้ได้ การใช้ yeast นี้มีข้อดีตรงที่มันเป็น eukaryotic host (ใกล้กับคนมากกว่าแบคทีเรีย) ที่โตเร็วและปรับตัวได้ดีในการผลิตสารบางชนิดมากกว่า E. coli ยกตัวอย่างเช่นการผลิตเบียร์หรือขนมปังต่างๆ ก็ใช้ยีสต์เป็นส่วนสำคัญในการผลิตอาหารเหล่านี้เอง ทำให้การพัฒนาพันธุ์นั้นสามารถเข้าถึงง่ายไม่น้อยหน้าไปกว่าแบคทีเรีย

UCopenhagen Grand Prize Winning Team at iGem 2022
(https://blog.igem.org/blog/2024/6/25/decoding-a-successful-igem-competition-team-project)

ข้อท้าทายและศักยภาพของชีววิทยาสังเคราะห์

การนำยีนจากสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปใส่อีกสิ่งมีชีวิตหนึ่งไม่ใช่เรื่องง่าย เช่น ถ้ายีนแสดงออกได้ใน E. coli ไม่ได้แปลว่าจะให้ผลลัพธ์แบบเดียวกันใน Yeast จึงต้องมีการปรับเปลี่ยนวิธีการอ่านรหัสทางพันธุกรรม หรือที่เรียกกว่ากระบวนการ Codon Pptimization เพื่อให้การแสดงออกของยีนมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น เมื่อลองเจาะลึกไปถึงประเด็นที่ว่า วัสดุหรือสารชีวภาพใด ที่คงจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้เลยหากไม่มีชีววิทยาสังเคราะห์ ทั้งสองนักวิจัยก็ได้ยกตัวอย่างสารเคมีทางการแพทย์อย่าง Insulin โปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นฮอร์โมนในการควบคุมน้ำตาลในเลือดที่จำเป็นอย่างในสำหรับผู้ที่เป็นโรคเบาหวาน (Diabetes) หรือภาวะที่ร่างกายไม่สามารถผลิตโปรตีนอินซูลินได้ตามที่ควร และเชื่อมโยงไปถึง วัคซีนโควิด ซึ่งเป็นผลผลิตจากการออกแบบระบบชีวภาพใหม่โดยตรงอย่าง mRNA vaccine ที่ใช้ RNA ที่ดัดแปลงโครงสร้างไปเพิ่มเพิ่มเสถียรภาพของโมเลกุล RNA ที่ส่งผลต่อการกระตุ้นภูมิคุ้มกันในคนได้เป็นอย่างดี

โอกาสของประเทศไทยในเวทีโลก

ในเมื่อวัสดุชีวภาพและสารชีวเคมีนั้นเป็นตลาดสำคัญของวงการชีววิทยาสังเคราะห์ ประเทศไทยจะสร้างความได้เปรียบในตลาดนี้ได้อย่างไรอย่าง นักวิจัยรับเชิญทั้งคู่เห็นตรงกันว่าประเทศไทยนั้นมีข้อได้เปรียบในด้านของความหลากหลายทางชีวภาพ (ฺBiodiversity) ซึ่งเห็นได้จากการเป็นแหล่งบ่มเพาะทางพันธุกรรมของของ แมลง พืช หรือจุลินทรีย์เฉพาะถิ่นมากมายที่ยังไม่ได้ถูกสำรวจอย่างเต็มที่ หากสามารถศึกษาชุดยีนที่ผลิตสารที่มีมูลค่าสูงได้ด้วยเทคโนโลยีภายในประเทศเอง แล้วนำเข้าสู่กระบวนการเพิ่มมูลค่าอย่างชีววิทยาสังเคราะห์ ก็จะช่วยให้การผลิตสารหรือวัสดุเหล่านั้นมีประสิทธิภาพสูง จนไม่ต้องพึ่งพาทรัพยากรธรรมชาติในปริมาณมากจนเกินไป อย่างไรก็ตาม งานวิจัยด้านนี้ยังเผชิญข้อจำกัดหลายประการ เช่น ค่าใช้จ่ายด้านวิเคราะห์สาร, โครงสร้างพื้นฐานด้านเครื่องมือ, และ กำลังคนที่เชี่ยวชาญเฉพาะทาง ซึ่งจำเป็นต้องได้รับการสนับสนุนจากทั้งภาครัฐ เอกชน และนักลงทุน เพื่อให้วงการชีววิทยาสังเคราะห์สามารถเติบโตเทียบเท่าและแข่งกันในเวทีโลกได้

Thai Biodiversity via Dynamic Habitat Index (DHI) over the 10 years of observations derived from 2002-2012 MODIS data.
(https://silvis.forest.wisc.edu/research/the-dynamic-habitat-index-and-biodiversity-in-thailand/) 

หมุดหมายที่สำคัญของวงการชีววิทยาสังเคราะห์

ในช่วงนี้สุด ทางผู้ร่วมวงสนทนาได้นำหยิบเอาประเด็นเชิงนโยบายมาแลกเปลี่ยนกันในมุมมองของนักวิจัย โดยพี่ณัฐเห็นว่าระบบนิเวศด้านนโยบายยังต้องเปิดกว้างและสื่อสารกันมากขึ้น ขณะที่ อ.ควีนเน้นย้ำว่าทรัพยากรมนุษย์ก็มีความสำคัญไม่แพ้เครื่องมือ “หากไม่มีคนสานต่อ แม้จะมีความรู้ ก็ไปต่อไม่ได้” ดังน้น การสร้างเครือข่าย SynBio Consortium ของไทยจึงเป็นก้าวที่สำคัญ และส่งเสริมให้เกิดการต่อยอดงานวิจัยสู่ภาคธุรกิจได้ พี่ณัฐได้ยกตัวอย่างงานวิจัยที่เริ่มต้นจากในแลบอย่าง EvodiaBio ที่มีกระบวนการง่ายๆ ไม่ซับซ้อน สำหรับการผลิตกลิ่นหอมสกัดจากยีสต์ที่เริ่มต้นจากในแลบและต่อยอดเป็นบริษัท start-up ได้จริงๆ ในมหาวิทยาลัยที่พี่ณัฐทำงานอยู่ที่เดนมาร์ค ทั้งนี้ทั้งนั้น การจะเปลี่ยนองค์ความรู้ให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ได้ ต้องอาศัยการมีส่วนร่วมจากทุกภาคส่วน ไม่ว่าจะเป็นนักวิจัย นักลงทุน หน่วยงานภาครัฐ ไปจนถึงประชาชนที่ต้องเชื่อมั่นในความสามารถและผลิตภัณฑ์จากฝีมือนักประดิษฐ์คนไทยในประเทศ โดยทั้งผู้ร่วมเสวนาและทีมงานเบื้องหลังก็คาดหวังว่าผู้สนใจช่วยกันกระจายข่าว เพื่อจุดประกายให้วงการชีววิทยาสังเคราะห์ไทยเดินหน้าต่อไปอย่างเข้มแข็ง

Recap TL; DR

• ความแตกต่างของวัสดุชีวภาพ vs สารเคมีชีวภาพ

   

  • • Biomaterials: ใช้ในการผลิต เช่น บรรจุภัณฑ์จากธรรมชาติ

    • Biochemicals: สารขนาดเล็ก เช่น bioethanol, สารกลิ่นหอม

    • ความต่างจากสารทั่วไป: แหล่งที่มา (จากสิ่งมีชีวิตแทนการสังเคราะห์จากปิโตรเคมี)

    • ตัวอย่างงานวิจัย เช่น ใยแมงมุมน้ำ (Spider Silk) จากโครงการ iGEM Octanol / Octyl acetate  ผลิตจาก E. coli และ cyanobacteria เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงหรือกลิ่น Yeast-based biosensor ใช้รับกลิ่น

• เทคโนโลยีและความท้าทาย

   

  • • Yeast โตเร็ว ทนต่อสารแปลกปลอมได้ดี เหมาะกับการผลิต

    • Cyanobacteria สังเคราะห์แสงได้ แต่โตช้า ต้องหา toolkit ใหม่

    • Codon optimization: สำคัญต่อการแสดงออกของยีนใน host ต่างชนิด

    • Platform chemicals / Protein therapeutics ต้องใช้ synbio ถึงผลิตได้ เช่น insulin, mRNA vaccine

• ศักยภาพของประเทศไทย

   

  • • มี Biodiversity สูง → แหล่งยีนจากพืช สมุนไพร แมลง จุลินทรีย์

    • สามารถใช้จุลินทรีย์ผลิตสารสำคัญทดแทนการปลูกพืชเฉพาะถิ่น

    • สมุนไพรไทยยังขาดการศึกษา pathway เชิงลึก → เป็นโอกาสของ synbio

• ตัวอย่างการประยุกต์

   

  • • Antibody จาก E. coli → ทางเลือกต้นทุนต่ำกว่าการใช้ mammalian cells

    • EvodiaBio: บริษัทผลิตกลิ่นหอมจาก yeast → โมเดลที่ไทยสามารถพัฒนาได้

• ข้อจำกัดที่ยังต้องพัฒนา

   

  • • เครื่องมือและโครงสร้างพื้นฐาน: เช่น HPLC, GC-MS ยังเป็นคอขวดต่อการพัฒนา

    • ทรัพยากรมนุษย์: ขาดคนสานต่องานวิจัย

    • นโยบาย/การสนับสนุนจากรัฐ: ต้องสื่อสารให้ตรงจุดผู้กำหนดนโยบาย

• ข้อเสนอแนะและแรงบันดาลใจ

   

  • เปิดรับนักศึกษาและผู้สนใจเข้าสู่ SynBio Consortium

  • สร้าง Ecosystem ที่เชื่อมโยงนักวิจัย นักธุรกิจ และรัฐ

  • เปลี่ยนประเทศไทยจากผู้ใช้เป็น “ผู้ผลิต” ที่ใช้จุดแข็งด้านชีวภาพของเราให้เกิดมูลค่า