OMICs ศาสตร์แห่งการไขความลับทางชีววิทยา (Chapter 2: Proteomics)

            สวัสดีครับ กลับมาพบกันอีกครั้งกับบทความ “OMICs ศาสตร์แห่งการไขความลับทางชีววิทยา” หลังจากที่เราได้ทราบถึงความหมายและความสำคัญของการศึกษา OMICs กันไปแล้วใน Chapter 1 ในบทความนี้เราจะลงลึกไปถึงรายละเอียดของแต่ละ OMICs ย่อยๆ โดยเริ่มกันที่ Proteomics ไปติดตามกันได้เลยครับ

            ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักกับคำว่า Proteomics ให้ดีขึ้นกันก่อนครับ “โปรตีโอมิกส์ (Proteomics)” เป็นศาสตร์ที่ว่าด้วยการศึกษาโปรตีนทุกชนิดที่พบได้ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตหนึ่งๆ ซึ่งประโยชน์จากการที่เราศึกษา Proteomics นี้ทำให้เราสามารถที่จะเห็นภาพรวมของโปรตีนต่างๆที่เกิดขึ้นทั้งหมด (Protein Profile) รวมไปถึงปริมาณของโปรตีนแต่ละชนิดได้อย่างง่ายดายและรวดเร็ว เพราะเราสามารถที่จะตรวจและวัดโปรตีนเป็นพันๆชนิดได้ในเวลาเดียวกัน เหตุจำเป็นที่เราต้องมาศึกษา Proteomics แยกออกมาอีกขั้นตอนหนึ่ง เนื่องจากใน Chapter 1 เราจะเห็นว่าการศึกษาศาสตร์เพียงศาสตร์เดียว ไม่สามารถตอบโจทย์ของกลไกการเกิดกระบวนการต่างๆได้อย่างครอบคลุม เช่น หนอน ดักแด้ และผีเสื้อ ล้วนแล้วแต่มีสารพันธุกรรม (Gene) ที่เหมือนกัน แต่สิ่งที่แตกต่างกันออกไปในแต่ละช่วงชีวิตก็คือ มีการแสดงออกของ Protein และสาร Metabolite ที่แตกต่างกัน (เพราะในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงจะมีกระบวนการตกแต่ง ดัดแปลง ทั้ง mRNA และ Protein อีกหลายขั้นตอน ทำให้เราไม่สามารถทำนายชนิดของ Protein โดยดูจาก Gene ได้นั่นเอง)

มาถึงตรงนี้ท่านผู้อ่านคงอยากทราบแล้วใช่มั้ยครับว่านักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาโปรตีนเป็นพันๆชนิดในเวลาเดียวกันได้อย่างไร???
            เทคโนโลยีสำคัญที่นักวิทยาศาสตร์นำมาใช้ในการศึกษา Proteomics ก็คือ เทคนิคการแยกสารด้วยของเหลว (Liquid Chromatography, LC) ร่วมกับการวิเคราะห์ชนิดและปริมาณของโปรตีนด้วยน้ำหนักมวล (Mass Spectrometry, MS) เทคนิคดังกล่าวจำเป็นอย่างยิ่งเนื่องจาก โปรตีนที่เราสามารถพบได้ในเซลล์หนึ่งๆนั้น มีปริมาณและความหลากหลายอย่างมาก เช่น โปรตีนทั้งหมดที่พบในแบคทีเรีย Escherichia coli มีประมาณ 3,500 – 4,000 ชนิดเลยทีเดียว เราจึงต้องนำเทคนิค Liquid Chromatography ซึ่งสามารถช่วยในการแยกโปรตีนแต่ละชนิดตามลักษณะความเป็นขั้ว (Polarity) หลังจากนั้นใช้เทคนิค Mass Spectrometry ที่สามารถระบุน้ำหนักมวล มาช่วยระบุชนิดและปริมาณของโปรตีนแต่ละตัว โดยนำไปเปรียบเทียบกับฐานข้อมูลด้านโปรตีน (Protein Database) 

เพื่อให้ท่านผู้อ่านเข้าใจและเห็นภาพรวมของการศึกษา Proteomics ได้มากขึ้น วันนี้เรามีตัวอย่างการศึกษา Proteomics รวมไปถึงการแปลผลอย่างง่ายๆ ให้ท่านผู้อ่านได้คิดตามเป็นขั้นตอน ดังนี้ครับ

โจทย์การศึกษาวิจัย: ต้องการศึกษาว่าระหว่างหนูตัวที่ 1 ซึ่งเป็นหนูที่สุขภาพแข็งแรงดี กับหนูตัวที่ 2 ที่พบว่าเป็นโรคตับชนิดหนึ่ง มีโปรตีนอะไรที่แตกต่างกันบ้าง (ซึ่งแปลว่าโปรตีนเหล่านี้อาจจะมีผลต่อการเกิดโรคในหนูตัวที่ 2 นั่นเอง)

ขั้นตอนการศึกษา:

1. เริ่มด้วยการนำเซลล์ตับจากหนูทั้งสองตัวมาสกัดเพื่อนำเฉพาะโปรตีนออกมา แล้วนำโปรตีนที่ได้ไปย่อยด้วยเอนไซม์ Trypsin ได้เป็น สายเปปไทด์ (Peptide) สายสั้นๆจำนวนมาก ในขั้นตอนนี้จะช่วยทำให้การวิเคราะห์ด้วย LCMS ทำได้ง่ายมากขึ้น
2. นำสายเปปไทด์จำนวนมากที่ได้ไปแยกชนิดตามความมีขั้วด้วย Liquid Chromatography พร้อมกับวิเคราะห์น้ำหนักมวลของแต่ละสายเปปไทด์ด้วย Mass Spectrometry
3. นำข้อมูลน้ำหนักมวลของแต่ละสายเปปไทด์ ไปเปรียบเทียบกับฐานข้อมูลด้านโปรตีน ซึ่งในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกช่วยกันเพิ่มข้อมูลต่างๆเหล่านี้ให้ครอบคลุมโปรตีนทุกชนิดที่พบมากขึ้นเรื่อยๆ

 ตัวอย่างข้อมูลที่ได้และการแปลผล

1. พบความแตกต่างของจำนวนชนิดของโปรตีนทั้งหมด โดยในหนูปกติ พบโปรตีนทั้งหมด 4985 ชนิด ในขณะที่หนูตัวที่ 2 พบน้อยกว่าที่ 4657 ชนิด อาจแปลผลได้ว่าการเกิดโรคตับในหนูทำให้ตับสูญเสียการทำงานและสามารถผลิตโปรตีนบางอย่างได้น้อยลง
2. เมื่อพิจารณาระดับการแสดงออกของโปรตีน X พบว่า ทั้งในหนูปกติและหนูเป็นโรค มีระดับการแสดงออกเท่ากัน ซึ่งอาจแปลผลได้ว่าโปรตีนนี้ไม่น่าจะเกี่ยวข้องกับการเกิดโรค
3. เมื่อพิจารณาระดับการแสดงออกของโปรตีน Y พบว่า เฉพาะหนูที่เป็นโรคเท่านั้นที่พบโปรตีนชนิดนี้ ในขณะที่หนูปกติไม่พบเลย เป็นไปได้อย่างสูงว่าโปรตีน Y เป็นโปรตีนสำคัญที่ส่งผลต่อการเกิดโรค ซึ่งอาจนำมาใช้เป็นโปรตีนบ่งชี้โรค (Protein Marker) ในอนาคตได้
4. เมื่อพิจารณาระดับการแสดงออกของโปรตีน Z พบว่า ในหนูปกติพบโปรตีน Z สูงกว่าหนูเป็นโรค เป็นไปได้ว่าโปรตีน Z นี้ ถ้าแสดงออกในระดับสูงอาจช่วยในการป้องกันโรคได้

เป็นอย่างไรกันบ้างครับ เราหวังว่าท่านผู้อ่านคงจะพอเข้าใจและเห็นประโยชน์ของการศึกษา Proteomics กันมากขึ้น ซึ่งจากตัวอย่างโจทย์การศึกษาวิจัยดังกล่าว ท่านผู้อ่านจะเห็นข้อดีของการศึกษา Proteomics ว่าเราสามารถที่จะทราบถึงปริมาณและชนิดของโปรตีนทั้งหมดเป็นพันๆชนิดทั้งที่เกี่ยวข้องหรือไม่เกี่ยวข้องกับการเกิดโรคได้ในเวลาเดียวกัน ตัวอย่างโจทย์ดังกล่าวเป็นเพียงตัวอย่างการศึกษาง่ายๆเท่านั้น หากแต่ในความเป็นจริงแล้วนักวิทยาศาสตร์สามารถประยุกต์และออกแบบการทดลองเพื่อแก้โจทย์การวิจัยที่มีความซับซ้อนกว่านี้ได้อีกมากมาย โดยอาศัยพื้นฐานและเทคนิควิเคราะห์เดียวกันนี้นั่นเองครับ โดยท่านผู้อ่านสามารถเข้าไปอ่านข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติม และบทความอื่นๆที่น่าสนใจได้ที่
• http://planetorbitrap.com/bottom-up-proteomics#.XIFM6ygzaUk
• www.scispec.co.th
ในบทความต่อไป เราจะไปเรียนรู้ในศาสตร์ย่อยถัดไปของ OMICs ได้แก่ Metabolomics แล้วอย่าลืมกดติดตามเพจ https://www.facebook.com/scispec เพื่อไม่ให้พลาดบทความและสาระดีๆจากเรานะครับ