วิวัฒนาการ… สร้างนวัตกรรม… ทำซ้ำ: นักวิทยาศาสตร์ลอกชั้นของวิวัฒนาการและนวัตกรรมที่เป็นโฮสต์ของไวรัสกลับคืนมา

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าหากสายพันธุ์ดั้งเดิมของ SARS-CoV-2 ซึ่งเป็นไวรัสที่ทำให้เกิด COVID-19 ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง การระบาดใหญ่จะจบลงทันที ในทางกลับกัน ไวรัสได้กลายพันธุ์หลายครั้ง นำไปสู่สายพันธ์ที่แพร่ระบาดและการติดเชื้อโควิดอย่างต่อเนื่อง

สิ้นสุดการวิจัย 10 ปี การศึกษาโดยนักวิทยาศาสตร์ของ University of California San Diego ได้เปิดเผยความเข้าใจใหม่ที่น่าสนใจว่าไวรัสและโฮสต์ที่ไวรัสแพร่ระบาดนั้นพัฒนานวัตกรรมใหม่เพื่อเอาชนะกันได้อย่างไร Animesh Gupta ซึ่งเคยอยู่ใน UC San Diego Department of Physics (ปัจจุบันอยู่ที่ Generate Biomedicines Inc.) รองศาสตราจารย์ Justin Meyer จาก School of Biological Sciences และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ และทำการทดลองหลายชุดเพื่อเปิดเผยการเปลี่ยนแปลงที่ไวรัสและโฮสต์ได้รับ การแข่งขันเอาชีวิตรอดอย่างต่อเนื่อง

นักวิจัยได้ให้หลักฐานใหม่เกี่ยวกับบทบาทของวิวัฒนาการร่วมกันในการขับเคลื่อนการปรับตัวใหม่ ๆ ตามที่อธิบายไว้ในวารสาร eLifeนัก วิจัยพบว่าวิวัฒนาการร่วมขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงในสมรรถภาพโดยรวมของสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียเป็นที่รู้จักกันดีในการพัฒนาการต่อต้านการติดเชื้อไวรัส ซึ่งทำให้ไวรัสปรับตัวเพื่อรับมือกับการต่อต้าน ซึ่งนำไปสู่การกลายพันธุ์ใหม่ที่สร้างทางเข้าใหม่

“มีการเต้นรำไปมาเพื่อการปรับตัวและการต่อต้าน ขั้นแรกไวรัสจะกลายพันธุ์และเพิ่มแรงกดดันต่อแบคทีเรีย จากนั้นแบคทีเรียจะตอบสนองด้วยการพัฒนาความต้านทาน และไวรัสสร้างนวัตกรรมเพื่อเอาชนะการดื้อยา” เมเยอร์ นักวิจัยจากภาควิชานิเวศวิทยา พฤติกรรมและวิวัฒนาการ กล่าว “ไวรัสสามารถสร้างสรรค์สิ่งใหม่ ๆ ในความรู้สึกทางพันธุกรรมแบบวิวัฒนาการได้เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำอีกและเร็วกว่าที่เราคาดไว้เนื่องจากการแข่งขันทางอาวุธที่มีวิวัฒนาการอย่างต่อเนื่อง”

นับตั้งแต่สมัยของดาร์วิน นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่าในระหว่างการต่อสู้เพื่อเอาชีวิตรอด เป็นที่รู้กันว่ามีวิวัฒนาการหน้าที่ใหม่ๆ เพื่อปรับตัวให้เข้ากับความท้าทายและโอกาสทางนิเวศวิทยาใหม่ๆ แต่แนวคิดเหล่านี้จำนวนมากมีพื้นฐานมาจากวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตเพียงตัวเดียว ไม่ค่อยมีใครรู้ว่าวิวัฒนาการของสปีชีส์หนึ่งมีอิทธิพลต่อการวิวัฒนาการของอีกสปีชีส์อย่างไร เนื่องจากสิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ทฤษฎีต่างๆ ได้เสนอแนะว่าการวิวัฒนาการร่วมกันระหว่างสปีชีส์ช่วยเพิ่มโอกาสของนวัตกรรมใหม่ ๆ โดยการเปลี่ยน “ภูมิสมรรถภาพทางกาย” ของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเป็นการวัดสมรรถภาพทางพันธุกรรมในวงกว้าง

เมื่อเมเยอร์และเพื่อนร่วมงานของเขาได้สำรวจแนวคิดเหล่านี้เป็นครั้งแรกเมื่อ 10 ปีที่แล้ว เทคโนโลยีไม่สามารถวัดรายละเอียดได้อย่างเพียงพอว่าภูมิทัศน์ด้านฟิตเนสดังกล่าวสามารถเปลี่ยนแปลงไปในความรู้สึกของดาร์วินได้อย่างไร เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้น Meyer ได้ใช้เทคโนโลยีการแก้ไขยีนที่มีปริมาณงานสูง – phenotyping ซึ่งทำให้เขาและเพื่อนร่วมงานสามารถวัดภูมิทัศน์การออกกำลังกายของไวรัส (แบคทีเรีย) หลายร้อยตัวและการวิวัฒนาการร่วมกันกับโฮสต์ของพวกมัน (แบคทีเรีย Escherichia coli หรือ E. โคไล ).

เทคโนโลยีใหม่ที่เกิดขึ้นช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถติดตามการกลายพันธุ์ของการกลายพันธุ์โดยการกลายพันธุ์แบบโต้ตอบไปมาได้ ผลลัพธ์ที่ได้นำเสนอมุมมองที่สดใหม่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของภูมิทัศน์ฟิตเนสของไวรัสแบคทีเรีย

“ด้วยการเชื่อมโยงเทคโนโลยีหลายอย่าง รวมถึงวิศวกรรมจีโนมกับการจัดลำดับยุคหน้าที่ช่วยให้เราสามารถนับการกลายพันธุ์ เราสามารถวัดได้ว่าพวกมันแข่งขันกันเองอย่างไร” เมเยอร์กล่าว “เราสามารถเห็นการเปลี่ยนแปลงระหว่างการวิวัฒนาการร่วมกัน และเห็นถึงสิ่งที่ทำให้เกิดการกลายพันธุ์ใหม่”

ภายในการแข่งขันด้านอาวุธวิวัฒนาการระหว่างไวรัสและโฮสต์เช่น bacteriophages (แลมบ์ดา) และ E. coli นักวิทยาศาสตร์ของ UC San Diego ได้สำรวจหลายขั้นตอนของการปรับตัวและนวัตกรรมในการต่อสู้อย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาความสามารถในการแข่งขัน Meyer Lab, UC ซานดิเอโก
ผลการวิจัยพบว่าความฟิตของจีโนไทป์ของไวรัสเกือบทุกประเภทขึ้นอยู่กับโฮสต์ที่ติดเชื้อ ทำให้เป็นการอุปมาของ “ภูมิทัศน์” แบบคงที่เพื่ออธิบายการออกกำลังกายแบบวิวัฒนาการ นักวิจัยเริ่มใช้คำว่าฟิตเนส “ซีสเคป” ซึ่งสะท้อนคลื่นคงที่ของการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิก เป็นตัวอธิบายที่แม่นยำยิ่งขึ้น

“การศึกษาครั้งนี้เป็นหลักฐานโดยตรงเกี่ยวกับบทบาทของวิวัฒนาการร่วมกันในการขับเคลื่อนความแปลกใหม่ของวิวัฒนาการและเป็นกรอบเชิงปริมาณสำหรับการทำนายวิวัฒนาการในชุมชนนิเวศวิทยาที่มีวิวัฒนาการร่วมกัน” ผู้เขียนเขียนในการศึกษาของพวกเขา “การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าความสมบูรณ์ของปรสิตขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ทางพันธุกรรมที่ซับซ้อนภายในจีโนมของตัวมันเองและกับจีโนมของโฮสต์ที่มีปฏิสัมพันธ์ การพึ่งพาอาศัยกันเหล่านี้ส่งผลให้เกิดวิวัฒนาการที่อาจเกิดขึ้นได้…”

ด้วยเทคโนโลยีใหม่และข้อมูลเชิงลึกใหม่ ๆ ที่อยู่ในมือ เมเยอร์และเพื่อนร่วมงานของเขาจะมุ่งเน้นไปที่ฟิตเนสซีสเคปประเภทต่างๆ โครงสร้างของพวกเขา และประเภทของฟิตเนสวิวัฒนาการที่จะเกิดขึ้น

ด้วยไวรัสเช่น SARS-CoV-2 แนวทางการวิจัยใหม่ ๆ จึงพร้อมที่จะช่วยในการกำหนดหลักการทั่วไปสำหรับวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตดังกล่าว ข้อมูลดังกล่าวสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์เส้นทางวิวัฒนาการของไวรัสได้ดีขึ้น

“เราต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกลายพันธุ์ในรอบถัดไป ซึ่งจะทำให้ไวรัสสามารถรอดพ้นจากภูมิคุ้มกันในอนาคต” เมเยอร์กล่าว “เราจะเข้าใจได้ว่าไม่ใช่แค่รอบเดียวแต่เป็นหลายรอบในอนาคตได้ไหม”

ผู้ร่วมวิจัย ได้แก่ Animesh Gupta, Luis Zaman, Hannah Strobel, Jenna Gallie, Alita Burmeister, Benjamin Kerr, Einat Tamar, Roy Kishony และ Justin Meyer เงินทุนสำหรับการวิจัยจัดทำโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (1934515) มูลนิธิ James McDonnell และมูลนิธิ Max Planck

หน้าแรก