biological clock

เย็นย่ำแล้ว พักผ่อน .. ไปชงกาแฟอุ่นๆ กับขนมปุยฝ้ายสีสดใสหอมๆ มานั่งที่เก้าอี้นุ่มๆ แล้วอ่านบทความ "ไขปริศนาแห่งเวลา"

นานมาแล้วที่เราเฝ้าสงสัยเรื่องของเวลาและตัวกำหนดเวลา หลายปีก่อนผลงานของ สตีเฟ่น ฮอว์กิ้ง เรื่องประวัติของกาลเวลาที่อธิบายเรื่องของเวลาในเชิงฟิสิกส์และเอกภพ แต่สิ่งที่จะมาบอกวันนี้เป็นเวลาและนาฬิกาของสิ่งมีชีวิต ที่เราเรียกว่า biological clock
นานเช่นกันที่เราเฝ้าสงสัยว่า วงจรชีวิตของเรา วงจรชีวิตของสิ่งมีชีวิตต่างๆ มันปรับตัวเข้ากับโลกที่หมุนรอบตัวเองในรอบ 24 ชั่วโมงอย่างไร หรือเราเคยชิน หรือเราอยู่ใต้แสงแดด อะไรที่เป็นตัวกำหนดเวลาในร่างกายของเรา เมื่อวานนี้นักวิทยาศาสตร์สามคนคือ Jeffrey Hall (Brandeis University in Boston) Michael Young (Rockefeller University in New York) and Michael Rosbash (Brandeis University in Boston) ได้ร่วมกันไขปริศนาของนาฬิกาแห่งชีวิตได้สำเร็จ

ในช่วงแรกมีการทดลองของนักดาราศาสตร์ Jean Jacques d'Ortous de Mairan ในศตวรรษที่ 18 สังเกตการ "หลับ" ของใบไม้ คือมีการเหี่ยวลงในช่วงกลางคืนและ "ตื่น" คือกลับมาสดในช่วงกลางวัน โดยต้นไม่นี้อยู่ในกระถางในบริเวณที่มีแสงแดดส่องถึง
เขาจึง "แกล้ง" โดยการนำไปอยู่ในห้องมืดๆดูสิว่า ต้นไม้จะยังหลับและตื่นในเวลาเดิมไหม คำตอบคือ ต้นไม้ใบไม้ ก็ยังหลับตื่นในเวลาเดิม
ตอนนั้นเขาสรุปว่าน่าจะมี นาฬิกาอยู่ในต้นไม้และต้นไม้ก็เชื่อนาฬิกาของมัน อาจจะไม่ใช่แสงแดดอย่างที่เข้าใจ ...เอ หรือว่า เวลาในตัวกับเวลาของโลก มันบังเอิญตรงกัน

เพื่อที่จะไขปริศนานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาค้นคว้าทดลองเรื่องนาฬิกาของสิ่งมีชีวิต จากโมเดลคือ fruit fly หรือ แมลงหวี่ ทำไมต้องเป็นแมลงหวี่ เพราะเพาะพันธุ์ง่าย เร็ว วงจรชีวิตสั้น ทำให้เห็นการเปลี่ยนแปลงเชิงพันธุกรรมรุ่นต่อรุ่นได้เร็ว
Ron Konopka และ Seymour Benzer ได้สังเกตว่าเจ้าแมลงหวี่ทำงาน 12 ชั่วโมง นอน 12 ชั่วโมง มีนาฬิกาเป็นของตัวเอง แต่ในจำนวนไม่กี่ตัวกลับมีเวลาเหลื่อมล้ำตัวอื่น เมื่อศึกษาไปจึงพบว่าเกิดการกลายพันธุ์ของยีนตัวหนึ่ง นั่นคือต้นกำเนิดของการศึกษา period gene ยีนที่ใช้ควบคุมนาฬิกาสิ่งมีชีวิต (ชื่อว่า period gene เลยนะ)
แต่ว่าจนแล้วจนรอด ตลอดเกือบ 50 ปีที่ผ่านมา ยังไม่มีใครเข้าใจกลไกของยีนว่ามันทำงานในการควบคุมวงจรชีวิตได้อย่างไร

Michael Rosbuah และ Jeffry Hall ได้ค้นพบว่า เจ้ายีน period มันส่งสัญญาณไปสร้างโปรตีนชื่อว่า PER protein โดยการสร้างจะสร้างออกมาเรื่อยๆ จนถึงจุดๆหนึ่งแล้วก็หยุดสร้าง เมื่อหยุดสร้างโปรตีน PER ก็จะถูกสลายลงไปเรื่อยๆจากกระบวนการในเซล เมื่อถูกทำลายไปเรื่อยๆ ถึงจุดหนึ่งก็ไปส่งสัญญาณให้ ยีน period สร้างโปรตีนขึ้นมาใหม่อีก
(ยีนจะสร้างตัวพิมพ์เขียวของโปรตีนที่ชื่อ messenger RNA เพื่อไปสร้างโปรตีนในเซล แต่นอกศูนย์สั่งการนิวเคลียส)
วนไปเรื่อยๆ โดยใช้ระดับโปรตีน PER ที่เพิ่มขึ้นและลดลง ซ้ำๆเป็นรอบๆ เกิดเป็นวงรอบนาฬิกาในแมลงหวี่ขึ้นมา (คือการควบคุมการทำงานของ ยีนperiod นั่นเอง)
เจ้าแมลงหวี่ที่มีการกลายพันธุ์ตรงยีน period มันจะควบคุมรอบการสร้างโปรตีนนี้ไม่ได้ ก็ไม่สามารถสร้างนาฬิกาชีวิตขึ้นมาได้ ขณะนั้น ได้จุดประกายแล้วล่ะว่า ยีน period นี่แหละ น่าจะเป็น นาฬิกาของสิ่งมีชีวิต

แต่...!!! อยู่ดีๆ ทำไมโปรตีน PER ที่สร้างออกมาเรื่อยๆ จึงกลับไปบอกยันกับยีน period ว่ากรุณาหยุดสร้างได้แล้ว เพื่อจะได้เกิดเป็นรอบนาฬิกาเสียที

Michael Young ก็ได้ค้นพบยีนตัวที่สองที่ชื่อ timeless gene และยีนตัวนี้ก็มีการสร้างโปรตีนชื่อ TIM เอาล่ะนี่คือประเด็น เมื่อเจ้าโปรตีนทั้งสองคือ PER และ TIM เกิดขึ้นมากพอในเซล ซึ่งต้องใช้เวลาประมาณหนึ่ง เจ้าโปรตีนทั้งสองตัวนี้จะเกิดรวมตัวกัน (ย้ำอีกรอบ มันจะรวมตัวกันเมื่อมันสร้างออกมามากระดับหนึ่ง น้อยๆจะยังไม่รวมกัน) เมื่อรวมตัวกันมันจะสามารถทะลวงกลับเข้าไปในนิวเคลียส ไปบอกยีน peroid และ timeless ว่า
มีโปรตีนมากเกินไปแล้วนะ กรุณาหยุดสร้าง ก็จะหยุดสร้าง ระดับโปรตีน TIM และ PER ก็จะลดลง จนเป็นสัญญาณบอกว่าให้เริ่มสร้างใหม่ได้แล้ว

วงรอบที่ยีนสร้างโปรตีนแล้วหยุด สร้างแล้วหยุด สร้างแล้วหยุด วนไปเรื่อยๆ นี่แหละคือ นาฬิกา "เช้ากับมืด" "กลางวันกับกลางคืน" หลับกับตื่น" ของสิ่งมีชีวิต

เรียกได้ว่านักวิทยาศาสตร์ทั้งสามท่าน ได้ค้นพบและอธิบายกลไกของนาฬิกาในร่างกายสิ่งมีชีวิตได้อย่างสมบูรณ์ แม้ให้หลังจะมีการค้นพบยีนและโปรตีนอีกหลายตัวที่เกี่ยวกับการควบคุมการทำงานของ period และ timeless และบางตัวก็สัมพันธ์กับแสงแดด ทำให้เราสามารถปรับนาฬิกาจูนนาฬิกาตัวเองให้เท่ากับ 12 ชั่วโมงกลางวัน และ 12 ชั่วโมงกลางคืนได้ เหมือนกับวงรอบของเวลาโลก เวลาจักรภพ ของสตีเฟ่น ฮอว์กิ้งส์

ว้าว !!!!

เวลาของนาฬิกาชีวิต และ เวลาโลก มีความสัมพันธ์กัน และนาฬิกาชีวิตก็จะกำหนดพฤติกรรมการหลั่งฮอร์โมน การควบคุมอุณหภูมิ การเผาผลาญ หรือวงจรการหลับตื่น ที่เวลาเกิด jet lag จะมีผลมาก (ทำลิงก์เรื่อง เจ๊ตแล็ก ไว้ด้านล่างนะ เผื่อใครอยากอ่านอีกรอบ) เราเคยคิดว่าร่างกายยึดกับเวลามาตรฐานสากลแต่ไม่ใช่...
ร่างกายยึดตามเวลามาตรฐานแห่งสิ่งมีชีวิตแต่ละสปีชีส์ ที่เรียกว่า biological clock นั่นเอง

รางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือทางการแพทย์ในปีนี้ ตกเป็นของสามนักวิทยาศาสตร์ ช่างซ่อมนาฬิกาชีวิตผู้ยิ่งใหญ่นี่เอง

http://medicine4layman.blogspot.com/2017/08/jet-lag.html ... เจ็ตแล็ก

ส่วนช่างซ่อมรถเมื่อเช้า หายตัวไปอย่างลึกลับ