บราซิลพัฒนาอ้อยพันธุ์ CRISPR ได้สำเร็จเป็นครั้งแรกของโลก

The Flex sugarcanes respond to challenges of the sector and facilitate the production of (first and second generation) ethanol and the extration of other bioproducts. In the photo, Flex II

จากข้อมูลของ Normative Resolution 16 (RN 16) โดยคณะกรรมการแห่งชาติบราซิลว่าด้วยเทคนิคความปลอดภัยทางชีวภาพ (CTNBio) ที่เผยแพร่เมื่อวันที่ 9 ธันวาคม 2564 นักวิทยาศาสตร์จาก Embrapa Agroenergy ได้พัฒนาอ้อยดัดแปลงยีนตัวแรกของโลกที่จัดว่าปราศจากการดัดแปลงพันธุกรรม (โดยผ่านการแก้ไขจีโนมที่ปราศจากดีเอ็นเอ) ต้นอ้อยที่ว่านี้คือพันธุ์ Flex I และ Flex II ซึ่งมีความสามารถในการย่อยได้ตามผนังเซลล์ที่สูงขึ้นตามลำดับและมีซูโครสเข้มข้นในเนื้อเยื่อมากขึ้น โดยอ้อยพันธุ์นี้ตอบสนองอย่างน่าสนใจที่สุดประการหนึ่ง นั่นคือ มีการเพิ่มการเข้าถึงของเอ็นไซม์ไปยังน้ำตาลที่ถูกขังในเซลล์ ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการผลิตเอทานอล (รุ่นที่หนึ่งและสอง) และการสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพอื่นๆ เป็นต้น

                อ้อยพันธุ์ Flex I เป็นผลมาจากการปิดยีนที่ทำหน้าที่สร้างความแข็งแกร่งของผนังเซลล์ โครงสร้างนี้ได้รับการแก้ไขและแสดง “ความสามารถในการย่อย” ที่สูงขึ้น กล่าวคือ มีการปล่อยให้เข้าถึงการโจมตีของเอนไซม์ได้มากขึ้นในระหว่างขั้นตอนการ hydrolysis ด้วยเอนไซม์ ซึ่งเป็นกระบวนการทางเคมีที่สกัดสารประกอบจากชีวมวลของพืช

อ้อยพันธุ์ Flex II มีน้ำตาลซูโครสมากกว่า

ในขณะเดียวกัน อ้อยพันธุ์ที่สองถูกสร้างขึ้นโดยการปิดยีนในเนื้อเยื่อ ซึ่งทำให้เกิดการผลิตซูโครสเพิ่มขึ้นอย่างมากในลำต้นของตัวต้นแบบ นั่นคือ Setaria viridis

อูโก โมลินารี นักวิทยาศาสตร์จาก Embrapa Agroenergy

อูโก โมลินารี นักวิทยาศาสตร์จาก Embrapa Agroenergy อธิบายว่า เมื่อลักษณะของการสะสมน้ำตาลในลำอ้อยนี้ได้รับการระบุแล้ว จะมีการถ่ายทอดข้อมูลนี้ไปยังต้นอ้อย ซึ่งเป็นเป้าหมายของการวิจัย เพราะน้ำตาลซูโครสในลำอ้อยจะเพิ่มขึ้นอีกประมาณ 15% ควบคู่ไปกับการเพิ่มขึ้นของน้ำตาลอื่นๆ ที่มีอยู่ เช่น กลูโคสและฟรุกโตส ทั้งในตัวอ้อยและในเนื้อเยื่ออ้อย

ทีมนักวิจัยยังได้สังเกตการเพิ่มขึ้นของน้ำตาลในใบอ้อยประมาณ 200% และทำการทดสอบเพื่อดูว่ายีนมีปฏิกิริยาต่อการปรับ กระบวนการ saccharification หรือไม่ ซึ่งเป็นการเปลี่ยนเซลลูโลสให้เป็นน้ำตาลที่ผลิตในอุตสาหกรรม และมีการเพิ่มขึ้นประมาณ 12%

อูโกยังระบุข้อดีบางประการของอ้อยพันธุ์ Flex II นั่นคือ ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นในการผลิตไบโอเอทานอล รวมทั้งการค้นพบพันธุ์อ้อยที่หลากหลายที่เหมาะสมกับการแปรรูปทางอุตสาหกรรม การรับชานอ้อยที่ย่อยได้สูงขึ้นเพื่อใช้ในอาหารสัตว์ และมูลค่ารวมของอ้อยในห่วงโซ่การผลิตโดยรวม

อูโกยังย้ำว่าในปี 2563/2564 การผลิตน้ำตาลทั้งหมดในโลกอยู่ที่ประมาณ 188 ล้านตัน และบราซิลผลิตได้ 39 ล้านตัน คิดเป็น 21% ของการผลิตทั่วโลก

อีกประเด็นหนึ่งที่นักวิจัยนี้เน้นย้ำคือ การสนับสนุนอ้อยในการเพิ่มศักยภาพพลังงานสะอาด เพราะทุกวันนี้มากกว่า 45% ของส่วนผสมพลังงานที่ใช้ในบราซิลสามารถหมุนเวียนได้ และอ้อยนั้นมีส่วนช่วยมากกว่า 30% ของแหล่งพลังงานหมุนเวียนดังกล่าว

Flex I

การวิจัยที่ใช้เทคนิคล้ำสมัยในการตัดต่อจีโนม

อูโกอธิบายว่า Embrapa Agroenergy ได้ศึกษายีนที่เกี่ยวข้องกับ Acyltransferases ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่มีหน้าที่ในการสร้างและดัดแปลงโครงสร้างของผนังเซลล์และเปิดให้เข้าถึงน้ำตาลได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของอ้อยพันธุ์ Flex II กลุ่มนักวิจัยดังกล่าวได้กล่าวถึงยีนที่เป็นตัวเลือกซึ่งมาจากตระกูล acyltransferases ซึ่งพิสูจน์แล้วว่าเป็นสินทรัพย์ชีวภาพที่มีศักยภาพสูงและมีความเป็นไปได้ในการเพิ่มการผลิตน้ำตาลในต้นหญ้า

การศึกษาวิจัยทั้งสองที่กล่าวมาข้างต้นใช้กระบวนการ CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Shorts Palindromic Repeats) ซึ่งเป็นเทคนิคล้ำสมัยเพื่อจัดการกับยีนที่ค้นพบในปี 2555 โดยเทคโนโลยีนี้ใช้เอนไซม์ Cas9 เพื่อตัดดีเอ็นเอในจุดที่กำหนด โดยปรับเปลี่ยนเนื้อที่เฉพาะ การค้นพบนี้ทำให้เอ็มมานูแอล ชาร์เพ็นเทียร์และเจนนิเฟอร์ เอ โดด์นาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2020  ซึ่งทั้งสองได้ตีพิมพ์งานวิจัยในเรื่องดังกล่าวนี้เป็นครั้งแรก

การพัฒนาอ้อยพันธุ์ Flex I และ II จึงไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดีเอ็นเอ แต่เกี่ยวข้องกับการปิดของยีนเท่านั้น นั่นคือเหตุผลที่คณะกรรมการเทคนิคแห่งชาติว่าด้วยความปลอดภัยทางชีวภาพ (CTNBio) ได้จัดประเภทพันธุ์อ้อยใหม่นี้ว่าไม่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมหรือไม่มีการดัดแปลงพันธุกรรมใดๆ เลย

อูโกยังรายงานเพิ่มเติมว่าข้อโต้แย้งเกี่ยวกับการใช้พืชดัดแปลงพันธุกรรมในการเกษตรทำให้แต่ละประเทศในโลกสร้างเกณฑ์เฉพาะในเรื่องดังกล่าว ซึ่งทำให้ต้นทุนในการดัดแปลงพันธุกรรม (GM) ในตลาดเพิ่มสูงขึ้น ทุกวันนี้ มีการเพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีใหม่ๆ มากมาย การแก้ไขจีโนมโดยการใช้การลำดับจีโนมจากสปีชีส์อื่น ๆ ภายนอกเข้าสู่จีโนมของสปีชีส์เป้าหมายนั้นไม่มีความจำเป็นอีกต่อไป

The technological development of sugarcane crops throughout time was the main factor responsible for the expansion of the sector. – Photo: Hugo Molinari

มีนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า แม้ว่ายีนแปลงพันธุ์ยังคงเป็นกลยุทธ์สำคัญในการแก้ปัญหามากมายในการเกษตรและเพิ่มมูลค่าให้กับสายพันธุ์พืช แต่การแก้ไขจีโนมด้วยเทคนิคเช่น CRISPR จะช่วยให้จัดการดีเอ็นเอได้อย่างแม่นยำ รวดเร็ว และประหยัดมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับการดัดแปลงพันธุกรรมอื่น         

อูโกกล่าวเพิ่มเติมว่า เทคโนโลยี CRISPR ทำให้เกิดการยอมรับในการนำมาใช้เทคโนโลยีชีวภาพในการเกษตร ไม่เพียงแต่จากมุมมองของบริษัทและสถาบันต่างๆ ที่เข้าร่วมในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่เข้าถึงตลาดมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยให้สายพันธุ์อื่นๆ ที่น่าสนใจได้รับประโยชน์มากยิ่งขึ้น โดยค่าใช้จ่ายโดยประมาณสำหรับการพัฒนาโรงงานดัดแปลงพันธุกรรมนี้อยู่ที่ประมาณ 136 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ และระหว่าง 30% ถึง 60% ของค่าใช้จ่ายนี้มุ่งเป้าไปที่ขั้นตอนการยกเลิกกฎระเบียบเก่าๆ

การพัฒนาเทคโนโลยีการปลูกอ้อยอย่างสม่ำเสมอเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการขยายของภาคส่วนต่างๆ เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่กลุ่มนักวิจัยต่างๆ ทั่วโลกได้ทุ่มเทความพยายามในการวิจัยขั้นพื้นฐานเพื่อความเข้าใจการเผาผลาญน้ำตาลในพืชและการควบคุมที่ดีขึ้นในระหว่างการพัฒนาพืชในสายพันธุ์ต้นแบบ การเผาผลาญน้ำตาลเป็นที่รู้จักกันดีในขณะนี้ เนื่องจากพบการรวมตัวของเอ็นไซม์หลายชนิดรวมทั้งกระบวนการเผาผลาญของการส่งและการสะสมเอ็นไซม์

บรูนู ลาวิโอลา รองหัวหน้าฝ่ายวิจัยและพัฒนาจาก Embrapa Agroenergy กล่าวว่า การพัฒนาพันธุ์อ้อยใหม่ๆ ด้วยเทคนิค CRISPR ถือเป็นการความรู้ใหม่ขั้นแนวหน้า เพราะพันธุ์อ้อยดังกล่าวเป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น และเป็นการปูทางสำหรับการพัฒนาและส่งมอบพันธุ์อ้อยอื่นๆ ให้กับภาคการผลิต โดยมีลักษณะเฉพาะที่จะส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตอ้อยและการลดต้นทุนการผลิตอีกด้วย

อ้อย Flex II ให้ผลตอบแทนการลงทุนขั้นต่ำ 10% ต่อปี

                โรซานา  กีดุชชี นักวิจัยด้านเศรษฐศาสตร์ของ Embrapa Agroenergy กล่าวว่า อ้อยพันธุ์ Flex II ได้รับการวิเคราะห์ในสถานการณ์การนำไปใช้หลากหลาย และมีการประเมินผลกระทบทางเศรษฐกิจในภาคน้ำตาลและพลังงาน การวิเคราะห์นี้อยู่ในวิทยานิพนธ์ปริญญาโทสาขาการบริหารธุรกิจซึ่งเขียนโดยอูโกและมีโรซานาเป็นที่ปรึกษาร่วมในงานนี้

                งานวิทยานิพนธ์ดังกล่าวมีจุดมุ่งหมายเพื่อประเมินความอยู่รอดทางเศรษฐกิจของอ้อยพันธุ์ใหม่นี้เกี่ยวกับการเพิ่มขึ้นของปริมาณน้ำตาลและการใช้ประโยชน์จากชานอ้อยและซางอ้อยที่ดีขึ้นในการผลิตเอทานอลรุ่นที่สอง

                เพื่อประเมินผลกำไรด้วยการนำเทคโนโลยีมาใช้ การศึกษาดังกล่าวได้ประเมินสถานการณ์ที่เป็นไปได้สองสถานการณ์ นั่นคือ สถานการณ์ในแง่ดีและสถานการณ์ที่เป็นไปตามกฎเกณฑ์เดิมๆ โดยสถานการณ์แรกจะเป็นการขยายการใช้อ้อย Flex II ทีละน้อยในปริมาณ 1% ต่อปี จนถึง 10% ของการผลิตที่สังเกตได้ในการเก็บเกี่ยวอ้อยในปี 2563/2564 ในบราซิลภายในสิบปีนี้

Flex II

                ในสถานการณ์แบบที่สอง โรซานาอธิบายว่า อัตราการขยายตัวจะอยู่ที่ 0.5% ต่อปี ซึ่งสูงถึง 5% ของผลผลิตอ้อยที่สังเกตได้ในการเก็บเกี่ยวปี 2563/2564 ในทั้งสองสถานการณ์นี้ โรงงานแบบมาตรฐานจะแปรรูปการผลิตดังกล่าว โดยอ้อยร้อยละ 50 จะใช้เพื่อผลิตน้ำตาลและอีกร้อยละ 50 จะใช้สำหรับเอทานอลรุ่นแรก และซางและชานอ้อยอีก 60% จะใช้เพื่อผลิตเอทานอลรุ่นที่สองในโรงงานน้ำตาล

                การวิเคราะห์ความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของกระแสรายได้จะพิจารณาถึงข้อดีที่พยากรณ์ได้จากอ้อยพันธุ์ Flex II ที่ได้จากการผลิตน้ำตาล และเอทานอลรุ่น 1 และ 2 เมื่อเปรียบเทียบกับอ้อยทั่วไป

                ในการขยายโครงสร้างพื้นฐานและความสามารถในการประมวลผลของโรงงานน้ำตาลนั้น มีการพิจารณาการลงทุนประมาณ 2 พันล้านเรียลบราซิล (ในสถานการ์ที่เป็นไปในทางบวก) และการเบิกจ่าย 2 ครั้งมูลค่า 1 พันล้านเรียลบราซิล (ในสถานการณ์ที่เป็นไปตามเกณฑ์เดิม) โดยทั้งสองสถานการณ์มีค่าใช้จ่ายบำรุงรักษาประจำปีประมาณ 100 ล้านเรียลบราซิล

                การวิเคราะห์ขั้นสุดท้ายระบุว่าการลงทุนจะเป็นไปได้ เมื่อกำไรเพิ่มเติมที่คาดหวังจากอ้อย Flex II มีอัตราผลตอบแทนภายในที่ 27% และ 16% และมูลค่าสุทธิปัจจุบันอยู่ที่ 4.19 ล้านดอลลาร์สิงคโปร์และ 982,700 เรียลบราซิล ในสถานการณ์ที่เป็นไปในทางบวกและสถานการณ์ที่เป็นไปตามเกณฑ์เดิม ตามลำดับ

ศึกษาข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ Citizen Attention Service (SAC) www.embrapa.br