รู้จักแบคทีเรียที่เปลี่ยนพลาสติกเหลือทิ้งให้เป็นยาแก้ปวด

ที่มาของภาพ : Getty Photos

อีโคไลเคยมีบทบาทสำคัญหลายครั้งในการค้นพบด้านพันธุศาสตร์และชีววิทยาโมเลกุล

Article Knowledge

    • Author, โซอี คอร์บิน
    • Objective, ผู้สื่อข่าวเทคโนโลยี
    • Reporting from รายงานจากซานฟรานซิสโก

เมื่อไม่นานมานี้ นักวิจัยได้คิดค้นวิธีการใหม่ในการนำพลาสติกเหลือทิ้งกลับมาใช้ประโยชน์ แนวทางดังกล่าวแปลกใหม่จนกลายเป็นกระแสข่าวโด่งดังในหลายสื่อ

นักวิทยาศาสตร์ดัดแปลงพันธุกรรมแบคทีเรียธรรมดาสายพันธุ์หนึ่งให้สามารถกินโมเลกุลจากพลาสติกได้ แบคทีเรียที่ผ่านการดัดแปลงจะย่อยสลายพลาสติกและผลิตสารที่ใช้เป็นส่วนประกอบของยาแก้ปวดพาราเซตามอล

ศาสตราจารย์สตีเฟน วอลเลซ ผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีชีวภาพเคมีจากมหาวิทยาลัยเอดินบะระ เลือกใช้จุลินทรีย์สายพันธุ์ “เอสเชอริเชีย โคไล” (Escherichia coli) ในการทดลอง จุลินทรีย์ชนิดนี้เป็นที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อ “อีโคไล” นักวิจัยพบแบคทีเรียรูปแท่งชนิดนี้ในลำไส้ของมนุษย์และสัตว์หลายชนิด โดยเป็นที่รู้จักในฐานะเชื้อที่อาจก่อให้เกิดโรคในระบบทางเดินอาหาร

ศาสตราจารย์วอลเลซเลือกใช้อีโคไลสายพันธุ์ที่ไม่ก่อให้เกิดโรคในการทดลองโดยอัตโนมัติ เนื่องจากที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์เคยใช้จุลินทรีย์ชนิดนี้อย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการด้านเทคโนโลยีชีวภาพและวิศวกรรมชีววิทยา โดยใช้ในการทดสอบเวลาที่มีข้อค้นพบใดๆ ว่าสิ่งต่าง ๆ ใช้การได้หรือไม่

ศาสตราจารย์วอลเลซยังอธิบายว่ากล่าวว่า อีโคไลนับเป็นเป็น “ม้างาน” หลักในสนามของการทดลองทางชีวภาพ ก่อนหน้านี้ เขาเคยดัดแปลงพันธุกรรมอีโคไลในห้องปฏิบัติการเพื่อเปลี่ยนขยะพลาสติกให้กลายเป็นสารให้กลิ่นรสวานิลลา และยังเคยใช้จุลินทรีย์ชนิดเดียวกันเปลี่ยนขยะไขมันจากท่อระบายน้ำให้กลายเป็นน้ำหอม

Skip ได้รับความนิยมสูงสุด and continue finding outได้รับความนิยมสูงสุด

Discontinue of ได้รับความนิยมสูงสุด

เขาระบุว่า “ถ้าคุณต้องการจะพิสูจน์ว่าบางสิ่งเป็นไปได้หรือไม่ในทางชีววิทยา อีโคไลคือบันไดขั้นแรกตามธรรมชาติเลย”

การใช้จุลินทรีย์ชนิดนี้ไม่เพียงจำกัดอยู่เฉพาะในห้องปฏิบัติการเท่านั้น ในทางอุตสาหกรรม ถังที่เต็มไปด้วยอีโคไลซึ่งถูกดัดแปลงพันธุกรรมทำงานคล้ายกับโรงงานที่ผลิตผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ตั้งแต่ยารักษาโรคอย่างเช่นอินซูลินซึ่งสำคัญต่อการรักษาโรคเบาหวาน ไปจนถึงสารเคมีหลายรูปแบบที่ใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงและตัวทำละลาย

ที่มาของภาพ : College of Edinburgh

ศ.วอลเลซ ได้ดัดแปลงอีโคไลให้สามารถผลิตรสชาติวานิลลาและน้ำหอมได้

แต่เหตุใดอีโคไลจึงกลายมาเป็นสารตั้งต้นของเทคโนโลยีทางชีวภาพ เหตุใดมันจึงก่อประโยชน์ได้มากขนาดนี้และอนาคตของมันจะเป็นอย่างไร?

อีโคไลมีองค์ประกอบทางชีวภาพที่โดดเด่น ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์ใช้เป็นต้นแบบในการศึกษาหลักการพื้นฐานทางชีววิทยา ศาสตราจารย์โธมัส ซิลฮาวี ผู้เชี่ยวชาญด้านชีววิทยาโมเลกุลจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ศึกษาแบคทีเรียชนิดนี้มาเป็นเวลากว่า 50 ปี และบันทึกพัฒนาการของแบคทีเรียดังกล่าวไว้ในงานวิจัยหลายชิ้น

นอกจากอีโคไลแล้วยังมีสิ่งมีชีวิตต้นแบบอื่น ๆ ที่เป็นที่คุ้นเคยกันดีเช่น หนู, แมลงวันผลไม้ และยีสต์ที่ใช้ในการทำขนม โดยยีสต์เองก็กลายเป็นเครื่องมือล้ำค่าในวงการเทคโนโลยีทางชีวภาพ ทั้งในห้องปฏิบัติและในอุตสาหกรรมในลักษณะเดียวกันกับอีโคไล แต่มันมีโครงสร้างของเซลล์ที่ซับซ้อนกว่าและมีการใช้งานในรูปแบบอื่น

อีโคไลถูกแยกเชื้อเป็นครั้งแรกในปี 1885 โดยธีโอดอร์ เอสเชอริช กุมารแพทย์ชาวเยอรมัน จากการศึกษาจุลินทรีย์ในลำไส้ของเด็กทารก ด้วยความที่แบคทีเรียนี้เติบโตได้อย่างเร็วและศึกษาง่าย นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มใช้อีโคไลในการศึกษาชีววิทยาของแบคทีเรียในขั้นพื้นฐาน

ศาสตราจารย์ซิลฮาวีระบุว่า ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในงานวิจัยเกี่ยวกับอีโคไลเกิดขึ้นโดยบังเอิญในช่วงทศวรรษ 1940 โดยนักวิทยาศาสตร์ทดลองสายพันธุ์อีโคไลที่ไม่ก่อโรค (K-12) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่านอกจากแบคทีเรียสามารถแบ่งตัวได้ สิ่งมีชี้วิตนี้ยังสามารถ “ผสมพันธุ์” โดยแลกเปลี่ยนสารพันธุกรรมระหว่างกันเพื่อสร้างคุณสมบัติใหม่

นี่คือการค้นพบครั้งสำคัญและทำให้อีโคไลกลายเป็น “สิ่งมีชีวิตที่ทุกคนชื่นชอบ” เขาระบุ

จากการค้นพบครั้งนั้นทำให้อีโคไลมีบทบาทสำคัญต่อการค้นพบครั้งอื่น ๆ ที่ตามมาด้วย ทั้งยังมีบทบาทในเหตุการณ์สำคัญต่าง ๆ ทางพันธุศาสตร์และชีววิทยาโมเลกุล

อีโคไลยังถูกใช้เพื่อช่วยในการถอดรหัสพันธุกรรม และในทศวรรษที่ 1970 แบคทีเรียนี้ก็กลายเป็นสิ่งมีชีวิตชนิดแรกที่ถูกดัดแปลงพันธุกรรมโดยใส่ดีเอ็นเอต่างถิ่นเข้าไป ซึ่งนับเป็นการวางรากฐานของเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่

ที่มาของภาพ : Getty Photos

อีโคไลสามารถเติบโตได้อย่างรวดเร็วและง่ายต่อการศึกษา

อีโคไลยังช่วยแก้ไขปัญหาในกระบวนการผลิตอินซูลิน เนื่องจากก่อนหน้านี้มีการใช้อินซูลินจากวัวและหมูในการรักษาโรคเบาหวานแต่ก็ก่อให้เกิดอาการแพ้ได้ในผู้ป่วยบางคน

แต่ในปี 1978 มีการใช้อีโคไลสังเคราะห์อินซูลินสำหรับมนุษย์ขึ้นมาเป็นครั้งแรก นับเป็นการก้าวข้ามข้อจำกัดครั้งสำคัญ

ในปี 1997 อีโคไลกลายเป็นสิ่งมีชีวิตชนิดแรกที่มีลำดับทางจีโนมโดยสมบูรณ์ ทำให้ยิ่งง่ายต่อการทำความเข้าใจและดัดแปลง

ศาสตราจารย์อดัม เฟียสต์ จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ซึ่งเป็นหนึ่งในนักวิจัยที่พัฒนาจุลินทรีย์เพื่อใช้ในกระบวนการผลิตเชิงพาณิชย์กล่าวชื่นชมอีโคไลว่าเป็นจุลินทรีย์ที่มีคุณสมบัติหลากหลาย

นอกเหนือไปจากการที่นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษารวบรวมเรื่องลักษณะทางพันธุกรรมของอีโคไลอย่างละเอียด และพัฒนาเครื่องมือที่ช่วยให้การดัดแปลงพันธุกรรมของมันเป็นไปอย่างง่ายดายจนทำให้องค์ความรู้เรื่องนี้มีอยู่มากมาย แบคทีเรียชนิดนี้ยังสามารถเติบโตได้อย่างรวดเร็วและคาดการณ์ได้บนสภาพพื้นผิวที่หลากหลาย มันไม่ “จุกจิก” เหมือนกับบางตัว แม้จะถูกนำไปแช่แข็งก็ยังสามารถฟื้นคืนชีพได้อย่างไม่มีปัญหา นอกจากนี้อีโคไลยังสามารถรับดีเอ็นเอต่างถิ่นได้ดี ซึ่งถือเป็นคุณสมบัติที่หาได้ยากในจุลินทรีย์ทั่วไป

เขาบอกว่า “ยิ่งผมได้ทำงานกับจุลินทรีย์ขนาดเล็กมามากเท่าไหร่ ผมก็ยิ่งชื่นชมในความแข็งแกร่งของอีโคไลมากเท่านั้น”

ซินเธีย คอลลินส์ เป็นผู้อำนวยการอาวุโสแห่งบริษัทกิงค์โก ไบโอเวิร์คส์ (Ginkgo Bioworks) บริษัทที่ช่วยผู้ประกอบการรายต่าง ๆ พัฒนาผลิตภัณฑ์ทางเทคโนโลยีชีวภาพ และได้ช่วยแนะนำการใช้อีโคไลในทางอุตสาหกรรม

ดร.คอลลินส์ระบุว่า แม้ปัจจุบันจะมีสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิดให้เลือกใช้ในอุตสาหกรรมชีวภาพมากกว่าสมัยก่อน แต่อีโคไลก็ยังคงเป็นทางเลือกที่ดีในหลายกรณี เธออธิบายว่า อีโคไลจะเป็น “ตัวเลือกที่ดีหรือไม่” ขึ้นอยู่กับประเภทของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ (แม้จะใช้เทคโนโลยีชีวภาพที่ก้าวหน้าที่สุด อีโคไลก็ยังไม่สามารถผลิตทุกสิ่งทุกอย่างได้)

“มันประหยัดรายจ่ายมาก ๆ คุณสามารถได้ผลผลิตออกมาในปริมาณมาก” เธอกล่าว พร้อมตั้งข้อสังเกตว่าหากแบคทีเรียตัวนี้ผลิตบางสิ่งที่เป็นพิษต่อเซลล์ ความอันตรายนั้นก็มักจะสามารถจัดการได้ในท้ายที่สุด

ที่มาของภาพ : AFP by process of Getty Photos

อีโคไลถูกใช้ในกระบวนการผลิตอินซูลิน

อย่างไรก็ตาม ส่วนตั้งข้อสงสัยว่า ความนิยมในการใช้แบคทีเรียอีโคไลอาจจำกัดมุมมองของนักวิทยาศาสตร์ในการค้นหาแนวทางใหม่ผ่านเทคโนโลยีชีวภาพ

พอล เจนเซ็น นักจุลชีววิทยาและวิศวกรแห่งมหาวิทยาลัยมิชิแกน ได้ศึกษาแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในช่องปากของเรา เขาเพิ่งวิเคราะห์ออกมาว่าแบคทีเรียตัวอื่น ๆ ถูกศึกษาน้อยเพียงใดเมื่อเทียบกับอีโคไล

เขาชี้ว่าในขณะที่เรากำลังก้าวไปข้างหน้าในการศึกษาดัดแปลงอีโคไลให้ทำสิ่งที่น่าทึ่งต่าง ๆ มันอาจจะมีจุลินทรีย์ตัวอื่น ๆ ที่สามารถทำสิ่งนั้นได้ตามธรรมชาติและทำได้ดีกว่าก็ได้ แต่พวกมันถูกมองข้ามและเราเองก็กำลังพลาดจากการได้รับประโยชน์นั้น เพราะแบคทีเรียอื่น ๆ ไม่เคยถูกค้นหาหรือถูกศึกษา

เขายกตัวอย่างเช่น การสํารวจทางชีวภาพในหลุมฝังกลบ อาจทำให้พบจุลินทรีย์ที่ไม่เพียงแต่จะกินพลาสติก แต่อาจกินขยะอื่น ๆ ด้วยก็ได้ และยังอาจจะมีแบคทีเรียที่ทำสิ่งอื่น ๆ เช่นอาจผลิตซีเมนต์หรือยางในชนิดที่เราไม่เคยจินตนาการถึง เขายังตั้งข้อสังเกตอีกว่า เพียงแค่แบคทีเรียที่อาศัยในช่องปากของเราก็เหนือกว่าอีโคไลแล้วในด้านความทนทานต่อกรด

“เราเจาะลึกกับอีไคไลมาก ๆ จนเราไม่ได้ศึกษาวิจัย จุลินทรีย์ตัวอื่น ๆ มากพอ” เขากล่าว

มีนักวิจัยบางคนที่ทำการศึกษาหาทางเลือกใหม่ ๆ อย่างเช่น “วิบริโอ นาเทรียเจนส์” (Vibrio natriegens) หรือที่เรียกว่า “วี. แนท” (V. nat) ซึ่งเริ่มได้รับความสนใจในฐานะสิ่งที่อาจจะมาเป็นคู่แข่งของอีโคไลได้

นักวิทยาศาสตร์แยกเชื้อแบคทีเรียวี. แนทได้เป็นครั้งแรกจากพื้นที่ลุ่มน้ำเค็มในรัฐจอร์เจียของสหรัฐฯ เมื่อช่วงทศวรรษ 1960 แบคทีเรียชนิดนี้ถูกละเลยจากการศึกษาเป็นเวลานาน และถูกขึ้นหิ้งไว้จนถึงช่วงกลางทศวรรษ 2010 ในเวลาต่อมา นักวิจัยพบว่า วี. แนทมีอัตราการเจริญเติบโตเร็วกว่าอีโคไลถึงสองเท่า ซึ่งอาจเป็นข้อได้เปรียบสำคัญสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม

บัซ บาร์สโตว์ วิศวกรด้านชีวภาพและสิ่งแวดล้อมแห่งมหาวิทยาลัยคอร์เนล ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้พัฒนาวี.แนทยังเปิดเผยว่าแบคทีเรียชนิดนี้ยังสามารถรับดีเอ็นเอต่างถิ่นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าอีโคไล เขายังบอกด้วยว่าความสามารถของวี. แนท เมื่อเทียบกับอีโคไลนั้นเปรียบเสมือน “การเปลี่ยนจากม้ามาเป็นรถยนต์”

สิ่งที่ขับเคลื่อนให้ ดร.บาร์สโตว์หันมาสนใจใน วี.แนท นั้น เพราะเขาต้องการเห็นจุลินทรีย์ถูกใช้ในการรับมือกับความท้าทายด้านความยั่งยืนที่สำคัญ ตั้งแต่การผลิตเชื้อเพลิงเครื่องบินจากคาร์บอนไดออกไซด์และพลังงานไฟฟ้าสีเขียว ไปจนถึงการขุดเจาะโลหะหายาก เขาบอกว่า “การใช้แบคทีเรียอีโคไลเพียงเท่านั้นไม่เพียงพอในการบรรลุเป้าหมายเหล่านี้ แต่หากเราใส่วี. นาเทรียเจนส์ ก็อาจจะทำให้มันสำเร็จขึ้นมาได้”

ในปีนี้ห้องปฏิบัติของเขาได้แยกบริษัทในเครือออกมาชื่อ “ฟอเรจ อีโวลูชัน” (Forage Evolution) ซึ่งทำงานกับเครื่องมือที่ทำให้นักวิจัยสามารถดัดแปลงพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนี้ได้ง่ายขึ้นในห้องปฏิบัติการ

ด้าน ศ.เฟียสต์ ยอมรับว่า วี.แนท มีคุณสมบัติที่น่าสนใจหลายประการ แต่ยังขาดเครื่องมือทางพันธุกรรมที่ทำให้สามารถใช้มันในวงกว้างได้ และเชื้อดังกล่าวยังไม่ผ่านการพิสูจน์ตัวเองในการใช้งานระดับใหญ่ เขาระบุว่า “อีโคไลเป็นสิ่งยากจะแทนที่ได้”