แสงจากดวงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานของแทบทุกกิจกรรมในระบบนิเวศน์

การกำเนิดขึ้นของกลไกเก็บเกี่ยวพลังงานจากแสงจึงถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของทุกชีวิตบนโลก

กลไกนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร?

มันคือความบังเอิญสุดขั้วหรือคือหนทางที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในเชิงวิวัฒนาการ?

คำตอบของคำถามพวกนี้ไม่เพียงแต่จะไขความลับของประวัติศาสตร์ชีวิต

แต่ยังอาจช่วยเราวิศวกรรมชีวิตพลังงานแสงใหม่ๆ เพื่อใช้ในการอุตสาหกรรมอีกด้วย

ทีมวิจัยของ William C. Ratcliff จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งมลรัฐจอร์เจีย (GaTech) พยายามตอบคำถามเหล่านี้ด้วยการวิศวกรรมเซลล์ยีสต์ขนมปังให้สามารถใช้พลังงานจากแสง

Ratcliff เป็นนักชีววิวัฒนาการสายทดลอง (experimental evolutionary biologist) นักวิจัยสายนี้ไม่ได้ศึกษาวิวัฒนาการด้วยการไปขุดซากฟอสซิลหรือวิเคราะห์เปรียบเทียบข้อมูลพันธุกรรม

แต่เน้นที่การพยายามจำลองวิวัฒนาการภายใต้สภาวะควบคุมในห้องแล็บ

ส่วนมากจะใช้สิ่งมีชีวิตที่วงจรชีวิตสั้นๆ อย่างพวกจุลินทรีย์เป็นต้นแบบ

เราสามารถวิศวกรรมปรับเปลี่ยนพันธุกรรมพวกมันได้ง่าย คุมสภาวะการเลี้ยงได้สะดวก

และที่สำคัญคือเราสามารถจะติดตามวิวัฒนาการพวกมันไปหลายร้อยหลายพันรุ่นในระยะเวลาไม่นานนัก

 

นักชีววิวัฒนาการสายทดลองที่โด่งดังอย่าง Richard Lenski จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนเลี้ยงแบคทีเรีย Escherichia coli ต่อเนื่องไปเรื่อยๆ ในห้องแล็บหลายหมื่นรุ่น รวมระยะเวลากว่าสามสิบปี

งานของ Lenski เป็นแรงบันดาลใจสำคัญให้ Ratcliff เจริญรอยตาม แต่ว่าใช้จุลินทรีย์ชั้นสูงที่เซลล์ซับซ้อนกว่าอย่างยีสต์ขนมปัง (Saccharomyces cerevisiae)

งานที่สร้างชื่อเสียงให้ Ratcliff ว่าด้วยวิวัฒนาการกำเนิดสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ทีมวิจัยตั้งคำถามว่าสภาวะใดบ้างที่เอื้อต่อการวิวัฒนาการ (ของยีสต์ในที่นี้) จากสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเป็นสิ่งมีชีวิตที่ประกอบจากเซลล์หลายๆ เซลล์แบ่งงานกันทำ และกลไกทางระดับเซลล์อะไรบ้างที่จำเป็นต่อวิวัฒนาการแบบนี้

ระบบนิเวศน์ที่เราเห็นรอบตัวเราในปัจจุบันผ่านกระบวนการวิวัฒนการมาเกือบสี่พันล้านปี

ตลอดช่วงเวลาอันยาวนานนี้มีจุดเปลี่ยนสำคัญหลายจุด ตั้งแต่การกำเนิดชีวิตแรกเริ่ม กำเนิดกลไกสังเคราะห์ด้วยแสง กำเนิดชีวิตหลายเซลล์ กำเนิดเซลล์ชั้นสูง (ยูคาริโอต) ไปจนถึงกำเนิดพืชและสัตว์ กระทั่งถึงสิ่งมีทรงภูมิปัญญาอย่างมนุษย์เรา

ที่น่าสนใจคือจุดเปลี่ยนบางจุดเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียวเท่านั้น เช่น การกำเนิดชีวิตแรกเริ่ม และการกำเนิดยูคาริโอต (กล่าวคือ สิ่งมีชีวิตทั้งโลกมีบรรพบุรุษร่วมกัน และยูคาริโอตทั้งโลกมีบรรพบุรุษร่วมกัน) ขณะที่จุดเปลี่ยนบางจุดเกิดขึ้นซ้ำๆ หลายครั้งในสิ่งมีชีวิตต่างสายวิวัฒนาการกัน

ยกตัวอย่างเช่น สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์วิวัฒนาการขึ้นในต่างกรรมต่างวาระกันถึงกว่า 50 ครั้ง

นักชีววิวัฒนาการพยายามหาคำอธิบายว่าอะไรทำให้จุดเปลี่ยนบางจุดถึงเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว แต่บางจุดเกิดได้หลายต่อหลายครั้ง

คำอธิบายหนึ่งคือจุดเปลี่ยนที่เกิดขึ้นครั้งเดียวต้องอาศัยกลไกซับซ้อนซึ่งต้องใช้ความบังเอิญสุดๆ ที่หลายร้อยล้านปีจะเกิดได้สักครั้ง

ขณะที่จุดเปลี่ยนที่เกิดได้หลายครั้งนั้นอาศัยกลไกเรียบง่ายกว่า แค่การกลายพันธุ์นิดๆ หน่อยๆ ก็ได้แล้ว

อีกคำอธิบายคือจุดเปลี่ยนที่เกิดขึ้นครั้งเดียวอาจจะไม่ได้ซับซ้อน แต่พอเกิดแล้วสร้างความได้เปรียบมหาศาลจนไปผูกขาดระบบนิเวศน์ไม่ให้มีกลไกแบบคล้ายๆ กันเกิดขึ้นมาอีก

ทีมของ Ratcliff สนใจวิวัฒนาการของกลไกเก็บเกี่ยวพลังงานแสงจากข้อสังเกตที่ว่ากลไกนี้เกิดขึ้นสองครั้งเท่านั้น (จากหลักฐานทางวิวัฒนาการทั้งหมดที่เรามี) นำมาสู่กลไกเก็บเกี่ยวพลังงานแสงสองแบบที่พบได้จนถึงปัจจุบัน

แบบแรกที่เราส่วนมากรู้จักกันดีคือแบบที่ใช้คลอโรฟิลล์ พบในสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน และพวกพืชทั้งหลาย (เก็บเกี่ยวพลังงานแสงผ่านอวัยวะในเซลล์คือคลอโรพลาสซึ่งวิวัฒนาการจากสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินอีกที)

แบบที่สองใช้โปรตีนที่ชื่อว่าโรดอปซิน (rhodopsin) ร่วมกับโมเลกุลดูดกลืนแสงชื่อเรตินอล (retinal) กลไกนี้อาจจะเป็นที่รู้จักน้อยกว่าแต่พบได้ในหลากหลายสิ่งมีชีวิตมากกว่า

เซลล์สิ่งมีชีวิตทุกชนิดตั้งแต่แบคทีเรีย ราจนถึงยูคาริโอตชั้นสูงอย่างพืชและสัตว์อาศัยระบบศักย์ไฟฟ้าเคมี (electrochemical potential) ในการบริหารจัดการพลังงาน

ระบบนี้ประกอบด้วยเยื่อหุ้มจากไขมัน ทำหน้าที่เป็นผนังกั้นการไหลแพร่ของประจุระหว่างสองฟากฝั่ง

ถ้าประจุสองข้างไม่เท่ากันก็จะเกิดศักย์แรงดัน (เหมือนกับเขื่อนกั้นน้ำ) พลังงานจากประจุที่ไหลผ่านประตูควบคุมสามารถเอามาใช้สังเคราะห์สารตัวกลางพลังงานสูง (ATP) เก็บไว้ (เหมือนกับการเอาแรงน้ำจากเขื่อนมาปั่นไฟฟ้า)

ในทางกลับกันเซลล์ก็สามารถเอาพลังงานมาปั๊มประจุข้ามเยื่อหุ้มให้เกิดความศักย์ขึ้นใหม่ (เหมือนเอาไฟฟ้ามาปั๊มน้ำข้ามไปเก็บหลังเขื่อน)

การเก็บเกี่ยวพลังงานในสิ่งมีชีวิตไม่ว่าจะจากการเผาผลาญอาหารหรือจากแสงก็ล้วนแต่สามารถใช้ประโยชน์จากหลักการนี้ พลังงานที่ได้ถูกใช้ปั๊มประจุข้ามเยื่อหุ้มให้เกิดศักย์ไฟฟ้าเคมี จากนั้นก็เอาศักย์ไฟฟ้าเคมีไปสร้างสารพลังงานสูงไว้ทำกิจกรรมต่างๆ ในเซลล์ต่อ

ขณะที่ระบบเก็บเกี่ยวพลังงานแสงผ่านคลอโรฟิลล์ต้องใช้โมเลกุลหลายชนิดทำงานร่วมกันเป็นโครงสร้างซับซ้อนเพื่อปั๊มประจุ (ในที่นี้คือโปรตอนหรือ H+) ข้ามเยื่อหุ้ม ระบบโรดอปซินเรียบง่ายกว่ามาก อาศัยแค่โปรตีนตัวเดียวร่วมกับเรตินอลทำหน้าที่ดูดกลืนแสงและเป็นปั๊มครบจบในตัวเอง

ข้อสังเกตนี้ทำให้ทีมของ Ratcliff คิดว่าแม้แต่สิ่งมีชีวิตที่ไม่เคยมีประวัติเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสงเลยก็น่าจะรับเอากลไกที่เรียบง่ายนี้ไปใช้ได้

ยีสต์ขนมปัง (S.cerevisiae) อย่างที่ทีม Ratcliff ใช้มีปั๊มโปรตอนสำหรับสร้างความต่างศักย์อยู่หลายที่ทั้งในอวัยวะที่โรงผลิตพลังงานอย่างไมโตคอนเดรีย และในโกดังเก็บสารอย่างแวคิวโอล (vacuole) ปั๊มตรงแวคิวโอลทำหน้าที่เพิ่มระดับโปรตอนภายในนั้นให้สูงเพื่อให้ระดับความความเป็นกรดเหมาะสมสำหรับการทำงานของเอนไซม์ที่อยู่ภายใน ปั๊มเหล่านี้ล้วนแต่ต้องใช้พลังงานจากการเผาผลาญอาหารที่ยีสต์กินเข้าไป

ทีมวิจัยพยายามติดตั้งปั๊มพลังงานแสงจากระบบโรดอปซินเข้าสู่เซลล์ยีสต์

เวอร์ชั่นแรกเป็นใช้ยีนโรดอปซินจากแบคทีเรียตัดต่อใส่เข้ายีสต์ไป ปรากฏว่าปั๊มไปตั้งอยู่ผิดที่ผิดทางใช้การไม่ได้

เวอร์ชั่นต่อมาทีมวิจัยเอายีนโรดอปซินจากเชื้อราซึ่งอยู่สายวิวัฒนาการใกล้ยีสต์ขึ้นมาอีกหน่อย (Ustilago maydis) มาใช้ คราวนี้เซลล์ยีสต์เอาปั๊มไปวางไว้ถูกที่บนเยื่อหุ้มของแวคิวโอล

ยีสต์ติดตั้งปั๊มโรดอปซินนี้เมื่อได้รับเรตินอลสามารถตอบสนองกับแสงสีเขียวที่ตรงกับช่วงการดูดกลืนของโรดอปซิน พลังงานจากแสงถูกเอาไปใช้ปั๊มโปรตอนเข้าแวคิวโอลได้สำเร็จ เปลี่ยนระดับความเป็นกรดเบสในเซลล์จนส่งผลต่อกลไกการตอบสนองของโปรตีนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง

ทีมวิจัยพบว่าระบบนี้เป็นพิษกับเซลล์ทำให้เซลล์ยีสต์ที่ได้รับมีอัตราการตายที่สูงขึ้น แต่ขณะเดียวกันก็สามารถที่จะเติบโตแบ่งตัวได้เร็วกว่าเดิมด้วย

สาเหตุเบื้องหลังความเร็วในการเติบโตนี้ยังไม่แน่ชัด แต่คาดว่าเกิดจากการที่ยีสต์ไม่ต้องเปลืองพลังงานไปกับการปั๊มโปรตอนเพื่อรักษาความเป็นกรดของแวคิวโอล เมื่อหักลบกลบหนี้กันแล้วยีสต์ที่ผ่านการวิศวกรรมแพร่พันธุ์ได้ดีกว่ายีสต์ดั้งเดิม

นั่นแปลว่าในสภาวะเหมาะสมที่มีแสงเขียวพอเพียงแบบนี้ ยีสต์ตัวนี้อาจจะมีความได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการสามารถเอาชนะยีสต์ดั้งเดิมได้

ก่อนหน้านี้มีงานวิจัยจากทีมอื่นๆ ที่พยายามวิศวกรรมยีสต์ที่ใช้พลังงานแสง แต่กระบวนการที่ใช้ซับซ้อนและผิดธรรมชาติกว่านี้มาก ไม่ว่าจะเป็นการพยายามสร้างคลอโรพลาสจำลองขึ้นมาทั้งอันจากสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน หรือว่าการเอาสารสังเคราะห์ที่เปลี่ยนแสงเป็นศักย์ไฟฟ้ามาเคลือบเซลล์ยีสต์ไว้

ความน่าสนใจของงานนี้คือทีมวิจัยใช้โปรตีนตัวเดียวจากยีนแค่ยีนเดียวในการเปลี่ยนสิ่งมีชีวิตที่ไม่เคยมีประวัติการใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงเลยให้สามารถเอาพลังงานจากแสงมาขับเคลื่อนกลไกทางเมทาบอลิซึ่ม แถมยังมอบความได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการโดยไม่ทันได้ปรับแก้อะไร

ปกติแล้วสิ่งมีชีวิตที่รับยีนแปลกๆ จากข้างนอกมามีโอกาสน้อยมากที่จะเกิดความได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการแบบนี้

เหมือนเราไปหยิบเครื่องยนต์จากระบบหนึ่งมาแปะเข้าไปตรงๆ กับอีกระบบหนึ่ง มันอาจจะทำงานได้ แต่โอกาสที่จะได้เปรียบแบบนี้หายาก

งานนี้อาจจะทำให้เราสรุปคร่าวๆ ได้ว่าจริงๆ แล้วการที่สิ่งมีชีวิตตัวหนึ่งจะวิวัฒนาการความสามารถในการสังเคราะห์ด้วยแสงขึ้นมาอาจจะไม่ยากขนาดนั้น

ยีสต์เป็นหนึ่งในสิ่งมีชีวิตที่ถูกใช้อย่างแพร่หลายที่สุดในเชิงอุตสาหกรรม

การเปลี่ยนเมทาบอลิซึ่มของยีสต์ให้ใช้ประโยชน์จากพลังงานแสง แถมยังเชื่อมต่อโดยตรงกับกลไกศักย์ไฟฟ้าเคมีที่เซลล์เอาไปใช้ประโยชน์ต่อง่ายๆ แบบนี้น่าจะสามารถทำให้เราเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของยีสต์โดยการให้แหล่งพลังงานใหม่ๆ กับพวกมันอีกด้วย

 

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022