ที่มา | มติชนสุดสัปดาห์ ฉบับวันที่ 5 - 11 พฤษภาคม 2566 |
---|---|
คอลัมน์ | Biology Beyond Nature |
ผู้เขียน | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร |
เผยแพร่ |
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