ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ

 

เปิดตัว ‘ไนโตรพลาสต์’

ออร์แกเนลล์ใหม่ใช้ตรึงไนโตรเจน

 

ในวันที่มนุษย์อหังการ์ถึงขนาดจะเขียนจีโนมยีสต์ขึ้นมาเอง อีกทั้งยังออกแบบเซลล์เสียใหม่ เปเปอร์ที่ขึ้นปกวารสาร Science ฉบับวันสงกรานต์ 2024 ทำให้หลายคนตัวลีบ…และเริ่มมองย้อนกลับไปว่าแท้จริงแล้ว เรารู้อะไรบ้างในปริศนาแห่งธรรมชาติที่น่าพิศวงนี้

ดีไซน์ปกสีขาวที่ดูเรียบง่าย มีแค่รูปเซลล์สาหร่ายไม่กี่เซลล์ที่กระจัดกระจายอยู่ทั่วปก เป็นแพตเทิร์นสวยงามราวกับลายผ้า กับคำจั่วหัวที่ว่า “ไกลกว่าการเกื้อกูล – หลักฐานบ่งชี้ว่ามีออร์แกเนลล์เพื่อตรึงไนโตรเจน (Beyond Symbiosis, Evidence Mount for a Nitrogen Fixing Organelle)”

ทำให้วงการชีววิทยาตกตะลึง เพราะนี่คือการค้นพบออร์แกเนลล์ใหม่ ที่ไม่เคยมีใครกล่าวถึงมาก่อน…

ถ้าจะเปรียบ “ออร์แกเนลล์ ก็คืออวัยวะที่ทำหน้าที่ต่างๆ ภายในเซลล์” และการที่มนุษย์เชื่อมั่นว่า “เราเข้าใจชีววิทยาระดับเซลล์อย่างถ่องแท้ ถึงขนาดที่ว่าจะออกแบบเซลล์ใหม่ขึ้นมาให้ทำงานได้ตามใจปรารถนา

การค้นพบ “ออร์แกเนลล์” ใหม่ที่เรายังไม่เคยรู้จัก จึงเป็นอะไรที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ฉงนฉงาย

“ออร์แกเนลล์นี้ทำหน้าที่ตรึงไนโตรเจนให้กับเซลล์สาหร่าย” โจนาธาน เซร์ (Jonathan Zehr) นักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ (University of California Santa Cruz) หัวหน้าทีมวิจัยเผย

เขาตั้งชื่อออร์แกเนลล์ใหม่นี้ว่า “ไนโตรพลาสต์ (Nitroplast)” (เพื่อให้สอดคล้องกับ “คลอโรพลาสต์ (Chloroplast)” ออร์แกเนลล์ที่ใช้ในการสังเคราะห์แสงในพืชและสาหร่าย)

โจนาธานเชื่อว่า กำเนิดของไนโตรพลาสต์ น่าจะเป็นเหมือนกับคลอโรพลาสต์ และออร์แกเนลล์สำหรับสร้างพลังงานผ่านการหายใจระดับเซลล์ที่เรียกว่าไมโตคอนเดรีย (Mitochondria) นั่นคือ พวกมันเคยเป็นแบคทีเรียที่มีชีวิตอย่างอิสระมาก่อน…

บรรพบุรุษของคลอโรพลาสต์คือแบคทีเรียที่สามารถสร้างพลังงานได้จากการสังเคราะห์แสง ในขณะที่บรรพบุรุษของไมโตคอนเดรียนั้นคือแบคทีเรียที่สร้างพลังงานได้จากการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจน

ในโลกแห่งการแข่งขัน ปลาใหญ่กินปลาเล็ก เซลล์ใหญ่ก็กินเซลล์เล็ก และในช่วงเวลาหนึ่ง แบคทีเรียที่เป็นบรรพบุรุษของออร์แกเนลล์เหล่านี้โดนเซลล์ใหญ่ที่เป็นต้นกำเนิดของเซลล์ยูคาริโอตสวาปามเข้าไปภายในเซลล์ ทว่า แทนที่จะโดนย่อยสลายและดูดซึมจนหมดสิ้น ราวกับว่าเซลล์ใหญ่จะท้องผูก พวกมันกลับติดค้างอยู่ภายใน ไม่โดนย่อย และไม่โดนขับถ่ายออกมา

ที่ประหลาดที่สุดก็คือ หลังจากที่ถูกกินเข้าไป นอกจากจะไม่ตายแล้ว ราวกับบุพเพนำพา พวกมันยังเข้ากันกับเซลล์ใหญ่ได้ดีและสามารถมีชีวิตอยู่ร่วมกับเซลล์ใหญ่ที่กินมันเข้าไปนั้นได้อย่างสงบสุข ถ้อยทีถ้อยอาศัย ในขณะที่เซลล์ใหญ่ปรนเปรอพวกมันด้วยที่อยู่อาศัย สารอาหาร อากาศ และอีกสารพัด พวกแบคทีเรียก็ช่วยจุนเจือเกื้อกูลแบ่งปันพลังงานที่พวกมันสร้างได้ย้อนกลับไปให้เซลล์ใหญ่

อยู่ด้วยกันเนิ่นนานจากรุ่นสู่รุ่น จนเวลาผ่านไปนับพันล้านปี ความสัมพันธ์แบบพิลึกของทั้งเซลล์ใหญ่และเซลล์เล็กก็เริ่มแนบแน่นขึ้นเรื่อยๆ ผ่านการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นนับครั้งไม่ถ้วน

การวิวัฒนาการที่เกิดขึ้นมาร่วมกัน ทำให้ทั้งคู่เริ่มสูญเสียอัตลักษณ์ของตัวเองไปทีละน้อย

เซลล์เล็กก็ค่อยๆ ปรับเปลี่ยนจนกลายสภาพเป็นส่วนหนึ่งของเซลล์ใหญ่

และในทางกลับกัน เซลล์ใหญ่เริ่มพึ่งพาเซลล์เล็กจนขาดเซลล์เล็กไม่ได้

จนท้ายที่สุด เซลล์แบคทีเรียตัวเล็กที่เคยใช้ออกซิเจนในการสร้างพลังงานลดรูปกลายเป็นออร์แกเนลล์ “ไมโตคอนเดรีย” ในขณะที่แบคทีเรียตัวเล็กที่สังเคราะห์แสงได้ ก็กลายเป็นออร์แกเนลล์ “คลอโรพลาสต์”

 

แนวคิดที่เซลล์เล็กถูกดูดเข้าไปในเซลล์ใหญ่ อยู่ด้วยกัน เกื้อกูลกันจากภายใน วิวัฒนาการร่วมกันจนหลอมรวมเป็นหนึ่งเดียวนี้ เรียกว่า “ทฤษฎีการเกื้อกูลกันจากภายในอย่างต่อเนื่อง (Serial Endosymbiotic Theory)” หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า SET

“การที่ออร์แกเนลล์จะอุบัติขึ้นมาด้วยกลไกแบบนี้จริงๆ นั้น เป็นอะไรที่พบน้อยมากๆ” ไทเลอร์ โคล (Tyler Coale) หนึ่งในตัวตั้งตัวตีในงานวิจัยนี้กล่าว ที่เห็นได้ชัดที่เกิดจาก SET ก็มีแค่สองเคส ซึ่งก็คือ ไมโตคอนเดรีย กับคลอโรพลาสต์ และไนโตรพลาสต์ ก็คือเคสที่สาม “นี่เป็นอะไรที่ต้องเติมเข้าไปในตำราเรียน” ไทเลอร์กล่าวด้วยความตื่นเต้น

ประเด็นก็คือสิ่งมีชีวิตที่อยู่ร่วมกันแบบเกื้อกูลกันจากภายในนั้นมีให้เห็นอยู่มากมาย ทั้งพารามีเซียมที่กินสาหร่ายเข้าไปช่วยสังเคราะห์แสง ปะการังที่มีสาหร่ายซูแซนเทลลี (Zooxanthellae) เข้าไปอาศัย ช่วยสังเคราะห์แสงสร้างพลังงานให้อยู่ภายใน และแบคทีเรียที่ช่วยตรึงไนโตรเจนในปมรากพืชตระกูลถั่ว

แต่แล้วทำไมกรณีของไนโตรพลาสต์ถึงพิเศษกว่าเคสคลาสสิคพวกนี้

 

และคำตอบก็คือ ในกรณีของทั้งพารามีเซียม ปะการัง และปมรากถั่ว เซลล์เล็กที่ถูกเขมือบเข้าไปก็ยังคงมีอัตลักษณ์ของพวกมันอยู่ครบ ไม่ได้หลอมรวมจนจบ จนกลายเป็นออร์แกเนลล์ของเซลล์ใหญ่

ความท้าทายของงานวิจัยนี้ จึงอยู่ที่การพิสูจน์ว่า การหลอมรวมของไนโตรพลาสต์กับสาหร่ายเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์จริง และแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนที่เคยเป็นบรรพบุรษของไนโตรพลาสตร์นั้นได้สูญเสียความเป็นตัวของตัวเองไปหมดจนกลายเป็นส่วนหนึ่งของเซลล์สาหร่ายไปแล้วจริงๆ ไม่ใช่แค่จับพลัดจับผลูโดนกินเข้ามาติดอยู่แบบประเดี๋ยวประด๋าวเหมือนกรณีสาหร่ายในพารามีเซียม หรือไรโซเบียมในปมรากถั่ว

แต่ประเด็นที่ยากก็คือจะพิสูจน์อย่างไรว่าไนโตรพลาสตร์ได้ลดรูปไปเป็นออร์แกเนลล์ไปแล้วจริงๆ และการหลอมรวมกันนั้น เกิดขึ้นแล้วอย่างสมบูรณ์

 

เรื่องราวนี้เริ่มต้นขึ้นมาตั้งแต่ปี 2012 ในตอนนั้น โจนาธานและทีมเลือกที่จะศึกษาจุลินทรีย์ที่อยู่ร่วมกันกับสาหร่ายเซลล์เดียวที่ชื่อว่า Braarudosphaera bigelowii

และก็ค้นพบไซแอนโนแบคทีเรียอยู่ชนิดหนึ่งที่อาศัยเกื้อกูลอยู่ด้วยกันกับสาหร่าย พวกเขาเรียกไซแอนโนแบคทีเรียชนิดนี้ว่า UCYN-A

ที่น่าสนใจก็คือผลการวิเคราะห์รหัสพันธุกรรมของสาหร่ายและไซแอนโนแบคทีเรีย UCYN-A ระบุชี้ชัดว่าทั้งคู่วิวัฒนาการผูกพันร่วมกันมากว่าร้อยล้านปีแล้ว

สำหรับโจนาธาน การค้นพบนี้เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมาก เขาเชื่อว่าในความสัมพันธ์นี้ ทั้งคู่น่าจะได้รับประโยชน์ร่วมกัน

ไซแอนโนแบคทีเรีย UCYN-A จะได้รับสารอาหารและพลังงานจากสาหร่าย

และเพื่อตอบแทน พวกมันจะช่วยตรึงก๊าซไนโตรเจนและเปลี่ยนให้เป็นแอมโมเนียหรือสารประกอบไนโตรเจนอื่นๆ ที่สาหร่ายเอาไปใช้ต่อได้

โจนาธานมั่นใจว่านี่คืออีกหนึ่งคู่ตุนาหงันที่เชื่อมโยงและเกื้อกูลกันและกันผ่านกาลเวลาแห่งการวิวัฒนาการ

แต่ถ้าจะให้กระจ่างชัดว่าความสัมพันธ์ของทั้งคู่นั้นแนบแน่นแค่ไหน โจนาธานจะต้องใช้สาหร่าย (และไซแอนโนแบคทีเรีย) จำนวนมาก และนั่นเป็นปัญหาใหญ่ เพราะในเวลานั้น ไม่มีใครรู้ว่าจะทำยังไงจึงจะเลี้ยงสาหร่ายและไซแอนโนแบคทีเรียคู่ซี้คู่นี้ให้เติบโตได้ในห้องทดลอง

และไม่ว่าทีมของเขาจะทุ่มเท คอยทะนุถนอม กล่อมเกลี้ยงเลี้ยงดู ประคบประหงมดีแค่ไหน น้องสาหร่ายยังไงก็ไม่ยอมโต

…จนในที่สุด พวกเขาก็เลยต้องยอมพับโปรเจ็กต์เก็บเอาไว้ก่อน และนั่นทำให้โจนาธานหัวใจสลาย

 

งานนี้ถูกดองเอาไว้นับสิบปี จนกระทั่ง เคียวโกะ ฮากิโนะ (Kyoko Hagino) นักชีววิทยาทางทะเลจากมหาวิทยาลัยโคชิ (Kochi University) ในประเทศญี่ปุ่น ค้นพบวิธีการเพาะเลี้ยงสาหร่าย (และไซแอนโนแบคทีเรีย) เจ้าปัญหาในห้องทดลองได้เป็นผลสำเร็จ

ซึ่งโจนาธานเผยว่า “ต้องขอบคุณเคียวโกะ ความทุ่มเทนับสิบปีของเธอ ทำให้งานวิจัยนี้เดินหน้าต่อไปได้” และนั่นทำให้พวกเขาสามารถทดสอบได้ว่า UCYN-A ได้ลดรูปจนกลายเป็นส่วนหนึ่งของสาหร่ายไปเรียบร้อยแล้วหรือยัง

โจนาธานตั้งสมมุติฐานเอาไว้ว่าถ้า UCYN-A ได้กลายไปเป็นออร์แกเนลล์หนึ่งของเซลล์สาหร่ายไปแล้วจริง ไซแอนโนแบคทีเรีย UCYN-A จะต้องยึดโยงอยู่กับสาหร่าย และจะต้องพึ่งพาโปรตีนจากสาหร่ายเพื่อให้สามารถทำงานได้ดังที่ควรจะเป็น

ซึ่งจากศึกษาโปรตีนใน UCYN-A เขาก็พบว่า UCYN-A นั้นขาดโปรตีนสำคัญไปหลายชนิด ทั้งในการสังเคราะห์แสง และการจำลองแบบดีเอ็นเอ และนั่นทำให้พวกมันจำเป็นต้องพึ่งพาโปรตีนจากสาหร่ายจริงๆ เพื่อให้สามารถทำงานได้ และสามารถก๊อบปี้ตัวเองเพื่อการแบ่งเซลล์ขยายเผ่าพันธุ์ได้

และถ้า UCYN-A เป็นส่วนหนึ่งของสาหร่าย ในทุกการแบ่งเซลล์ของสาหร่าย พวกมันก็จะต้องแบ่งเซลล์ของมันไปด้วยให้สอดคล้องกันเพื่อที่จะได้ส่งต่อเซลล์ลูกหลานของมันไปยังเซลล์สาหร่ายรุ่นต่อไป และเพื่อพิสูจน์สมมติฐานนี้ โจนาธานและทีมเริ่มถ่ายภาพเซลล์สาหร่ายในระยะต่างๆ ระหว่างการแบ่งเซลล์

ซึ่งผลที่ได้ ก็คือในช่วงก่อนที่สาหร่ายจะเริ่มแบ่งเซลล์ UCYN-A จะเริ่มแบ่งจากหนึ่งเป็นสองก่อนเสมอ และถูกส่งต่อไปให้เซลล์ลูกของสาหร่ายกันไปอย่างเท่าเทียมก่อนที่การแบ่งเซลล์สิ้นสุดลง ซึ่งเหมือนกันเป๊ะเลยกับออร์แกเนลล์อื่นๆ

โปรตีนก็ต้องพึ่งสาหร่าย แถมการแบ่งเซลล็ก็ยังต้องตามสาหร่ายอีก

และเมื่อผลการทดลองระบุได้ชัดเจนขนาดนี้ว่าชะตาของ UCYN-A นั้นยึดโยงแน่นแฟ้นอยู่กับสาหร่ายจนไม่สามารถจะแยกออกจากกันได้ โจนาธานและทีมจึงสรุปได้อย่างมั่นใจว่า ไซแอนโนแบคทีเรีย UCYN-A นั้นได้สูญเสียคุณสมบัติในการเป็นเซลล์อิสระไปจนหมดสิ้น และได้ลดรูปตัวเองกลายไปเป็นออร์แกเนลล์ตรึงไนโตรเจนที่เรียกว่า “ไนโตรพลาสต์” ไปเป็นที่เรียบร้อยแล้ว

กลายเป็นเบอร์สามในลิสต์ของออร์แกเนลล์ที่เกิดจาก SET ที่ทำให้วงการชีววิทยาทั่วโลกต้องสั่นสะเทือน

 

สําหรับผม สิ่งหนึ่งที่ผมได้จากเรื่องราวของการค้นพบไนโตรพลาสต์นี้ ก็คือ “ในโลกใบนี้ ยังมีอะไรอีกมากที่เรายังไม่รู้”

แม้แต่ในจุลินทรีย์ที่จิ๋วจ้อยเสียยิ่งกว่าผงธุลี ยังอาจจะมีปริศนาซ่อนเร้นที่ทำให้มนุษย์สุดอหังการ์ที่อยากพลิกฟ้าแปลงดินได้แปลกใจ

บางที การทุ่มเงินลงทุนไปกับงานวิจัยพื้นฐานที่นำไปสู่ความเข้าใจที่ถ่องแท้ อาจจะให้ผลตอบแทนที่งดงาม และยั่งยืนเกินกว่าที่เราคาดไว้ก็เป็นได้

เพราะถ้าเราเข้าใจกลไกของการตรึงไนโตรเจนได้ดีพอ บางที หนทางสู่การสร้างพืชซูเปอร์ฟู้ดที่ตรึงไนโตรเจนเองได้ เลี้ยงง่าย โตไว ไม่ต้องใส่ปุ๋ย ก็อาจจะอยู่ไม่ไกล…

 

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022