ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ

เปิดตัวจักรกลจิ๋วพลังสาหร่าย

สุนัขลากเลื่อนต้องหลบขวา รถเทียมม้าต้องชิดซ้าย เมื่อนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียว (Tokyo University) ประเทศญี่ปุ่น ได้ออกแบบรถลากเทียมเซลล์ได้สำเร็จเป็นครั้งแรกของโลก เซลล์ที่พวกเขาสนใจก็คือเซลล์ของสาหร่ายที่ว่ายน้ำได้ที่ชื่อว่า “คลาไมโดโมแนส เรนฮาร์ดติไอ (Chlamydomonas reinhardtii)” หรือที่นักวิจัยส่วนใหญ่มักจะเรียกสั้นๆ ว่า “คลามี่ (Chlamy)”

คลามี่เป็นสาหร่ายสีเขียวเซลล์เดียว รูปร่างกลม มีหางสองหาง (เรียกว่า แฟลเจลลา (Flagella)) มีนิวเคลียสและออร์แกเนลล์ต่างๆ ครบถ้วนสมบูรณ์ตามสไตล์เซลล์ยูคาริโอตทั่วไป

ที่สำคัญ เลี้ยงง่ายในแล็บ จึงเป็นหนึ่งในเซลล์ที่นักวิจัยจำนวนมากมายนิยมนำมาใช้เป็นแบบจำลองในการศึกษากลไกต่างๆ ภายในเซลล์ ตั้งแต่กระบวนการสังเคราะห์แสง การสร้างองค์ประกอบของเซลล์ ไปจนถึงกลไกการเคลื่อนที่ในระดับเซลล์ การโบกพัดของแฟลเจลลา และอื่นๆ

แม้จะเป็นเซลล์ยูคาริโอตที่มีออร์แกเนลล์ค่อนข้างครบ ขนาดเซลล์ของคลามี่ถือว่าเล็กถ้าเทียบกับเซลล์มนุษย์หรือเซลล์ของยูคาริโอตชนิดอื่นๆ นั่นคือมีขนาดเพียงแค่ราวๆ หนึ่งในสิบของเส้นผ่านศูนย์กลางเส้นผมมนุษย์โดยเฉลี่ย หรือเพียงแค่ราวๆ 10 ไมโครเมตรเท่านั้น

ในธรรมชาติ คลามี่เคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็วมากในน้ำ ด้วยแฟลเจลลา (หรือหาง) ทั้งสองเส้นที่โบกสะบัดพัดส่ายได้อย่างทรงพลัง ทำให้คลามี่สามารถโผในน้ำได้ไกลสูงสุดถึง 100 ไมโครเมตร (หรือสิบช่วงเซลล์) ต่อวินาที

“ด้วยประทับใจในความสามารถในการว่ายน้ำที่ทั้งรวดเร็วและไร้ขีดจำกัดของคลามี่ซึ่งเป็นสาหร่ายที่พบได้ทั่วไปทั่วโลก ผมเกิดแรงบันดาลใจอยากที่จะทดลองและคิดหาวิธีใช้ประโยชน์จากพวกมัน” นาโอโตะ ชิมิสึ (Naoto Shimizu) นักศึกษาปริญญาเอกในทีมโตเกียว ผู้ริเริ่มโครงการนี้กล่าว นี่จะเป็นอะไรที่เจ๋งมาก ถ้าทำได้สำเร็จ เพราะสาหร่ายคลามี่เคลื่อนที่ได้เอง ไม่จำเป็นต้องหาแหล่งพลังงานข้างนอกอย่างสนามแม่เหล็กหรือแบตเตอรี่มาเสริมให้

ปัญหาจึงอยู่ที่ต้องหาวิธีจับสาหร่ายมาเทียมแอกใช้งานให้ได้ และที่สำคัญ ที่ดักจับ หรือกับดักสาหร่ายจะต้องยึดเซลล์ได้แน่นพอจะดักเซลล์สาหร่ายได้แบบไม่ให้หลุด แต่ก็ต้องหลวมและมีที่ว่างมากพอที่จะให้สองหางของสาหร่ายโบกสะบัดพัดว่ายได้อย่างอิสระ

แต่ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน การออกแบบและปรินต์กับดักสาหร่ายขนาดจิ๋วออกมาเป็นสามมิติอาจจะไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะกับดักที่ดีไม่ควรที่จะใหญ่กว่าเซลล์มากนัก และถึงตอนนี้ โมเดลสามมิติที่ซับซ้อนที่เล็กที่สุดเป็นรูปเรือลากจูง เบนชี่ (Benchy) ถูกปรินต์ออกมาในปี 2020 โดยทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเลเดน (Leiden University) ในประเทศเนเธอแลนด์ ก็ยังมีขนาดใหญ่กว่าเซลล์คลามี่ถึงสามเท่า

ความจิ๋วของเซลล์สาหร่ายจึงเป็นความท้าทายทางวิศวกรรม

ฝันแล้วไม่ทำ ยังไงก็ไม่เกิดผล พอได้ไอเดียเคลียร์และชัด โชจิ ทาเกอูชิ (Shoji Takeuchi) วิศวกรและหัวหน้าทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียวจึงตัดสินใจให้ทีมเริ่มเดินหน้าออกแบบกับดักสาหร่ายเพื่อดักจับคลามี่ขึ้นมาในแล็บของเขา

ไม่นาน ฮารุกะ โอดะ (Haruka Oda) นักวิจัยของโชจิก็ออกแบบกรงดักสาหร่ายออกมาได้เป็นผลสำเร็จ กับดักขนาดจิ๋วหน้าตาเหมือนตะกร้าที่กว้างเพียงแค่ราวๆ 50-60 ไมโครเมตรถูกพิมพ์ขึ้นมาจากพลาสติกชิ้นจิ๋ว

ฮารุกะเรียกกับดักทรงตะกร้าของเธอว่า ไมโครแทรป (microtrap) แม้จะดูไม่ซับซ้อน แต่แท้จริงแล้วถูกออกแบบมาอย่างถี่ถ้วน

เซลล์คลามี่ที่ว่ายผ่านจะถูกกักติดอยู่ในตะกร้า แต่ด้วยช่องเปิดที่ใหญ่ตรงปลายตะกร้า ส่วนหางของคลามี่จะยื่นออกมา ทำให้สามารถว่ายน้ำ เคลื่อนที่ได้เป็นปกติ

กับดักของฮารุกะถูกออกแบบมาได้อย่างแยบยลและน่าสนใจ คือ ไม่ได้แค่ดักแล้วกักขัง แต่เป็นการดักเพื่อเทียมไว้ใช้ แต่เพราะว่าเซลล์นั้นติดอยู่ข้างใน จะเคลื่อนไปไหนก็ต้องลากตะกร้าไปด้วย

และเพื่อแสดงให้เห็นชัดว่าเซลล์คลามี่สามารถถูกเอามาขับเคลื่อนเครื่องจักรกลขนาดจิ๋วได้จริง ฮารูกะตัดสินใจต่อยอดการออกแบบของเธอไปอีกขั้น

จากตะกร้า เธอเอามาต่อยอดเป็น สกูตเตอร์ (Scooter) จักรกลจิ๋วระดับไมโครขับเคลื่อนด้วยแรงสาหร่าย หน้าตาคล้ายรถเทียมม้าศึกโบราณที่เรียกว่า แชริออต (chariot) แต่แทนที่จะเทียมด้วยม้า 2 ตัว กลับเทียมด้วยสาหร่ายคลามี่จำนวน 2 เซลล์หันหน้าไปในทางเดียวกันแทน

ฮารุกะเผยว่า พวกเขาแทบไม่ต้องรอลุ้นเลยว่า คลามี่เข้าไปติดในกับดักหรือไม่ เพราะแค่ใส่สกูตเตอร์ลงไป สาหร่ายคลามี่ก็เข้าไปประจำตำแหน่งม้าศึกประจำรถอย่างรวดเร็ว รถศึกเทียมสาหร่ายคลามี่ก็เริ่มเคลื่อนไปข้างหน้าอย่างน่าอัศจรรย์

“เราได้แสดงให้เห็นว่าเราสามารถตรึงสาหร่ายพวกนี้ไว้ได้ โดยที่ความสามารถในการเคลื่อนที่ของพวกมันไม่เสียไป ซึ่งจะเป็นการเปิดช่องทางใหม่ๆ ในการขับเคลื่อนจักรกลไมโคร (micromachines) ที่จะเป็นประโยชน์ทั้งในทางวิศวกรรมและการวิจัย” โชจิกล่าว

และจากคลิปที่พวกเขาอัดมาได้ ต้องบอกว่ารถเทียมสาหร่ายของพวกเขาวิ่งได้ราบรื่นอย่างประหลาด ไม่ต่างรถเทียมม้าศึกโรมันในอดีต ซึ่งเป็นอะไรที่น่าเซอร์ไพรส์มาก

ใครจะรู้ว่าคลามี่สองเซลล์จะว่ายน้ำสอดประสานกันได้สวยงาม ราบรื่น ขนาดนั้น

สกูตเตอร์กลายเป็นแรงบันดาลใจใหม่ให้ฮารุกะออกแบบจักรกลไมโครขับเคลื่อนด้วยแรงสาหร่ายเวอร์ชั่นที่สองออกมา เรียกว่า โรเทเตอร์ (rotator)

โรเทเตอร์ เป็นเครื่องจักรกลหน้าตาเหมือนกังหันสี่แฉก ที่ปลายแต่ละแฉกจะมีกับดักคลามี่ติดอยู่ และเมื่อคลามี่ติดในกับดัก และทำงานร่วมกัน สัมพันธ์กัน พวกมันทั้งหมดก็จะช่วยกันหมุนกังหันเป็นวงกลมได้อย่างต่อเนื่องและมั่นคง

คำถามคือสี่สหายสาหร่ายเซลล์เดียวที่ไม่ได้มีความเชื่อมโยงใดๆ ร่วมกัน นอกจากโดนจับขังอยู่ในจักรกลเดียวกัน (คนละแฉก) จะทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิภาพได้จริงหรือ

ถ้าคลามี่ทั้งสี่ทำงานร่วมกันได้จริง กังหันต้องหมุน จะไว จะช้า แต่ว่าอย่างน้อยต้องหมุนไปในทิศทางเดียว ไม่สลับไป สลับมา

คลิปที่ทีมวิจัยอัดมาได้นั้นน่าประทับใจ แม้กังหันจะมีขนาดใหญ่กว่าคลามี่ถึงห้าเท่า ก็ยังสามารถหมุนได้ไวถึง 20-40 ไมโครเมตรต่อวินาทีเมื่อเทียมด้วยสาหร่ายจิ๋วสี่เซลล์ ซึ่งถือว่าน่าตื่นเต้นมากในเชิงวิศวกรรม เพราะแสดงว่าสาหร่ายพวกนี้ทำงานสอดประสานกันได้เป็นอย่างดี

โชจิและทีมตีพิมพ์เผยแพร่งานของเขาออกมาในเดือนกรกฎาคม 2024 ในวารสาร Small

แม้ไอเดียจะน่าสนใจ การประยุกต์ใช้แบบเป็นเนื้อเป็นหนังอาจจะต้องรออีกสักพัก แต่ด้วยเป็นงานประยุกต์ในเชิงกลแรกๆ ที่หาทางจับเอาเซลล์มาใช้ประโยชน์โดยตรง การต่อยอดก็น่าจะทำได้อย่างค่อนข้างหลากหลาย อย่างเช่นการศึกษาการทำงานสอดประสานร่วมกันของเซลล์ ที่อาจเป็นประโยชน์ในการออกแบบจักรกลจิ๋วรุ่นต่อไปที่ซับซ้อนกว่านี้

“วิธีการที่เราพัฒนาขึ้นมานี้ไม่ได้มีประโยชน์แค่ในการสังเกตการเคลื่อนที่ของสาหร่ายแต่ละเซลล์เท่านั้น แต่ยังคงมีประโยชน์ในการออกแบบเครื่องมือที่ใช้เพื่อวิเคราะห์การเคลื่อนที่แบบสอดประสานกันของเซลล์ภายใต้สภาวะกดดันได้อีกด้วย”

และถ้ารู้ว่าสาหร่ายคลามี่จะเปลี่ยนพฤติกรรมอย่างไรเมื่อโดนสารพิษ มลพิษ หรือน้ำเสีย จักรกลเช่นนี้ก็อาจจะเอามาใช้ในการติดตามคุณภาพสิ่งแวดล้อม น้ำ สารพิษ และอื่นๆ ได้อีกด้วย

วิทยาศาสตร์พัฒนาไปไว ปีนี้เปิดตัวไอเดียใหม่ มีแค่รถเทียมสาหร่าย กับกังหันแรงสาหร่ายธรรมดาๆ แต่ใครเล่าจะรู้ ปีหน้าเมื่อทุกอย่างเริ่มเข้าที่เข้าทาง บางทีอาจจะมีใครสักคนสร้างหุ่นยนต์ดักสารพิษขับเคลื่อนด้วยเซลล์สาหร่ายออกมาให้ตื่นตาตื่นใจก็เป็นได้

คงต้องรอดูต่อไป…

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022