การสร้างยีสต์ให้สังเคราะห์แสงได้เป็นภารกิจสุดโหดของนักวิทยาศาสตร์ ที่หลายคนมองว่าไร้สาระ ไม่น่าจะมีทางเป็นไปได้ ทว่า หากมีใครสักคนทำได้สำเร็จ นี่อาจจะเป็นอีกหนึ่งจุดพลิกผันทางเทคโนโลยีชีวภาพ

ดังที่เล่าไปในตอนก่อนๆ ว่าคลอโรพลาสต์หรือออร์แกเนลล์ที่พืชและสาหร่ายใช้ในการเก็บเกี่ยวพลังงานจากแสง (หรือก็คือสังเคราะห์แสงนั่นแหละ) มีความซับซ้อนมาก ยากที่จะทำซ้ำขึ้นมาด้วยฝีมือมนุษย์ ซับซ้อนเสียจนทำให้นักวิจัยส่วนมากยอมแพ้ และเชื่อว่าหากจะทำยีสต์ให้สังเคราะห์แสงได้ การก๊อบปี้ยีนเพียงแค่ไม่กี่ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์แสงใส่ลงไปในจีโนมของยีสต์คงยังไม่พอ

และนั่นคือสาเหตุที่ทำให้แองกัด เมห์ตา (Angad Mehta) จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา แชมเปญ (University of Illinois Urbana Champaign) เลือกที่จะใช้ทางลัด โดยการยัดเยียด แบคทีเรียที่สังเคราะห์แสงได้ที่เรียกว่า “ไซแอนโนแบคทีเรีย” เข้าไปในเซลล์ยีสต์ และบีบให้มันทำหน้าที่เป็นเหมือนคลอโรพลาสต์ที่สังเคราะห์แสงสร้างพลังงานและส่งต่อพลังงานที่สร้างได้กลับไปยังเซลล์ยีสต์

วิธีการของแองกัดได้แรงบันดาลใจมาจากกลไกการเกิดขึ้นจริงๆ ของคลอโรพลาสต์ที่เรียกว่าเอนโดซิมไบโอสิส (endosymbiosis)

เขาและทีมสร้างเซลล์ยีสต์กลายพันธุ์ที่พิการจนไม่สามารถสร้างพลังงานเองได้ และสร้างเซลล์ไซแอนโนแบคทีเรียที่พิการขาดยีนจำเป็นจนดำรงอยู่ไม่ได้ หากไม่ได้อาศัยอยู่ร่วมกับเซลล์ยีสต์

มิต่างพ่อสื่อแม่ชัก แองกัดคลุมถุงชนให้เซลล์ทั้งสองชนิดแบบไม่เหลือทางใดให้เลือก เขาบังคับให้ไซแอนโนแบคทีเรียจำเป็นต้องอยู่กับยีสต์ และบีบให้ยีสต์ต้องอยู่กับไซแอนโนแบคทีเรีย

ไซแอนโนแบคทีเรียอาศัยอยู่ในเซลล์ยีสต์ สังเคราะห์แสงให้พลังงานกับเซลล์ยีสต์ แลกกับสารอาหารที่เซลล์ยีสต์ปรนเปรอให้ ทั้งคู่อยู่ด้วยกันเกื้อกูลกัน จนเหมือนเป็นส่วนหนึ่งของกันและกัน ยีสต์และไซแอนโนแบคทีเรียจึงกลายเป็นคู่ตุนาหงันที่มีความสัมพันธ์อันแนบแน่น หากแยกจากกันอาจหมายถึงชีวิต

แองกัดเรียกเซลล์ที่ได้จากการหลอมรวมไซแอนโนแบคทีเรียเข้ากับยีสต์ว่า “ไคมีรา”

ระบบของเขาจำลองแบบกระบวนการเอนโดซิมไบโอสิสในสายวิวัฒนาการมาได้อย่างสวยงาม ไคมีราครึ่งยีสต์ครึ่งไซแอนโนแบคทีเรียอยู่ด้วยกันราวกับเป็นเซลล์เดียวกัน พวกมันเติบโตและแบ่งเซลล์ไปด้วยกัน

“อย่างน้อยก็สิบห้าถึงยี่สิบรุ่น” แองกัดเผย และเพื่อให้ความสัมพันธ์แนบแน่นยิ่งกว่าเดิม นอกจากจะแชร์พลังงานที่ได้เขาได้ออกแบบให้ไซแอนโนแบคทีเรียแชร์สิ่งที่พวกมันได้จากการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์อย่างเช่นพวกน้ำตาลโมเลกุลเล็กอย่างกลูโคสให้ยีสต์ด้วย ซึ่งจะทำให้ยีสต์สังเคราะห์แสงได้อย่างสมบูรณ์แบบ โดยใช้ไซแอนโนแบคทีเรียแทนนคลอโรพลาสต์

ผลงานของแองกัด ไคมีราที่สามารถสังเคราะห์แสงและตรึงไนโตรเจนได้ถือได้ว่าเป็นจุดพลิกผันที่น่าสนใจในวงการเทคโนโลยีชีวภาพ

แต่สำหรับวิลเลียม แรตคลิฟฟ์ (William Ratcliff) นักชีววิทยาจากสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย (Georgia Institute of Technology) งานของแองกัดยากเกินไปที่จะแก้ปัญหาของเขา

วิลเลียมคร่ำหวอดอยู่กับงานวิจัยวิวัฒนาการในยีสต์มาแล้วกว่าทศวรรษ ผลงานชื้นโบแดงของเขาคือมัลตี้ (MuLTEE) หรือการทดลองวิวัฒนาการระยะยาวเพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (Multicellularity Long-Term Evolution Experiment)

วิลเลียมอยากรู้ว่ากลไกอะไรที่ทำให้จุลินทรีย์เซลล์เดียวนั้นวิวัฒนาการไปจนเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ได้ เพื่อจำลองแบบกลไกแห่งการวิวัฒน์ เขาเลือกที่จะใช้ยีสต์ที่เบสิกที่สุดซึ่งก็คือยีสต์ขนมปัง (baker yeast) เพื่อสร้างยีสต์เวอร์ชั่นหลายเซลล์ (multicellular yeast) ขึ้นมา

และเขาก็ทำได้สำเร็จ

โปรเจ็กต์นี้เริ่มต้นขึ้นเมื่อปี 2015 ในตอนนั้น วิลเลียมค้นพบว่าการกลายพันธุ์ของยีนทรานสคริปชั่นแฟ็กเตอร์ ACE2 ในยีสต์ ทำให้เซลล์ยีสต์ไม่สามารถแบ่งเซลล์แยกขาดออกจากกันเป็นเซลล์เดี่ยวๆ ได้ หลังการแบ่งเซลล์ เซลล์แม่กับเซลล์ลูกของยีสต์กลายพันธุ์จะเกาะอยู่ด้วยกัน และพอเวลาผ่านไป กลุ่มก้อนของพวกมันก็จะก็เริ่มที่จะขยายใหญ่ขึ้น และแผ่ออกในทุกทิศทาง มีรูปร่างที่เป็นเอกลักษณ์ดูละม้ายคล้ายรัศมีของเกล็ดหิมะ

ด้วยลักษณะที่เฉพาะตัวของมัน วิลเลียมตั้งชื่อยีสต์กลายพันธุ์ของเขาว่า “ยีสต์เกล็ดหิมะ (snowflake yeast)”

ในปี 2018 โอแซน บอซแดค (Ozan Bozdag) โพสต์ดอกของวิลเลียมก็เริ่มทดลองเอายีสต์เกล็ดหิมะไปเลี้ยงบนเครื่องเขย่า แล้วในแต่ละวันเลือกเก็บเอาแต่พวกที่โตเร็วและเกาะกลุ่มกันได้ดีมาเลี้ยงต่อ

หลังจากที่เลี้ยงไปราวๆ 3,000 รุ่น เขาก็พบว่ารูปร่างของเซลล์ของพวกมันผอมลงและยาวขึ้น

ในขณะเดียวกัน ขนาดของกลุ่มก้อนของยีสต์เกล็ดหิมะขยายใหญ่ขึ้นอย่างมหาศาล จากก้อนเล็กๆ ที่มีเซลล์แค่ไม่กี่ร้อยเซลล์ที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็น ไปเป็นก้อนขยุ้มยีสต์ที่มีจำนวนเซลล์เกือบห้าแสนเซลล์

มีขนาดก้อนเกือบเท่าแมลงหวี่ตัวเล็กๆ

ที่น่าสนใจคือเซลล์ยีสต์ที่เชื่อมต่อกันเกี่ยวพันสอดประสานกันเป็นเนื้อเยื่อยีสต์ที่มีความแข็งแรงไม่ต่างแท่งไม้ แข็งแรงกว่ากลุ่มก้อนเซลล์ยีสต์ตั้งต้นที่มีเนื้อสัมผัสไม่ต่างจากเจลาตินกว่า 10,000 เท่า

เป็นอะไรที่น่าตื่นเต้นเพราะการรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อนของยีสต์เกล็ดหิมะเวอร์ชั่นวิวัฒนาการไปแล้วทำให้เกิดเนื้อเยื่อยีสต์ซึ่งเป็นวัสดุแบบพิเศษที่ไม่เคยมีมาก่อน

 

เป็นเวลาเนิ่นนานแล้วที่มนุษย์พยายามที่จะเล่นกับชีววิทยาเพื่อวิวัฒนาการบางอย่างออกมาตั้งแต่ข้าวโพดที่เรากิน ไปจนถึงสุนัขบ้าน ไก่และพิราบโชว์ ในมุมมองของวิลเลียมเขาเชื่อว่าสิ่งที่เขาทำไม่ใช่เรื่องพิเศษพิสดาร เขาแค่อยากศึกษาวิวัฒนาการให้เข้าใจอย่างถ่องแท้ โดยใช้ยีสต์ของเขาก็เท่านั้น

แม้ก้อนเนื้อเยื่อยีสต์ของเขาจะโตบิ๊กเบิ้มขนาดที่มองเห็นด้วยตาเปล่าได้สบายๆ แต่วิลเลียมก็ยังอยากให้ก้อนยีสต์นั้นใหญ่ขึ้นไปได้อีก หรือพัฒนาเป็นโครงสร้างอะไรที่ซับซ้อนยิ่งไปกว่านั้น

แต่นี่ไม่ใช่ปัญหาที่จะแก้ได้ง่ายดาย วิลเลียมเจอทางตัน เพราะพอกลุ่มก้อนของยีสต์เติบโตใหญ่ขึ้น ปริมาณออกซิเจนที่แพร่เข้าไปในเซลล์ที่ภายในก้อนก็เกิดขึ้นได้ยากขึ้นและนั่นทำให้ขนาดก้อนยีสต์นั้นโตได้อย่างจำกัดและหนทางหนึ่งที่อาจจะแก้ปัญหานี้ได้ ก็คือต้องหาทางทำให้ยีสต์สังเคราะห์แสงเองให้ได้

แน่นอน เขาเจอวิธีของแองกัด แต่การจะสร้างเนื้อเยื่อขึ้นมาพร้อมกับบังคับให้เกิดซิมไบโอสิสกับไซแอนโนแบคทีเรียไปด้วยนั้น ไม่ใช่เรื่องง่าย วิลเลียมเริ่มมองต่างมุม บางที การจะทำให้เซลล์ยีสต์สังเคราะห์แสงได้นั้น อาจจะไม่จำเป็นต้องยัดเยียดให้ยีสต์ยอมรับเอาไซแอนโนแบคทีเรียเข้าไปเป็นคลอโรพลาสต์เหมือนในพืชหรือสาหร่ายก็ได้

เพราะการสังเคราะห์แสงอาจจะไม่ใช่หนทางเดียวที่จะเปลี่ยนแสงไปเป็นพลังงานในสิ่งมีชีวิต

 

โปรตีนโรดอปซิน (Rhodopsin) พบได้ในสิ่งมีชีวิตแทบจะทุกชนิดในสายวิวัฒนาการ โปรตีนตัวนี้พิเศษคือตัวสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงให้กลายเป็นพลังงานที่ใช้ในการขนส่งโปรตรอนย้อนความต่างของความเข้มข้นด้วยตัวมันเองได้ (โดยในคนจะพบในเรตินาของตา ทำหน้าที่ในการรับแสงและกระตุ้นการส่งกระแสประสาทเพื่อให้รับรู้ต่อแสงได้)

แต่ส่งไป ก็ต้องมีย้อนกลับ ในเวลาที่โปรตอนไหลกลับตามความต่างของความเข้มข้น ในหลายกรณีจะส่งแรงขับเคลื่อนให้เอนไซม์สร้างสารพลังงานสูงที่เรียกว่าเอทีพี (ATP) เก็บเอามาไว้ใช้งานได้ ไม่ต่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจากพืช หรือสาหร่าย

และเพื่อให้ยีสต์ได้ประโยชน์สูงสุดจากโปรตีนโรดอปซิน ออทัมน์ พีเทอร์สัน (Autumn Peterson) นักวิจัยในห้องแล็บของวิลเลียม ตัดสินใจโคลนยีนโรดอปซินจากเชื้อราเขม่าข้าวโพด (Ustilago maydis) เพราะเป็นพวกฝังใจเช่นเดียวกันกับยีสต์ เพื่อมาปรับแต่งและกำหนดให้โปรตีนโรดอปซินนั้นถูกสร้างและส่งไปที่แวคิวโอลของยีสต์ ซึ่งเป็นที่เก็บโปรตอนขนาดใหญ่ภายในเซลล์

น่าสนใจ เพราะแทนที่จะสร้างไคมีรา “ครึ่งยีสต์ครึ่งไซแอนโนเบคทีเรีย” วิลเลียมและทีมเลือกที่จะจำลองแบบการวิวัฒน์ของโรดอปซินขึ้นมาแทน

และที่น่าตื่นเต้นที่สุด ก็คือภารกิจโคลนยีนโรดอปซินจากเชื้อราของออทัมน์สำเร็จอย่างสวยงาม และทำให้ยีสต์ที่ได้ยีนไปโตเร็วขึ้นถึง 2 เปอร์เซ็นต์ในสภาวะที่มีแสงเมื่อเทียบกับในที่มืด ซึ่งผิดไปจากธรรมชาติของยีสต์ที่ปกติแล้วจะไม่ชอบแสงเท่าไรนัก

 

ตัวเลข 2 เปอร์เซ็นต์อาจจะดูเป็นตัวเลขที่ไม่เยอะ แต่ถ้ามองในมุมของการแข่งขันในสมรภูมิแห่งวิวัฒนาการ 2 เปอร์เซ็นต์อาจสร้างความแตกต่างได้จากหน้ามือเป็นหลังมือ

เพราะเมื่อผ่านวัฏจักรแห่งวิวัฒนาการ “กลายพันธุ์ หลากหลาย คัดเลือก รอด” ไปหลายๆ รอบ จาก 2 เปอร์เซ็นต์อาจจะเปลี่ยนไปเป็น 20 เปอร์เซ็นต์ก็เป็นได้

ถ้าทดลองทำไปนานๆ ไม่แน่ ยีสต์ของวิลเลียมและออทัมน์อาจจะสังเคราะห์แสงได้ไม่แพ้ไซแอนโนเเบคทีเรีย สาหร่าย หรือแม้แต่พืชเลยก็ได้ ใครจะรู้!!

และถ้าจะมองว่าสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้คือต้นสายของวัฏจักรคาร์บอน ในยามที่เทคโนโลยีนี้สุกงอม

ไม่แน่ว่าบางที “จุดเปลี่ยนแห่งวัฏจักรคาร์บอน” เพื่อความยั่งยืนฝึกอาจจะอยู่ไม่ไกลแล้วก็เป็นได้

 

 

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022