Natural Science : พลาสมิด ปรสิตวิตถารและเซ็กซ์หมู่ระดับไมโคร โดย ดร.ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

กลางงานปาร์ตี้ที่เบียดเสียด สหายแปลกหน้าที่ยืนอยู่ใกล้ๆเหยียด “แขน” มาแตะคุณเบาๆ ทันใดนั้นเชือกประหลาดยาวสามสิบกว่าเมตรทะลุเข้าร่างคุณในไม่กี่นาที หน้าตาของคุณก็ค่อยๆบิดเบี้ยวเปลี่ยนเป็นละม้ายคล้ายสหายแปลกหน้าผู้นั้น งานปาร์ตี้เริ่มโกลาหล ต่างคนต่างเอื้อมมือแตะหลัง โอบไหล่ เชือกประหลาดเลื้อยไปมามั่วไปหมด

ปาร์ตี้สยองขวัญไซไฟจำลองจากเรื่องจริงระดับไมโครที่เล็กเกินกว่าตามองเห็น มันเป็นเรื่องราวของเซ็กซ์หมู่ ปรสิตวิตถาร และสงครามเอาตัวรอดของจุลินทรีย์ที่ดำเนินมาเป็นพันล้านปีทั้งบนบก ในน้ำ หรือแม้แต่บนร่างกายเรา

สิ่งมีชีวิตทั้งโลกมีดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม ดีเอ็นเอที่คนทั่วไปรู้จักคือดีเอ็นเอหลักในจีโนม ทำหน้าที่ส่งถ่ายพันธุกรรมจากรุ่นสู่รุ่น ตระกูลใครตระกูลมัน ดีเอ็นเอจากเราแต่ละคนจะไม่ถูกเอามาปนกัน ยกเว้นตอนปฏิสนธิที่ดีเอ็นเอจากจีโนมพ่อและแม่อย่างละครึ่งรวมกันเป็นจีโนมลูกที่เกิดใหม่ แต่พันธุกรรมในโลกจุลินทรีย์พิลึกพิสดารกว่านั้นมาก นอกจากจะส่งถ่ายจากรุ่นพ่อแม่สู่รุ่นลูกหลานแล้วยังแลกกันระหว่างเพื่อนบ้านได้บ่อยๆ

ช่วงยุค 1950s นักจุลชีววิทยาค้นพบว่าแบคทีเรียบางตัวส่งถ่ายยีนให้ตัวข้างๆได้ ยีนพวกนี้ไม่ได้อยู่บนจีโนมแต่อยู่บนดีเอ็นเอวงกลมๆที่แยกออกมาต่างหากที่เรียกว่าพลาสมิด (plasmid) หนึ่งในพลาสมิดแรกๆที่ถูกค้นพบได้ชื่อว่าพลาสมิดเจริญพันธุ์ (fertility plasmid) หรือเซ็กซ์พลาสมิด (sex plasmid) เพราะแบคทีเรียตัวไหนที่มีมันอยู่จะสามารถไป “ผสมพันธุ์” ด้วยการสร้าง “แขน” (sex pili) ยาวๆเกาะแบคทีเรียตัวข้างๆแล้วฉีดพลาสมิดตัวนี้ใส่เข้าไป

Advertisement

ภาพแบคทีเรียส่งพลาสมิดหากันจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
อ้างอิงคลิก

กระบวนการ “ผสมพันธุ์” หรือที่นักจุลชีววิทยาเรียกว่าการคอนจูเกชั่น (conjugation) อาจจะกินเวลาแค่ไม่กี่สิบนาที แต่ก็สามารถส่งพลาสมิดดีเอ็นเอยาวร่วมร้อยกิโลเบส (ประมาณ 30 เท่าของความยาวเซลล์) ข้ามไปได้ทั้งหมด เซลล์ที่รับพลาสมิดไปก็จะส่งก็อบปี้ และส่งพลาสมิดต่อไปยังเซลล์อื่นเรื่อยๆ

เราอาจจะเริ่มจากแบคทีเรียที่มีเซ็กซ์พลาสมิดพร้อมผสมพันธุ์แค่ตัวเดียว ทิ้งไว้ซักพักแบคทีเรียบริเวณนั้นก็จะผสมพันธุ์รับ/ส่งพลาสมิดกันมั่วไปหมด

Advertisement

“มันคือเซ็กซ์หมู่ระดับไมโคร” อาจารย์จุลชีววิทยาของผมท่านหนึ่งเคยเปรียบเทียบไว้

“สปีชีย์” ตามนิยามทั่วไปแยกสิ่งมีชีวิตเป็นกลุ่มๆตามความสามารถผสมพันธุ์ระหว่างกัน สิ่งมีชีวิตในสปีชีย์เดียวกันผสมพันธุ์กันได้ลูกออกมา ขณะที่สิ่งมีชีวิตต่างสปีชีส์ผสมพันธุ์กันไม่ได้ แต่ในโลกของจุลินทรีย์พลาสมิดอาจจะกระโดดข้ามจากเซลล์ชนิดหนึ่งถึงอีกชนิดที่อาจมีพันธุกรรมแตกต่างกันมากๆ จุลินทรีย์หลากชนิดที่อยู่ใกล้ๆกันอาจผสมถ่ายโอนดีเอ็นเอผสมปนเปกันไปหมด ขอบเขตของสปีชีย์ตามนิยามดังเดิมอาจจะใช้ไม่ได้แล้วในกรณีนี้ 

ในมุมวิวัฒนาการปรากฏการณ์แบคทีเรียมั่วเซ็กซ์นี้ทำให้ “ยีน” ไม่ได้ผูกติดอยู่กับสปีชีย์หนึ่งใดแต่สามารถแบ่งปันกันง่ายดาย แม้แต่สปีชีย์ที่สูญพันธุ์ไปก็อาจทิ้งมรดก “ยีน” ไว้ให้เพื่อนบ้าน

การแบ่งปันยีนไปมาแบบนี้เป็นหนึ่งในสาเหตุสำคัญของวิกฤติสาธารณสุขของศตวรรษนี้ 

การค้นพบยาปฏิชีวนะช่วงศตวรรษที่ยี่สิบช่วยชีวิตคนไว้นับล้าน แต่การใช้ยาปฏิชีวนะกันพร่ำเพรื่อทั้งในวงการแพทย์และปศุสัตว์ทำให้เชื้อทยอยกลายพันธุ์จนดื้อยาที่เรามีไปเกือบหมด ซ้ำร้ายยีนดื้อยามักจะอยู่บนพลาสมิด และอาจจะถูกส่งถ่ายกระจายข้ามพันธุ์แบคทีเรียผ่านกระบวนการคอนจูเกชั่นของพลาสมิด เชื้อดื้อยาสปีชีย์หนึ่งอาจจะส่งยีนไปให้อีกสปีชีย์หนึ่ง และยีนดื้อยาหลายยีนอาจจะกระโดดข้ามมาอยู่รวมกันในเซลล์เดียวโดยไม่ได้นัดหมายกลายเป็น “Superbugs” เชื้อดื้อยาที่ทนทายาดต่อยาแทบทุกชนิดที่มนุษย์เรามีอยู่

แบคทีเรียดื้อยาปฏิชีวนะ หนึ่งปัญหาใหญ่ที่ตามมาจากการแลกเปลี่ยนพลาสมิดในแบคทีเรีย
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว

พลาสมิดถูกพบในแบคทีเรียแทบทุกตระกูลทุกสิ่งแวดล้อมทั้งๆที่พลาสมิดแทบทั้งหมดไม่ได้มียีนอะไรที่จำเป็นจริงๆต่อแบคทีเรียเจ้าบ้าน อย่างมากก็เป็นยีนโบนัสที่อาจจะเป็นประโยชน์บ้างในสภาวะพิเศษ เช่น ยีนดื้อยา หรือยีนสังเคราะห์สารอาหารบางอย่าง  แต่ในสภาวะทั่วๆไปพลาสมิดน่าจะเป็นภาระด้วยซ้ำเพราะแบคทีเรียเจ้าบ้านต้องแบ่งทรัพยากรไม่น้อยมาหล่อเลี้ยงรักษามันไว้ ส่วนยีนที่เป็นประโยชน์จริงๆเอาไปเก็บไว้บนจีโนมน่าจะเป็นภาระน้อยกว่า

Plasmid Paradox” เป็นหนึ่งปริศนาวงการจุลชีววิทยากับคำถามที่ว่า “ทำไมพลาสมิดจึงพบได้แพร่หลายในแบคทีเรียธรรมชาติทั้งๆที่มันเป็นภาระ?” ทำไมวิวัฒนาการไม่กำจัดมันทิ้งไป?

คำอธิบายหนึ่งคือพลาสมิดไม่ใช่ “อวัยวะสืบพันธุ์”  แต่คือ “ปรสิต” ระดับดีเอ็นเอต่างหาก

พลาสมิดสามารถ “ระบาด” จากแบคทีเรียตัวหนึ่งไปแบคทีเรียอีกตัว ไม่ต่างจากการระบาดของโรค แบคทีเรียตัวที่มีพลาสมิดอาจจะอ่อนแอกว่าโตช้ากว่าแบคทีเรียที่ไม่มีพลาสมิด (เช่นเดียวกับคนป่วยที่ร่างกายไม่ฟิตเหมือนคนปกติ) แต่แบคทีเรียที่มีพลาสมิดก็ไม่ได้ “สูญพันธุ์” ไปเพราะยังมีแบคทีเรียได้รับพลาสมิดเข้ามาเพิ่มเรื่อยๆ  ดังนั้นต่อให้พลาสมิดเป็นภาระ แต่ถ้ามันแพร่ระบาดไปได้เร็วพอ มันก็จะไม่ถูกกำจัดทิ้งไปจากประชากร

แบคทีเรียเองก็มีภูมิคุ้มกันระดับเซลล์เป็นด่านคัดกรอง กลไกพวกนี้ตัดทำลายหรือกดการทำงานของพลาสมิดแปลกหน้าที่เข้ามาใหม่ บางครั้งก็สำเร็จบางครั้งพลาสมิดก็เล็ดรอดเข้ามาได้

พลาสมิดบางชนิด “ขู่ฆ่า” แบคทีเรียเจ้าบ้านด้วยการผลิตพิษและยาถอนพิษพร้อมกัน (toxin-antitoxin system) แบคทีเรียที่เก็บพลาสมิดไว้จะอยู่ปกติ แต่ถ้าพลาสมิดถูกกำจัดการผลิตทั้งพิษและยาถอนพิษจะหยุด ยาถอนพิษที่เสถียรน้อยกว่าจะสลายตัวไปเร็วกว่า เหลือไว้แต่พิษที่ฆ่าเซลล์ วิธีนี้บังคับให้เซลล์ต้องเก็บพลาสมิดไว้ตลอดไป

พลาสมิดบางตัวเข้าเซลล์แล้วอาจจะไปไล่พลาสมิดเดิมออก หรือกีดกันพลาสมิดตัวใหม่ไม่ให้เข้ามา ขณะที่พลาสมิดบางตัวอาจจะต้องพึ่งพาอาศัยกันถึงจะยึดครองเซลล์เจ้าบ้านได้

นอกจากนี้ความสามารถในการกระโดดข้ามเซลล์ทำให้พลาสมิดไม่ต้องฝากอนาคตไว้กับแบคทีเรียสายพันธุ์ใดสายพันธุ์หนึ่ง ในสภาวะธรรมชาติที่มีแบคทีเรียหลากหลายแก่งแย่งแข่งขันกัน มีแบคทีเรียหน้าใหม่ที่เก่งกว่าเดิมโผล่มาเรื่อยๆจากการกลายหรืออพยพย้ายถิ่น ความเป็นอิสระของพลาสมิดเพิ่มโอกาสย้ายสังกัดไปอยู่กับแบคทีเรียตัวท็อปแล้วได้ดิบได้ดีไปด้วยกัน (ภาษานักชีววิทยาเรียกว่า “hitchhiking” แปลตรงๆตัวว่า “โบกรถ” ขอติดไปด้วย)

สงคราม มิตรภาพและการหักเหลี่ยมชิงดีระหว่างพลาสมิดกับพลาสมิด, พลาสมิดกับแบคทีเรีย และระหว่างแบคทีเรียด้วยกันเป็นหนึ่งเรื่องราวที่น่าทึ่งของจุลชีววิทยาเชิงนิเวศน์และวิวัฒนาการ

พลาสมิด แบคทีเรีย และการตบตีชิงความเป็นใหญ่โลกจุลินทรีย์
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว

แต่พลาสมิดกว่าสามในสี่ที่เรารู้จักไม่สามารถกระโดดข้ามเซลล์ได้หรือไปได้ช้ามากๆ ดังนั้นก็น่าจะมีเหตุผลอื่นนอกจาก “การระบาด” ที่ทำให้มันยังคงอยู่กับเซลล์ในระยะยาวได้

อีกคำอธิบายคือพลาสมิดช่วยแบคทีเรีย “แทงกั๊ก” กระจายความเสี่ยงในสิ่งแวดล้อมที่ผันแปร

หลักวิวัฒนาการพื้นฐานสอนเราว่า “ยีนที่ดี” (เพิ่มโอกาสให้เซลล์อยู่รอด เติบโต สืบพันธุ์ มากกว่าคู่แข่ง) มักจะถูกคัดเลือกเอาไว้ ส่วน “ยีนที่ห่วย” จะถูกคัดทิ้งให้สูญพันธุ์ไป 

ในชีวิตจริง “ดี VS ห่วย”  ขึ้นอยู่กับสิ่งแวดล้อม ยีนห่วยในสิ่งแวดล้อมหนึ่งอาจจะดีเยี่ยมในอีกสิ่งแวดล้อม ดังนั้นถ้า “ยีนห่วย” ถูกกำจัดทิ้งจากประชากรเร็วเกินไป พอสิ่งแวดล้อมเปลี่ยนเซลล์ก็ไม่มีตัวเลือกอื่นนอกจาก “ยีน(เคย)ดี” อันเก่าที่ตอนนี้อาจจะไม่ได้เรื่องแล้ว

การเลือก “ยีนดี” ทิ้ง “ยีนห่วย” เร็วไปคือการลงทุนไม่กระจายความเสี่ยง เกมส์พลิกขึ้นมาก็เจ๊ง

พลาสมิดอาจจะมีบทบาทแก้ปัญหานี้ด้วย “จำนวนก็อบปี้” ของมันในเซลล์

ปกติพลาสมิดก็อปปี้ตัวเองเป็นอิสระจากจีโนม จำนวนก็อบปี้ของพลาสมิดหนึ่งๆในเซลล์มักจะมากกว่าจำนวนชุดจีโนมหลายเท่า นอกจากนี้ขณะที่จำนวนก็อบปี้ของจีโนมจะค่อนข้างคงที่ทั้งประชากร จำนวนก็อปปี้ของพลาสมิดของแต่ละเซลล์ในประชากรแตกต่างกันได้มากกว่า

“ยีน” บนจีโนมหรือบนพลาสมิดเป็นต้นฉบับสังเคราะห์โปรตีน จำนวนก็อปปี้ของยีนมีผลต่อระดับการสังเคราะห์โปรตีน ความหลากหลายขอจำนวนก็อปปี้พลาสมิดนำมาสู่ความหลากหลายของระดับการสังเคราะห์โปรตีนของแต่ละเซลล์ในประชากร ระดับสูงอาจเหมาะกับสิ่งแวดล้อมแบบหนึ่ง ระดับต่ำอาจเหมาะสิ่งแวดล้อมกับอีกแบบ การแทงกั๊กแบบนี้การันตีว่ามีแบคทีเรียบางส่วนที่มีระดับการแสดงออกยีนที่เหมาะสมกับสิ่งแวดล้อม

จำนวนก็อบปี้ของพลาสมิดยังอาจจะช่วยเร่งและรักษาความหลากหลายของยีนในเซลล์ไว้

จำนวนก็อบปี้ที่สูงเพิ่มโอกาสที่ก็อบปี้ใดก็อบปี้หนึ่งในนั้นจะเกิดการกลายเป็น “ยีนดี” ในทางกลับกันจำนวนก็อปปี้ของพลาสมิดช่วยชะลอกระบวนการการเลือก “ยีนดี” ทิ้ง “ยีนห่วย” เพราะยีนดีที่ว่าอาจจะถูกกดการแสดงออกไว้โดยยีนจากพลาสมิดก็อบปี้อื่นๆที่มีอยู่เดิม และต้องแข่งขันกับยีนเดิมบนพลาสมิดอื่นๆในเซลล์เดียวกันก่อนที่จะไปแข่งกับเซลล์อื่น กระบวนการนี้ทำให้ความหลากหลายทางพันธุกรรมถูกรักษาไว้ได้นานกว่า และเป็นผลดีต่อเซลล์ในระยะยาว

พลาสมิดอาจช่วยแบคทีเรียกระจายความเสี่ยง
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว

นอกจากสองคำอธิบายที่ว่ามาข้างต้นแล้วก็ยังมีอีกหลายทฤษฎีที่ได้รับการเสนอมา ไม่ว่าจะเป็นการที่พลาสมิดและเซลล์ปรับตัวเข้าหากันจนพลาสมิดไม่ได้เป็นภาระหนักของเซลล์อีกต่อไป พลาสมิดถูกใช้เป็นอาวุธชะลอการเจริญของเซลล์ผู้รับ หรือการที่พลาสมิดเองไปกระตุ้นการวิวัฒนาการบางอย่างของยีนในจีโนมทำให้มันวิวัฒนาการไปเร็วขึ้น ทฤษฎีต่างๆเหล่านี้ต่างมีหลักฐานสนับสนุนมากน้อยต่างๆกันไปในแบคทีเรียและพลาสมิดต่างๆกันไป คำตอบของ Plasmid Paradox อาจจะมีหลายข้อแต่ละข้อถูกต้องมากน้อยต่างกันตามชนิดพลาสมิด

นอกจากความสำคัญของพลาสมิดในมุมนิเวศน์วิทยา/วิวัฒนาการของแบคทีเรีย และในฐานะพาหะการแพร่ระบาดของเชื้อดื้อยาปฏิชีวนะแล้ว พลาสมิดยังมีบทบาทเป็นเครื่องมือชั้นเยี่ยมสำหรับงานพันธุวิศวกรรม การค้นพบพลาสมิดช่วงกลางศตวรรษที่ยี่สิบนำมาสู่การเริ่มต้นของวงการไบโอเทคในช่วงหลังยุค 70s

พลาสมิดเป็นดีเอ็นเอชิ้นเล็กเทียบกับจีโนม ตัดต่อ สกัด ส่งเข้าออกเซลล์ง่ายกว่าจึงมนุษย์เราใช้ส่งยีนเข้าไปในเซลล์ที่ต้องการ นอกจากนี้กลไกการส่งพลาสมิดระหว่างเซลล์ผ่านคอนจูเกชั่นช่วยให้เราสามารถเอาดีเอ็นเอชิ้นใหญ่ๆเข้าไปในเซลล์ได้ง่ายกว่าวิธีอื่นๆ ตัวอย่างที่ชัดสุดคือการส่งชิ้นดีเอ็นเอเข้าสู่เซลล์พืชด้วยการคอนจูเกตจากแบคทีเรีย หนึ่งในวิธีหลักที่มนุษย์เราใช้สร้างพืชปรับแต่งพันธุกรรมแทบทั้งหมดในปัจจุบัน 

การคอนจูเกชั่นยังเป็นวิธีเดียวที่ใช้ส่งชิ้นดีเอ็นเอขนาดใหญ่ๆหลักล้านเบสระหว่างเซลล์ ดีเอ็นเอยาวกว่าเซลล์เป็นร้อยๆเท่าถูกส่งผ่านอย่างสมบูรณ์ในเวลาไม่กี่ชั่วโมง นี่เป็นเทคนิคที่ถูกใช้ในการสร้างแผนที่ยีนบนจีโนมมาตั้งแต่ยุคบุกเบิกจุลชีววิทยา และยังเป็นอีกกลไกสำคัญที่ถูกใช้ในการวิศวกรรมจีโนมทั้งชิ้น

ความสามารถของคอนจูเกชั่นพลาสมิดบางชนิดในการส่งดีเอ็นเอให้เซลล์ไม่เลือกหน้าทำให้มันจะกลายเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการพันธุวิศวกรรมสังคมจุลินทรีย์ (microbiome) ที่เต็มไปด้วยเชื้อหลากหลายและส่วนใหญ่เรายังไม่รู้กลไกการแสดงออกของยีนหรือแม้แต่วิธีการเพาะเลี้ยงมันดีพอ การคอนจูเกชั่นถูกใช้ในการส่งชิ้นดีเอ็นเอทีเราต้องการไปฝังตัวและแสดงออกในเซลล์ปลายทางที่หลากหลายไม่เลือกหน้า จึงเป็นที่คาดกันว่ามันจะหนึ่งเครื่องมือสำคัญในงาน microbiome ประยุกต์

คอนจูเกชั่นและพลาสมิดเป็นเหมือนล่ามสากลที่เชื่อมต่อพันธุกรรมของเซลล์หลายหลายโดยเฉพาะพวกจุลินทรีย์เข้าด้วยกัน วิวัฒนาการไม่ใช่ต้นไม้ที่แตกกิ่งก้านแบ่งแยกสปีชีย์ห่างกันไปเรื่อยๆแต่ยังมีกลไกเหล่านี้เป็นสะพานเชื่อมไว้ ความสำส่อนวิตถารของพลาสมิดเป็นทั้งอาวุธของวิวัฒนาการที่ต่อสู้กับเทคโนโลยีอย่างยาปฏิชีวนะ และของขวัญพิเศษที่วิวัฒนาการมอบให้วงการไบโอเทคโนโลยีของเรา

เอกสารอ้างอิงคลิก

โปรดอย่าลืมกดติดตามเพจของ MIC ได้ที่ : Facebook MatichonMIC

QR Code
เกาะติดทุกสถานการณ์จาก Line@matichon ได้ที่นี่
Line Image