ละครประกอบด้วยกลุ่มนักแสดงที่เล่นตามบท นักแสดงแต่ละคนอาจจะสวมบทเป็นตัวละครพระเอก นางเอก นางอิจฉา โจร คนใช้ ฯลฯ แต่ละตัวละครมีบุคลิก อุปนิสัย พรสวรรค์ ปมด้อย ฯลฯ ต่างกันไป คุณสมบัติพวกนี้กำหนดปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวละครและทิศทางการดำเนินเนื้อเรื่อง
ถ้าระบบนิเวศน์เป็น “ละคร” สิ่งมีชีวิตในนั้นก็เปรียบเป็น “นักแสดง” ชนิดและคุณสมบัติของสิ่งมีชีวิตนั้นๆกำหนดว่ามันจะรับบทอะไร จะล่าใครหรือถูกใครล่า? จะต้องแข่งขันหรือร่วมมือกับใคร? นักแสดงพวกนี้ถือบท “ตัวละคร” ค่อนข้างตายตัวเพราะข้อจำกัดด้วยลักษณะกายวิภาค สรีวิทยาและสัญชาติญาณที่ฝังในพันธุกรรมของสปีชีส์นั้นๆ กวางคงไม่เปลี่ยนบทไปล่าเสือ และนกเอี้ยงคงไม่เปลี่ยนบทไปเลี้ยงแมว ฯลฯ
ในละครแห่งระบบนิเวศน์ที่เราคุ้นเคย นักแสดงแต่ละสปีชีส์รับได้แต่บทตัวละครแบบเดิมๆ ถ้าทีมนักแสดงเปลี่ยนไปแม้จะแค่บางส่วนละครทั้งเรื่องก็ต้องเปลี่ยนไปด้วยเพราะ “นักแสดง” และ “ตัวละคร” ผูกติดอยู่ด้วยกัน
กองละครแบบนี้คงไม่ค่อยเวิร์กเท่าไหร่เพราะบทละครไม่เคยนิ่งต้องเปลี่ยนไปเรื่อยๆตามนักแสดงที่เข้าๆออกๆ
จะดีกว่าไหมถ้า “นักแสดง” และ “ตัวละคร” เป็นอิสระต่อกัน? นักแสดงแต่ละสปีชีส์สลับสับเปลี่ยนรับบทตัวละครกันได้หลากหลาย บทละครยังคงเดิม ตัวละครยังคงเดิม แค่สลับบทบาทกันใหม่
งานวิจัยล่าสุดของทีมวิจัยของ Lingchong You จาก Duke University นำเสนอว่าการแลกเปลี่ยนบทผ่านสารพันธุกรรมอาจจะเป็นกุญแจสำคัญของการรักษาสมดุลนิเวศน์จุลินทรีย์และอาจจะเป็นอีกเคล็ดลับสำหรับการพันธุวิศวกรรมชุมชนจุลินทรีย์เพื่ออุตสาหกรรมชีวภาพ สิ่งแวดล้อม การเกษตรและการแพทย์ในอนาคต
ชุมชนจุลชีพ (microbiota) ประกอบด้วยจุลินทรีย์หลากสายพันธุ์ที่อยู่ร่วมสภาพแวดล้อมเฉพาะถิ่นเดียวกันพบได้ในแทบทุกท้องที่ทั้งในดิน น้ำ กองขยะ หรือแม้แต่ร่างกายสัตว์ พืชและมนุษย์ ชุมชนจุลชีพเป็นระบบนิเวศน์ขนาดเล็กเกินตามองเห็นแต่ก็ซับซ้อนและดุเดือดไม่ด้อยไปกว่าระบบนิเวศน์สเกลใหญ่ๆที่เราคุ้นเคย เป็นระบบนิเวศน์ที่มีผู้ล่า-เหยื่อ คู่แข่ง-พันธมิตร และการหักเหลี่ยมชิงดีของเหล่าจุลินทรีย์ด้วยสารพัดชั้นเชิงวิวัฒนาการ
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
บทบาทของจุลินทรีย์แต่ละสปีชีส์แต่ละสายพันธุ์ถูกกำหนดด้วยชุดยีนที่พวกมันมีอยู่ ยีนพวกนี้เป็นตัวบอกว่าจุลินทรีย์แต่ละตัวกินอะไร ขับถ่ายอะไร ติดอาวุธแบบไหน ทนสภาวะแบบไหน ฯลฯ ดังนั้นยีนจึงเป็นเหมือน “บท” ที่กำหนดหน้าที่ของจุลินทรีย์แต่ละสายพันธุ์ในฐานะ “ตัวละคร” แต่ละตัว จุลินทรีย์บางสายพันธุ์อาจต้องแย่งอาหารแบบเดียวกัน บางสายพันธุ์อาจพึ่งพากันด้วยการแลกอาหารและสิ่งขับถ่าย บางสายพันธุ์อาจเป็นปรสิตเกาะกินอีกสายพันธุ์ บางสายพันธุ์อาจจะขนอาวุธหนักปล่อยสารเคมีถล่มคู่แข่งโดยตรง ฯลฯ
“บทละคร” ทั้งเรื่องที่ชุมชนจุลชีพพวกนี้แสดงร่วมกันยังเป็นตัวกำหนดปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันกับสิ่งแวดล้อมที่พวกมันอาศัยอยู่ ชุมชนจุลชีพแต่ละกลุ่มจะมีคุณสมบัติการก่อโรค ดื้อยาปฏิชีวนะ ส่งเสริมสุขภาพ สร้างมลภาวะ หรือช่วยย่อยสลายสารพิษ ก็ขึ้นอยู่กับชุด “นักแสดง” คือจุลินทรีย์ที่อยู่ในนั้นและ “ตัวละคร” คือบทบาทเชิงนิเวศน์ที่พวกมันสวมอยู่ ถ้าชุดนักแสดง(ชนิดจุลินทรีย์)เปลี่ยน บทละครทั้งเรื่อง(คุณสมบัติของชุมชนจุลชีพ)ก็น่าจะเปลี่ยนแปลงไปด้วย
ปริศนาสำคัญก็คือทำไมชุมชนจุลชีพบางกลุ่มจึงเสถียรมากเป็นพิเศษ? ทำไมพวกมันจึงสามารถเล่นละครบทเดิมๆ(คงคุณสมบัติเดิม) ได้ยาวนานแม้ว่าชุดนักแสดง (ชนิดจุลินทรีย์) จะแปรเปลี่ยนไม่หยุดนิ่ง?
คำอธิบายจากงานวิจัยก่อนๆคือยีนที่สำคัญๆบางตัวในระบบสังคมจุลินทรีย์ถูกถือครองไว้โดยจุลินทรีย์มากกว่าหนึ่งชนิด ถ้าเปรียบเป็นกองละครก็คือ “นักแสดง” หลักๆถือบท “ตัวละคร” เอาไว้ซ้ำซ้อนกัน ต่อให้นักแสดงบางตัวลาป่วยหรือลาออกกะทันหันนักแสดงตัวอื่นก็พร้อมเข้ามาเสียบแทนทันที
ทีมวิจัยของ Lingchong You เสนอสมมติฐานใหม่ว่าการแลกเปลี่ยนยีนระหว่างจุลินทรีย์ในระบบนิเวศน์ (Horizontal Gene Transfer, HGT) อาจจะเป็นอีกหนึ่งปัจจัยหลักของความเสถียรดังกล่าว ยีนที่ถูกแลกเปลี่ยนระหว่างเซลล์ได้บ่อยๆก็จะถูกเก็บรักษาไว้ในชุมชนจุลชีพได้ดีแม้ว่าชนิดและสัดส่วนของจุลินทรีย์จะผันเปลี่ยนไม่คงที่ ถ้าเปรียบเป็นบทตัวละครก็คือบทที่ถูกส่งต่อๆกันไปรอบกองละครเรื่อยๆ กลายเป็นบทคลาสสิกที่นักแสดงคนไหนๆก็เล่นได้
ทีมวิจัยเริ่มจากการทดสอบแบบจำลองคอมพิวเตอร์และการทดลองในชุมชนจุลชีพสังเคราะห์ที่เรียบง่าย ประกอบด้วยแบคทีเรีย E.coli แค่สองสายพันธุ์แย่งกันเติบโตในอาหารจำกัด ในระบบมียีนที่ถูกไปเรื่อยๆระหว่างแบคทีเรียผ่านชิ้นดีเอ็นเอที่เรียกว่าพลาสมิด (plasmid) เซลล์สองชนิดนี้ตอบสนองต่อยาปฏิชีวนะต่างระดับกันดังนั้นสำหรับการทดลองในห้องปฏิบัติการณ์ทีมวิจัยสามารถใช้ระดับของยาปฏิชีวนะในการปรับสัดส่วนของแบคทีเรียนี้ในระบบ ส่วนกลไกการส่งต่อพลาสมิดที่ใช้ก็ถูกรบกวนได้ด้วยกรดไขมันกลุ่ม linoleic ทีมวิจัยจึงสามารถใช้ระดับกรดไขมันนี้ปรับอัตราการส่งถ่ายพลาสมิดระหว่างเซลล์
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
จากการทดสอบหลายร้อยซ้ำในแบบจำลองคอมพิวเตอร์และหลายสิบซ้ำในห้องปฏิบัติการณ์ มีวิจัยพบว่าสัดส่วนของเชื้อสองสายพันธุ์เปลี่ยนแปลงไปตามระดับยาปฏิชีวนะ แต่ระดับของยีนที่ถูกส่งผ่านพลาสมิดไปเรื่อยๆยังรักษาระดับเดิมไว้ได้ ยิ่งอัตราการส่งถ่ายพลาสมิดสูงเท่าไหร่ ปริมาณยีนในระบบก็ยิ่งรักษาระดับได้คงที่ขึ้นเท่านั้น
ขั้นต่อมาทีมวิจัยลองปรับโครงสร้างและคุณสมบัติสังคมจุลินทรีย์ทั้งในแบบจำลองคอมพิวเตอร์และในห้องปฏิบัติการณ์ให้ซับซ้อนใกล้เคียงกับในธรรมชาติมากขึ้น
ในแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ทีมวิจัยลองให้มีแบคทีเรียรวม 100 สายพันธุ์และพลาสมิดส่งยีน 20 ตัวในระบบ
แบคทีเรียร้อยสายพันธุ์พวกนี้ไม่ได้แค่อยู่ด้วยกันแย่งอาหารกันเฉยๆ แต่ยังมีความสัมพันธ์อีกหลายแบบทั้งการแข่งขัน ต่อสู้ ร่วมมือ พึ่งพาอาศัยกัน ฯลฯ ตัวพลาสมิดเองก็มีปฏิสัมพันธ์ที่หลายหลายระหว่างกันและต่อเซลล์ที่มันอาศัยอยู่ จำลองตามแบบที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ
ในห้องปฏิบัติการณ์ทีมวิจัยใช้ชุดแบคทีเรีย E.coli ที่เลือกมาแบบสุ่ม 72 สายพันธุ์จาก Keio collection แบคทีเรียพวกนี้เป็นพันธุ์กลายที่เสียยีนบางยีนไปทำให้พวกมันมีคุณสมบัติการเติบโต ความต้องการอาหาร ความสามารถผลิตสารได้ต่างๆกัน ทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันได้หลากหลายรูปแบบ พลาสมิดที่ใช้ 13 ชนิดก็มาจากทั้งพลาสมิดสังเคราะห์ที่ใช้กันทั่วไปและพลาสมิดจริงได้แยกได้จากตัวอย่างทางคลินิก
ทั้งแบบจำลองคอมพิวเตอร์และผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการณ์ออกมาสอดคล้องกับสมมติฐาน ความหลากหลายของสังคมจุลินทรีย์และปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันทำให้พอเลี้ยงไปเรื่อยๆชนิดและสัดส่วนสายพันธุ์ต่างๆในประชากรออกมาไม่เหมือนกัน แต่ปริมาณยีนบนพลาสมิตต่างๆในชุมชนจุลชีพก็ยังรักษาระดับคงที่อยู่ได้ ยิ่งพลาสมิดมีอัตราการส่งถ่ายระหว่างเซลล์สูงเท่าไหร่ ระดับก็ยิ่งคงที่มากเท่านั้น
เครดิตภาพ: ดุสิตตา เดชแก้ว
นอกจากนี้ทีมวิจัยยังได้รวบรวมผลงานวิจัยก่อนหน้าทั้งในชุมชนจุลชีพสังเคราะห์และในธรรมชาติจากดิน ตะกอน ลำไส้หนู และลำไส้มนุษย์ ผลวิเคราะห์บ่งชี้ชัดเจนไปในทางเดียวกันว่าอัตราการส่งถ่ายยีนคือปัจจัยสำคัญของความเสถียรของยีนในสังคมจุลชีพนั้นๆ
ยิ่งนักแสดง (จุลินทรีย์) แชร์บทบาท (ยีน) กันได้ไวเท่าไหร่กองละคร (ชุมชนจุลชีพ) ก็ยิ่งทำงานได้เสถียรขึ้นเท่านั้น
ความก้าวหน้าของงานวิจัยช่วงสิบกว่าปีที่ผ่านมาเผยความสำคัญของชุมชนจุลชีพทั้งในทางการแพทย์ การเกษตร สิ่งแวดล้อมและการผลิตเชิงอุตสาหกรรม ในหลายๆการประยุกต์ใช้การประสานงานของเหล่าสมาชิกในชุมชนจุลชีพจำเป็นต่อฟังก์ชั่นการทำงานที่จุลินทรีย์ชนิดเดี่ยวๆทำไม่ได้
อุปสรรคสำคัญคือการเอาจุลินทรีย์ที่จำเป็นหลายตัวเลี้ยงรวมกันและใช้งานไปด้วยกัน ที่ผ่านมาวงการจุลชีววิทยาตั้งโจทย์แต่เพียงว่าทำยังไงจะให้สังคมจุลินทรีย์ให้คงอยู่ในสภาพเดิมมีจำนวนจุลินทรีย์ชนิดและสัดส่วนต่างๆอย่างที่เราต้องการไปได้ตลอด โจทย์นี้แก้ยากเพราะความซับซ้อนของปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันทำให้เราไม่สามารถควบคุมโอกาสอยู่รอดและเติบโตของพวกมันทุกตัวอย่างแม่นยำในระยะยาว
งานของทีม Lingchong You บอกเราว่าจริงๆแล้วสิ่งที่เราควรโฟกัสอาจจะไม่ใช้การรักษาชุดจุลินทรีย์ให้คงที่แต่เป็นการรักษาชุดยีนที่เราแคร์ให้คงที่ต่างหาก แม้ชนิดและสัดส่วนของจุลินทรีย์จะเปลี่ยนไปแต่เราอาจจะยังรักษาฟังก์ชั่นเดิมจองชุมชนจุลชีพไว้ได้ด้วยการเพิ่มอัตราการส่งถ่ายยีนตัวที่เราต้องการ
ในมุมกลับกันเมื่อเราอยากกำจัดฟังก์ชั่นไม่พึงประสงค์ของสังคมจุลชีพ เช่น ความสามารถในการก่อโรคหรือดื้อต่อยาปฏิชีวนะ สิ่งที่ควรจะโฟกัสอาจจะไม่ใช่การกำจัดจุลินทรีย์ตัวใดตัวหนึ่งแต่เป็นการหยุด HGT ของยีนที่เกี่ยวข้อง
หัวใจของการบริหารกองละครอาจจะไม่ได้อยู่ที่การเก็บรักษานักแสดงชุดเดิมไว้ตลอด แต่อยู่ที่การวางระบบแลกเปลี่ยนเรียนรู้บทตัวละครในทีมที่มีอยู่ “นักแสดง” เปลี่ยนไปก็ช่างแต่ “บทละคร” เรื่องเดิมก็ยังคงใช้การได้
อ้างอิง อ่านเพิ่มเติม
โปรดอย่าลืมกดติดตามเพจของ MIC ได้ที่ : Facebook MatichonMIC
