Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร
Techno-Termite (6)
ช่วงต้นศตวรรษที่ 21 หลังจบโครงการจีโนมมนุษย์ไม่นาน เหล่านักวิจัย นักลงทุน และภาครัฐต่างก็พยายามมองหาแนวทางประยุกต์ใช้เทคโนโลยีใหม่นี้กับการแก้โจทย์ปัญหาอื่นๆ นอกเหนือไปจากด้านสุขภาพและการแพทย์
หนึ่งในโจทย์นั้นคือ พลังงาน สิ่งแวดล้อม และความยั่งยืนทางการเกษตร
อุตสาหกรรมเกษตรและป่าไม้ผลิตกากเหลือชีวภาพโดยเฉพาะลิกโนเซลลูโลสที่อยู่ในกิ่งไม้ เปลือกไม้ ใบไม้แข็งๆ ปีละเกือบสองแสนล้านตัน ชีวมวลพวกนี้สามารถเอาไปใช้ผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพหรือสารมูลค่าสูงอีกมากมาย
ติดอยู่ตรงที่ว่าเราต้องย่อยสลายมันเป็นแหล่งคาร์บอนที่ใช้งานได้ง่ายๆ ก่อน ซึ่งในธรรมชาติไม่มีใครเก่งเรื่องนี้ไปกว่าปลวกและจุลินทรีย์ร่วมอาศัยของพวกมัน
ทีมวิจัยของ Jared Leadbetter ร่วมกับกระทรวงพลังงาน (Department of Energy, DoE) และ Diversa บริษัทเอกชนด้านการพัฒนาเอนไซม์ ริเริ่มโครงการถอดรหัสพันธุกรรมของประชากรจุลินทรีย์ (metagenome sequencing) จากทางเดินอาหารส่วนท้ายของปลวก
โดยหวังจะค้นพบเอนไซม์ที่อาจจะเอามาช่วยแปรรูปใช้ประโยชน์จากลิกโนเซลลูโลส
Cr. ณฤภรณ์ โสดา
โครงการวิจัยใหญ่นี้เริ่มต้นช่วงปี 2005 เก็บตัวอย่างปลวกจากประเทศคอสตาริกาผ่านทางหน่วยงานท้องถิ่นอย่าง Instituto Nacional de Biodiversidad (INBio) ส่งลำไส้ปลวกไปสกัดแยกดีเอ็นเอจุลินทรีย์ที่ห้องแล็บของ Diversa และส่งไปถอดรหัสพันธุกรรมที่สถาบันวิจัยร่วมด้านจีโนม (Joint Genome Institution, JGI) หน่วยงานที่ก่อตั้งโดย DoE ตั้งแต่ปลายยุค 1990s เพื่องานถอดรหัสจีโนมมนุษย์ และต่อมาถูกขยายขอบเขตงานเป็นการถอดรหัสพันธุกรรมจากสิ่งมีชีวิตใดๆ ที่อาจเป็นประโยชน์กับการผลิตพลังงาน
JGI เติบโตขึ้นจนกลายเป็นหนึ่งในศูนย์ถอดรหัสจีโนมที่ใหญ่ที่สุดของโลก ณ เวลานั้น ประมาณกันว่าปริมาณลำดับเบสที่ถอดรหัสได้ในหนึ่งวันมากกว่าที่เคยทำได้ทั้งปีตอนช่วงก่อตั้งปลายยุค 1990s
โครงการนี้ยังเป็นหนึ่งในงานแรกๆ ของโลกด้าน metagenomics ศาสตร์ที่ว่าด้วยการศึกษาจีโนมที่สกัดออกมารวมๆ จากสิ่งแวดล้อมแทนที่จะศึกษาจากสิ่งมีชีวิตตัวเดี่ยวๆ ด้วยวิธีการนี้ทำให้เราสามารถค้นพบ ทำนาย และศึกษาการทำงานของยีนในประชากรจุลินทรีย์ได้โดยตรงแม้ว่าเราจะยังไม่สามารถแยกมันออกมาเพาะเลี้ยงได้
ทีมวิจัยถอดรหัสจีโนมออกมาได้รวมกว่า 70 ล้านคู่เบส ค้นพบจุลินทรีย์กว่า 300 ชนิด ยีนกว่า 80,000 ยีน ในจำนวนนั้นมีกว่า 500 ยีนที่อาจจะเกี่ยวข้องกับการย่อยสลายเซลลูโลส
หลายยีนในนั้นทีมวิจัยได้ลองโคลนเข้าไปผลิตเอนไซม์ได้สำเร็จในจุลินทรีย์เชิงอุตสาหกรรมอย่างแบคทีเรีย Escherichia coli หรือยีสต์ Pichia pastoris
นอกจากนี้ยังมียีนที่เกี่ยวข้องกับการผลิตแอซิเตต การตรึงไนโตรเจน และอีกหลายยีนที่ยังระบุหน้าที่ไม่ได้แน่ชัด
Cr. ณฤภรณ์ โสดา
งาน metagenomics จุลินทรีย์ลำไส้ปลวกชิ้นแรกนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อปี 2007 เป็นข่าวใหญ่ในสื่อกระแสหลักหลายเจ้า อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้ในเชิงอุตสาหกรรมยังไม่ใช่เรื่องง่ายเพราะระบบที่ประกอบด้วยยีน เอนไซม์ วิถีเมแทบอลิซึม และจุลินทรีย์หลายร้อยชนิดวิวัฒนาการร่วมกันมาเป็นร้อยล้านปี พึ่งพาอาศัยทำงานเชื่อมต่อส่งเสริมกันเหนียวแน่นยากที่จะแยกส่วนประกอบเดี่ยวๆ หรือไม่กี่ชิ้นมาใช้โดยตรง
นอกจากนี้ยังมีปัจจัยเรื่องของการเตรียมวัตถุดิบ (pretreatment) ซึ่งตัวปลวกเคี้ยวเศษไม้จนละเอียดเหลือขนาดแค่หลักสิบไมครอนให้จุลินทรีย์พร้อมใช้ในทางเดินอาหารส่วนท้ายซึ่งเป็นเสมือนถังหมักขนาดจิ๋วที่ซับซ้อน (สเกล 10-6 ลิตร) ซึ่งมนุษย์เรายังเลียนแบบไม่ได้ในถังหมักอุตสาหกรรมขนาดยักษ์ (สเกล 104-106 ลิตร)
อีกปัจจัยที่สำคัญมากคือธรรมชาติวงการไบโอเทคด้านพลังงานเองที่มีสัดส่วนกำไรต่อหน่วยการขายต่ำ (ต่างจากด้านอาหาร เครื่องสำอางหรือเวชภัณฑ์ที่ตั้งราคาได้สูงกว่ามาก) ทำให้อ่อนไหวต่อความผันผวนของราคาวัตถุดิบ ต้องผลิตสเกลใหญ่มากๆ ถึงจะคุ้มทุน
หลังจากงาน metagenomic ตอนปี 2007 ก็มีงานลักษณะคล้ายๆ กันออกมาอีกหลายชิ้น สำรวจกลุ่มจุลินทรีย์ที่กว้างขึ้นในสายพันธุ์ปลวกที่หลากหลายขึ้น ฝั่งการประยุกต์ใช้ก็มีการทดลองเอาจุลินทรีย์มาเลี้ยงรวมกัน (microbial co-culture) หรือใช้เอนไซม์ผสม (enzyme cocktail) จากยีนจุลินทรีย์ปลวกในการย่อยสลายมวลชีวภาพ แต่ประสิทธิภาพยังห่างไกลจากที่เกิดตามธรรมชาติในปลวกและยังไม่ได้ถูกใช้จริงในระดับอุตสาหกรรม
กระนั้นจุลินทรีย์ในปลวกก็ยังมีอีกหลายแง่มุมที่น่าสนใจนอกเหนือจากการผลิตพลังงาน
Cr. ณฤภรณ์ โสดา
Leadbetter เล่าว่า จุดเด่นอีกอย่างของกระบวนการหมักในปลวกคือ มันสร้างก๊าซมีเทนน้อยมาก
ปกติแล้วการย่อยสลายเซลลูโลสโดยจุลินทรีย์ไม่ว่าจะในทางเดินอาหารของสัตว์เคี้ยวเอื้องหรือของปลวกจะได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กับก๊าซไฮโดรเจนออกมา จากนั้นจุลินทรีย์กลุ่มอาร์เคียก็จะเปลี่ยนก๊าซสองตัวนี้เป็นก๊าซมีเทน ปัญหาคือสัตว์เจ้าบ้านเอาก๊าซนี้ไปใช้ประโยชน์ไม่ได้ต้องปล่อยทิ้งออกมาสู่สิ่งแวดล้อม มีเทนกักเก็บความร้อนดีกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ถึงยี่สิบเท่า กลายเป็นต้นเหตุปรากฏการณ์เรือนกระจกและภาวะโลกร้อน
ขณะที่สัตว์เคี้ยวเอื้องเสียมวลชีวภาพจากอาหารไปเป็นมีเทนถึงราว 20% ปลวกเสียไปแค่ราว 2% เท่านั้น เคล็ดลับของปลวกอยู่ที่การมีแบคทีเรียโดยเฉพาะกลุ่ม spirochete ที่สามารถเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กับก๊าซไฮโดรเจนกลับมาเป็นแอซิเตตที่ปลวกดูดซึมไปใช้งานได้ ประมาณกันว่าหนึ่งในสี่ของแอซิเตตที่เป็นแหล่งคาร์บอนหลักของปลวกถูกผลิตขึ้นจากวิธีการนี้
สมดุลการแข่งขันระหว่างอาร์เคียที่สร้างมีเทนและแบคทีเรียที่สร้างแอซิเตต เป็นตัวกำหนดสัดส่วนของมีเทนและแอซิเตตที่เกิดในทางเดินอาหาร ในทางเคมีแล้วกระบวนการผลิตมีเทนเกิดง่ายกว่าแต่ด้วยกลไกบางอย่างที่เรายังไม่ทราบแน่ชัดเสริมความได้เปรียบให้แบคทีเรียสร้างแอซิเตตในปลวก
Leadbetter คาดหวังว่าถ้าเราสามารถเข้าใจและเลียนแบบกลไกนี้วันหนึ่งเราก็อาจจะปรับปรุงชุมชนจุลินทรีย์ในปศุสัตว์เพื่อลดมีเทน
Cr. ณฤภรณ์ โสดา
จุลินทรีย์ที่หลากหลายยังมาพร้อมกับคุณสมบัติทางเมแทบอลิซึมอื่นที่เราอาจใช้ประโยชน์ได้ เอนไซม์ที่ใช้ย่อยสลายสารประกอบกลุ่มแอโรมาติกในไม้ถูกเอาไปทดลองใช้ในการฟอกสีย้อมสังเคราะห์ผ่านกระบวนการที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
อีกฝั่งที่น่าสนใจคือ การเป็นแหล่งยาปฏิชีวนะตัวใหม่ การอยู่รวมกันหนาแน่นในพื้นที่ปิดของแมลงสังคมอย่างปลวกเพิ่มความเสี่ยงต่อการระบาดของโรคติดต่อ ปลวกรับมือกับความเสี่ยงนี้ด้วยการส่งเสริมการเจริญของจุลินทรีย์ที่ผลิตยาปฏิชีวนะ เช่น แบคทีเรียกลุ่ม Streptomyces
งานวิจัยหนึ่งที่เพิ่งออกมาต้นปีนี้ (2025) แสดงให้เห็นพฤติกรรมการฝังศพสมาชิกปลวกในบริเวณรัง สัมพันธ์กับการกระตุ้นการเจริญและผลิตสารปฏิชีวนะจาก Streptomyces เพื่อรับมือกับการระบาดของโรค
ปลวกน่าจะเป็นแมลงที่มนุษย์เราศึกษาลึกซึ้งที่สุดแล้วทั้งในฐานะตัวปัญหาและขุมทรัพย์ทางชีวภาพ
Leadbetter ทำงานเรื่องจุลินทรีย์ลำไส้ปลวกมาจะสามสิบปีแล้ว แกยังเล่าว่าแกยังคงตื่นเต้นทุกครั้งที่ได้ส่องกล้องจุลทรรศน์เห็นสังคมตัวประหลาดยุกยิกอัดแน่นอยู่ในนั้น
มันคืออีกหนึ่งจักรวาลอันกว้างใหญ่บรรจุในปริมาตรเพียงเท่าเมล็ดงาที่เราคงยังไม่สามารถค้นพบความลับทั้งหมดของมันได้ในเร็วๆ นี้
หรือแม้แต่ในหนึ่งช่วงชีวิตของเรา
