Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร
สมมุติว่าคุณคือจุลินทรีย์ เป้าประสงค์ของคุณคืออยู่รอดและสืบทอดเผ่าพันธุ์ออกไปให้ได้มากที่สุด คุณจะมีกลยุทธ์อย่างไรบ้าง?
กลยุทธ์ที่ดูจะตรงไปตรงมาที่สุดคือ รีบกินรีบโต
สูบทรัพยากรสูบอาหารจากสิ่งแวดล้อมเข้ามาให้เร็วที่สุดเพื่อเอามาแบ่งตัวเพิ่มจำนวนแซงหน้าใครๆ ที่อยู่รอบข้าง
แม้แต่กลยุทธ์ที่เรียบง่ายสุดๆ ก็ยังมีรายละเอียดต้องคำนึงถึง
เช่น จะใช้กลไกอะไรถึงจะดึงอาหารเข้าเซลล์แล้วเอาไปย่อยสลาย แปรรูปเป็นวัตถุดิบในการสืบพันธุ์ให้เร็วที่สุด ทุกขั้นตอนมีกลไกปลีกย่อย ถ้าคุณจะปั๊มโมเลกุลอาหารเข้าเซลล์เยอะๆ จะใช้ปั๊มแบบใด จะสร้างไว้กี่ตัว จะวางไว้ตรงไหน ฯลฯ จึงจะได้ประสิทธิภาพสูงสุด
และอย่าลืมว่าโลกนี้ไม่มีอะไรฟรี ถ้าสร้างปั๊มเพิ่มต้องใช้ทรัพยากร มากไปก็เปลืองของที่จะเอาไปใช้ทำงานอย่างอื่น โดยเฉพาะการสืบพันธุ์เพิ่มจำนวน
อีกปัจจัยสำคัญคือ สิ่งแวดล้อมที่จุลินทรีย์อยู่มักจะไม่คงที่
แม้แต่จุลินทรีย์ที่โตอยู่ในขวดเลี้ยงเชื้อใส่ตู้บ่มเชื้อธรรมดาก็ต้องเผชิญกับสภาวะที่อาหารอุดมสมบูรณ์ตอนแรก และถูกใช้จนขาดแคลนในช่วงหลัง
ดังนั้น จำนวนและประสิทธิภาพปั๊มที่ต้องลงทุนแต่ละช่วงเวลาก็ควรจะต่างกัน ยิ่งไปกว่านั้น สิ่งแวดล้อมช่วงท้ายก็คงเต็มไปด้วยขยะของเสีย ทรัพยากรอีกส่วนหนึ่งก็คงต้องแบ่งมาใช้ปกปักรักษาตัวให้อยู่รอดต่อไปได้
ที่เล่ามาข้างต้น เรายังไม่ได้คำนึงถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์ต่างเผ่าพันธุ์กันในสิ่งแวดล้อม กลยุทธ์อีกอันที่คุณอาจจะใช้คือการออกอาวุธกำจัดคู่แข่งเสียก่อน อาวุธในโลกจุลินทรีย์มีให้เลือกหลากหลาย ตั้งแต่สารปฏิชีวนะสารพัดอย่างทั้งที่จะทำลายผนังเซลล์ เจาะเยื่อหุ้ม หยุดการสังเคราะห์โปรตีนหรือดีเอ็นเอ ฯลฯ ไปจนถึงเข็มพิษระดับนาโนที่ทะลวงเซลล์ข้างเคียงเพื่อฉีดพิษเข้าไปแล้วดูดเครื่องในมาเป็นอาหาร
เมื่อเพื่อนบ้านออกอาวุธ คุณก็อาจจะต้องหาทางหนีทีไล่ จะเตรียมยาถอนพิษ จะปิดประตูสร้างเกราะอยู่นิ่งๆ ปล่อยคนอื่นฆ่ากันไป หรือแค่อาศัยผลิตลูกหลานเยอะๆ เผื่อไว้หวังว่ายังไงก็มีตัวรอด ฯลฯ
โลกของจุลินทรีย์ยังมีเรื่องราวของพันธมิตร เมื่อจุลินทรีย์ต่างเผ่าแบ่งงานกันทำ ช่วยกันย่อยโมเลกุลซับซ้อนที่จุลินทรีย์ชนิดเดียวทำไม่ไหว แลกเปลี่ยนสารอาหารบางส่วนที่จำเป็น หรือแท็กทีมกันไปต่อกรกับฝั่งศัตรู
Cr. Peach nom
ความซับซ้อนอีกขั้นในสงครามจุลินทรีย์คือชิ้นดีเอ็นเออิสระที่เคลื่อนย้ายไปมาระหว่างเซลล์ได้ง่าย ที่เรารู้จักกันมากสุดคือพวกที่เรียกว่า “พลาสมิด (plasmid)”
ถ้าเราเปรียบเซลล์จุลินทรีย์หนึ่งเซลล์เป็นเมืองหนึ่งเมือง ชิ้นดีเอ็นเอหลักที่เรียกว่า “จีโนม (genome)” เปรียบเสมือน “รัฐบาลกลาง” ที่ปกครองเมือง ตรารัฐธรรมนูญ เขียนกฎหมาย ออกนโยบายกำกับควบคุมว่าเซลล์นี้จะทำอะไรได้เมื่อไหร่
ส่วนชิ้นดีเอ็นเอที่เรียกว่าพลาสมิดนั้นเปรียบได้กับ “ทหารรับจ้าง” ที่พักพิงอาศัยอยู่กับเมืองนี้โดยมีผลประโยชน์แลกเปลี่ยนบางอย่าง
ทหารรับจ้างเร่ร่อนอยู่ข้างนอกได้ไม่นาน ต้องมีเมืองคุ้มกะลาหัวคอยให้ที่อยู่ให้อาหาร พลาสมิดอยู่นอกเซลล์ได้ช่วงสั้นๆ ก็สลายตัวไป แต่ในเซลล์ (ที่เข้ากันได้) ก็สามารถอยู่ไปยาวๆ ชั่วลูกชั่วหลาน ถ้าเซลล์เจริญรุ่งเรืองแบ่งตัวเพิ่มจำนวนมากมาย พลาสมิดก็แบ่งตัวเพิ่มจำนวนตามติดเซลล์ไปด้วย
ทหารรับจ้างอาจจะทำประโยชน์หลายอย่างให้กับเมือง เช่น ช่วยป้องกันเมืองยามข้าศึกรุกราน ช่วยบุกโจมตีบ้างตามคำสั่ง หรือแม้แต่งานช่างฝีมือใช้แรงงานต่างๆ ที่พลเมืองท้องถิ่นทำไม่เป็น
พลาสมิดเองก็มักจะมียีนแปลกๆ ที่ไม่มีในจีโนม เช่น ยีนดื้อยาที่ช่วยให้เซลล์อยู่รอดสงครามเคมี (สารปฏิชีวนะจากจุลินทรีย์ด้วยกันหรือที่มนุษย์ใช้) ยีนก่อโรคใช้ในการเข้ายึดครองเซลล์เจ้าบ้าน หรือยีนผลิตเอนไซม์ที่ใช้ย่อยสลาย แปรรูป หรือสังเคราะห์โมเลกุลอาหารต่างๆ ที่เดิมทีเซลล์อาจจะเอาไปใช้ไม่ได้
ทหารรับจ้างที่ยังคงทำประโยชน์จะถูกเจ้าเมืองเก็บไว้ ส่วนทหารรับจ้างที่ไร้ประโยชน์เลี้ยงไว้เปลืองข้าวสุกจะถูกเขี่ยทิ้ง ความสัมพันธ์ระหว่างพลาสมิดกับเซลล์ก็เช่นกัน ในสภาวะแวดล้อมที่พลาสมิดหมดประโยชน์กับเซลล์นานๆ ก็มักจะถูกกำจัดไปจากเซลล์
แต่ทั้งทหารรับจ้างและพลาสมิดเองก็ไม่ได้รับแต่บทนางเองแสนดีที่รอแต่ความปรานีของเจ้าบ้านเท่านั้น พวกมันยังมีกลยุทธ์ทั้งการขยับขยายย้ายเมือง (ย้ายเซลล์) พร้อมเอาของดีๆ ยีนเด็ดๆ ติดตัวไปด้วย ทั้งกลยุทธ์ดื้อแพ่ง ไม่ทำงานแต่ไม่ยอมไป จะเกาะติดเซลล์เจ้าบ้านไว้ไม่ยอมปล่อย
หรือแม้แต่กลยุทธ์ตัวประกันวางยาพิษเจ้าบ้านแล้วขออยู่ต่อ แลกกับการให้ยาถอนพิษแบบชั่วคราวไปเรื่อยๆ
Cr. Peach nom
ความสัมพันธ์ระหว่างพลาสมิดกับเซลล์จุลินทรีย์เจ้าบ้านในบริบทสังคมจุลินทรีย์ที่ยังคงมีสงครามดุเดือด เป็นอีกหนึ่งหัวข้อที่วงการจุลชีววิทยาและชีวโมเลกุลให้ความสนใจมายาวนาน เพราะเป็นอีกปัจจัยหลักที่กำหนดสมดุลและวิถีวิวัฒนาการของสังคมจุลินทรีย์ รวมทั้งการแพร่ระบาดของยีนตัวปัญหาในวงการสาธารณสุขอย่างยีนดื้อยาปฏิชีวนะ และยีนก่อโรค
ส่วนในวงการไบโอเทคและชีววิทยาสังเคราะห์นั้น พลาสมิดก็ยิ่งสำคัญเข้าไปใหญ่ เพราะเป็นเครื่องมือหลักที่เราใช้วิศวกรรมเซลล์ ด้วยขนาดที่เล็กกะทัดรัด สังเคราะห์ ดัดแปลง และขนย้ายเข้าออกเซลล์ได้ง่าย
เวลาเราอยากจะใส่ยีนเพิ่มฟังก์ชั่นอะไรใหม่ให้เซลล์ เราก็มักจะฝากไว้กับพลาสมิดนี่แหละแทนที่จะต้องไปยุ่งกับจีโนมโดยตรง
“ดีลกับทหารรับจ้างมันสะดวกกว่าดีลกับเจ้าเมืองเยอะ” ผมชอบเปรียบเทียบแบบนั้น
แม้ว่าตามธรรมชาติ พลาสมิดจะอยู่กับจุลินทรีย์พวกแบคทีเรียเป็นหลัก แต่เราก็สามารถต่อเติมฟังก์ชั่นให้มันใช้งานได้กับเซลล์ชั้นสูงทั้งรา พืช สัตว์ และมนุษย์ได้ด้วย ดังนั้น แทบทุกงานชีวโมเลกุลที่มนุษย์เราทำกันมาถึงทุกวันนี้ ตั้งแต่วิทยาศาสตร์พื้นฐาน ศึกษาการทำงานยีน วิจัยมะเร็ง ผลิตวัคซีน สร้างพืชจีเอ็มโอ ฯลฯ ก็ล้วนแต่เกี่ยวข้องกับพลาสมิดไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง
Cr. Peach nom
“เกมสงครามจุลินทรีย์” สำหรับ Thai SynBio Challenge รอบนี้ก็เช่นกัน ถึงจะเรียกว่าสงครามจุลินทรีย์แต่สิ่งที่สู้กันจริงๆ ในสนามคือพลาสมิดต่างหาก
20 ทีมที่เข้ารอบแข่งขันจะได้โควต้าออกแบบและสร้างพลาสมิดทีมละหนึ่งชุด อยากจะติดอาวุธอะไร หรือใช้กลยุทธ์อื่นยังไงก็ได้ตามใจตราบใดที่ขนาดไม่เกินกำหนด
พลาสมิดจากแต่ละทีมจะถูกนำใส่ในแบคทีเรีย E.coli สายพันธุ์ตั้งต้นเดียวกัน จากนั้นก็จะนำมาแข่งกันในสองสนาม สนาม “ลุยเดี่ยว” คือเลี้ยงเชื้อของแต่ละทีมแยกกัน และสนาม “ตะลุมบอน” ที่จะเลี้ยงเชื้อทั้งหมดรวมกันในภาชนะเดียว
ผลแพ้ชนะสุดท้ายตัดสินกันที่ “พลาสมิดใครเยอะกว่า” เมื่อระยะเวลาแข่งขันสิ้นสุด
นั่นแปลว่าถ้าเซลล์โตดีแต่พลาสมิดโดนเตะออกก็แพ้ หรือถ้าพลาสมิดเก่งจัดแต่เซลล์ไม่รอดก็แพ้อีกเช่นกัน
Cr. Peach nom
งานวิจัยหลายชิ้นที่ผ่านมารายงานกลยุทธ์เด็ดๆ มากมายที่พลาสมิดและเซลล์จุลินทรีย์ใช้เอาตัวรอดและชนะคู่แข่งในสงครามจุลินทรีย์ที่ดุเดือดตามธรรมชาติ แต่งานนี้จะเป็นครั้งแรกที่เราจะได้เห็นการเลือกเอากลยุทธ์เหล่านี้มาประชันกันโดยตรง
แต่ละทีมเข้าร่วมจะต้องส่งแผนกลยุทธ์ที่จะใช้มาในรอบคัดเลือก แผนเหล่านี้จะถูกเปิดเผยให้ทุกทีมอื่นๆ ที่เข้ารอบสุดท้ายได้เห็นเพื่อให้มีเวลาได้คิดได้หาทางแก้เกมกันก่อนสร้างจริง เพิ่มมิติทฤษฎีเกม (game theory) ซ้อนทับลงไปกับงานฝั่งจุลชีววิทยา ชีวโมเลกุล และไบโอเทค
ฝั่งผู้ชมทั้งบุคคลทั่วไปและผู้เชี่ยวชาญจะได้ลอง “ทำนายผล” ว่าใครจะแพ้จะชนะกันเท่าไรจากกลยุทธ์และแผนที่พลาสมิดส่วนที่เปิดเผยกันมา ถือเป็นโอกาสทดสอบโมเดลความเข้าใจในศาสตร์นิเวศวิทยาและวิวัฒนาการจุลินทรีย์ไปในตัว
เดี๋ยวตอนหน้าจะมาเล่ารายละเอียดต่อว่ากลยุทธ์ต่างๆ ทั้งฝั่งจุลินทรีย์และพลาสมิดที่เราเคยได้เรียนรู้กันมาจากธรรมชาติมีอะไรบ้าง
