โดยทั่วไปแล้ว สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ในปัจจุบันต้องอาศัยออกซิเจนในการหายใจ หรือกล่าวให้ลึกลงไปกว่านี้ก็คือใช้ออกซิเจนในการเผาผลาญอาหารและสร้างพลังงาน โดยออกซิเจนจะเป็นทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายในปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ผลิตพลังงาน เนื่องจากออกซิเจนมีอยู่อย่างมากมายในอากาศ เราจึงพัฒนา ‘การหายใจ’ เพื่อรองรับกระบวนการดังกล่าว
วิธีการดังกล่าวแพร่หลายในธรรมชาติมากจนทำให้นักวิทยาศาสตร์ยุคก่อนเชื่อว่า เป็นไปไม่ได้ที่จะมีการหายใจแบบอื่น อย่างไรก็ตามเมื่อพวกเขาลงไปสำรวจภาคสนามในสถานที่สุดขั้วเช่นปล่องปล่อยความร้อนใต้ทะเลลึก ในถ้ำมืดมิด หรือแม้แต่ลำไส้ของมนุษย์ พวกเขาก็พบว่าโลกนี้แปลกประหลาดยิ่งนัก
งานวิจัยใหม่ที่เผยแพร่บนวารสาร Cell แสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตเล็ก ๆ เหล่านี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจได้ยิ่งกว่าเดิม
ทีมวิจัยที่นำโดยแคโรไลน์ อาโจ-แฟรงคลิน (Caroline Ajo-Franklin) นักวิทยาศาสตร์ด้านชีววิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ได้ค้นพบว่าแบคทีเรียบางชนิด (ในงานวิจัยตรวจสอบกับ Escherichia coli) สามารถใช้สารประกอบที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่เรียกว่า ‘แนฟโทควิโนน’ (naphthoquinones: กลุ่มของสารประกอบอินทรีย์ที่มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นแนฟทาลีน)
ในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังพื้นผิวภายนอกเซลล์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกกันว่า ‘การหายใจนอกเซลล์’ มันเป็นวิธีที่เลียนแบบวิธีที่แบตเตอรี่ปล่อยกระแสไฟฟ้าออกมา ทำให้แบคทีเรียสร้างพลังงานและเติบโตได้โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจนเลย การค้นพบเหล่านี้ทำให้เชื่อกันว่า การหายใจนอกเซลล์อาจแพร่หลายในธรรมชาติมากกว่าที่เคยเชื่อกัน
“กลไกการหายใจที่เพิ่งค้นพบใหม่นี้ เป็นวิธีง่าย ๆ และชาญฉลาดในการทำงาน” บิกี บาปี คุนดู (Biki Bapi Kundu) นักศึกษาปริญญาเอกและผู้เขียนคนแรกของงานวิจัย กล่าว “แนฟโทควินโนน ทำหน้าที่เหมือนตัวส่งโมเลกุล โดยนำอิเล็กตรอนออกจากเซลล์ เพื่อให้แบคทีเรียสามารถย่อยอาหารและสร้างพลังงานได้”
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์ได้ร่วมมือกับห้องปฏิบัติการพาลส์สันที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก เพื่อทดสอบการค้นพบดังกล่าว พวกเขาสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์แบบพิเศษ เพื่อดูว่าแบคทีเรียจะเติบโตอย่างไรในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีออกซิเจน แต่มีพื้นที่ผิวที่นำไฟฟ้าได้มาก
การจำลองแสดงให้เห็นว่าแบคทีเรียสามารถดำรงอยู่ได้โดยการปล่อยอิเล็กตรอนออกสู่ภายนอก ซึ่งหากมันถูกวางไว้บนวัสดุที่นำไฟฟ้าแล้ว มันก็จะยังคงเติบโตต่อไปพร้อมกับสร้างกระไฟฟ้าด้วยการหายใจผ่านพื้นผวได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ทีมวิจัยหวังว่าจะสามารถตรวจสอบกระบวนการการเผาผลาญของแบคทีเรียเหล่านี้ได้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น พร้อมกับเปิดเผยวิธีการหายใจแบบเรียลไทม์ เพื่อสามารถนำไปต่อยอดได้อีกมาก โดยเฉพาะในกระบวนการทางเทคโนโลยีชีวภาพ เช่น การบำบัดน้ำเสีย และการผลิตทางชีวภาพ
แบคทีเรียเหล่านี้อาจปรับปรุงประสิทธิภาพการบำบัดให้ดีขึ้นได้ด้วยการจัดการความไม่สมดุลของอิเล็กตรอน
“งานของเรา วางรากฐานสำหรับการควบคุมคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียน ซึ่งแบคทีเรียทำหน้าที่คล้ายกับพืชที่มีแสงแดดในการสังเคราะห์แสง” อาโจ-แฟรงคลิน กล่าว “ซึ่งจะเกิดประตูสู่การสร้างเทคโนโลยีที่ชาญฉลาดและยั่งยืนมากขึ้น โดยมีชีววิทยาเป็นแกนหลัก”
ไม่เพียงเท่านั้น เทคโนโลยีเหล่านี้อาจช่วยให้เซ็นเซอร์ทางชีวอิเล็กทรอนิกส์สามารถทำงานได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่ขาดออกซิเจน ไม่ว่าจะเป็นเครื่องมือสำหรับการวินิจฉัยทางการแพทย์ การตรวจสอบมลพิษ และการสำรวจอวกาศห้วงลึก
สืบค้นและเรียบเรียง
วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
ที่มา