นักวิทย์ดัดแปลงแบคทีเรียให้กลายเป็นเครื่องวัดความเร็วการไหล

การวัดปริมาณต่างๆให้ได้นั้นเป็นเรื่องพื้นฐานที่สุดอย่างหนึ่งทางวิทยาศาสตร์

ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่เพียงแต่พยายามวัดปริมาณต่างๆให้ละเอียดขึ้น แต่ยังพยายามแสวงหาวิธีการใหม่ๆในการวัดด้วย

ล่าสุด  เมื่อกลางเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 2019 นี้ ทีมนักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ตีพิมพ์ผลงานในวารสาร Nature Microbiology ว่าแบคทีเรีย Pseudomonas aeruginosa ซึ่งเป็นตัวก่อโรคที่พบได้ทั่วไปไม่ว่าจะเป็นในดิน แหล่งน้ำ หรือ ตามผิวหนังสัตว์ต่างๆรวมทั้งมนุษย์  สามารถรับรู้ความเร็วของการไหลรอบๆได้

ที่น่าสนใจคือ การรับรู้ความเร็วนั้นไม่ขึ้นกับแรง

เมื่อเรานั่งในห้องที่มีลมพัดเอื่อยๆ กับ นั่งอยู่ในที่ลมพัดแรงๆ

ผิวหนังของเรารู้สึกถึงความแตกต่างของความเร็วลมได้ แต่จริงๆแล้วผิวหนังเราไม่วัดความเร็วลมโดยตรง มันใช้การสัมผัสถึงแรงลมที่มาดันต่างหาก

แต่แบคทีเรียดังกล่าวสามารถตรวจจับความเร็วของการไหลได้โดยไม่เกี่ยวข้องกับแรง ซึ่งเป็นเรื่องน่าทึ่ง เพราะ ก่อนหน้านี้ นักชีววิทยาเชื่อว่าเซลล์หรือสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กน่าจะวัดค่าแรงที่กระทำต่อมันเป็นหลัก โดยไม่มีการทดลองพิสูจน์อย่างจริงจัง

วิศวกรหนึ่งในทีมวิจัยจึงออกแบบการทดลองด้วยหลักการง่ายๆ (แต่ทดลองไม่ง่าย)

นั่นคือ นำไปแบคทีเรียไปอยู่ในของเหลวที่ความหนืดต่างกันถึง 10 เท่า แต่ไหลด้วยความเร็วเท่ากัน แล้วสังเกตว่าแบคทีเรียตอบสนองอย่างไร

หากเราปล่อยน้ำ กับ น้ำผึ้ง ให้ไหลใส่มือที่อัตราเร็วเท่ากัน เราจะรู้สึกว่าน้ำผึ้งออกแรงดันผิวเรามากกว่าน้ำ  แต่แบคทีเรียชนิดนี้กลับตอบสนองไม่ต่างกัน

แม้ตอนนี้ นักวิจัยจะยังไม่รู้ถึงเหตุผลทางชีววิทยาแบบชัดเจนว่า แบคทีเรียเหล่านี้ได้รับประโยชน์อะไรจากความสามารถรับสัมผัสความเร็วการไหล แต่พวกเขาเริ่มทำการทดลองเพื่อมองหาการประยุกต์ใช้เพิ่มเติมแล้ว!

นักวิจัยยังศึกษาจนรู้ชัดว่ายีนกลุ่มไหนที่ทำให้มันสัมผัสความเร็วการไหลรอบๆมันได้ พวกเขาเรียก ยีนเหล่านี้ว่า Fro (ย่อมาจาก flow-regulated operon ) จากนั้นจึงทดลองตัดต่อยีนเรืองแสงใส่เข้าไปแล้วเชื่อมโยงกับยีนตรวจจับความเร็ว เมื่อแบคทีเรียที่ถูกตัดต่อพันธุกรรมแบ่งตัวจนมีจำนวนมาก พวกมันย่อมกลายเป็นเครื่องวัดความเร็วการไหลแบบเรียลไทม์ได้ เพราะเมื่อของไหลที่อยู่รอบๆมันยิ่งไหลเร็ว การเรืองแสงก็ยิ่งมาก ซึ่งสามารถสังเกตผ่านกล้องจุลทรรศน์ได้นั่นเอง

ความเร็วในการไหลที่แบคทีเรียเหล่านี้วัดไม่ใช่หน่วยที่เราคุ้นเคยในกันในชีวิตประจำวันเพราะแบคทีเรียเหล่านี้มีขนาดเล็กในระดับไมโครเมตร ส่วนท่อที่ใช้ทดลองวัดความเร็วการไหลก็เล็กเรียวเท่าเส้นผม

หน่วยที่พวกเขาใช้วัดความเร็ว คือ อัตราเฉือน (shear rate)  ซึ่งเป็นอัตราเร็วที่ชั้นของเหลวชั้นหนึ่งเคลื่อนที่ผ่านอีกชั้นหารด้วยระยะห่างระหว่างชั้น

แบคทีเรียเหล่านี้จะไม่ตอบสนอง หากอัตราการไหลต่ำเกินกว่าจุดๆหนึ่ง แต่จะเริ่มตอบสนองการไหลที่เร็วในระดับเดียวกับที่ความเร็วของของเหลวในร่างกายมนุษย์  ตั้งแต่กระแสเลือดจนถึงปัสสาวะที่ไหลผ่านระบบทางเดินปัสสาวะ

ไม่แน่ว่า หากแบคทีเรียเหล่านี้ถูกตัดต่อพันธุกรรมจนไม่ก่อโรค

เราอาจใช้มันเป็นเครื่องวัดความเร็วการไหลในระบบชีววิทยา รวมทั้งในร่างกายมนุษย์ได้อย่างปลอดภัยก็ได้

บทความโดย  อาจวรงค์  จันทมาศ

อ้างอิง

https://www.princeton.edu/news/2019/05/13/princeton-scientists-bioengineer-cellular-speedometer

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190513123118.htm

https://www.nature.com/articles/s41564-019-0455-0