เมื่อแบคทีเรียกลายเป็นเรือดำน้ำจิ๋ว

แบคทีเรียเป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กจิ๋วในระดับไมโครเมตร ที่มีโครงสร้างเซลล์แบบโบราณ มีรูปร่างหลายแบบ ตั้งแต่รูปร่างกลม เป็นแท่งๆ และเป็นเกลียว นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าแบคทีเรียเป็นสิ่งมีชีวิตแรกที่ถือกำเนิดขึ้นมาบนโลกของเราและดำรงอยู่จนถึงทุกวันนี้ พวกมันกระจายตัวอยู่ทั่วทุกแห่งบนโลกตั้งแต่ในดิน ในน้ำ บ่อน้ำพุร้อนจัด ฯลฯ นอกจากนี้ยังมีความสัมพันธ์กับสิ่งมีชีวิตอื่นๆหลายรูปแบบ

ที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์นำแบคทีเรียมาใช้ประโยชน์ทางการแพทย์ได้มากมาย และในอนาคตเราอาจดัดแปลงแบคทีเรียเพื่อใช้มันเป็นตัวขนส่งยาไปทำลายเนื้อร้ายอย่างเซลล์มะเร็งโดยตรงได้

ล่าสุด นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคาลเท็คทำการปรับโครงสร้างแบคทีเรียให้มันสามารถสะท้อนคลื่นเสียงได้เหมือนเรือดำน้ำที่ถูกคลื่นโซนาร์ตกกระทบแล้วสะท้อนกลับจนถูกตรวจจับตำแหน่งได้ การมองหาตำแหน่งแบคทีเรียด้วยเสียงนี้เป็นเรื่องใหม่ที่ไม่มีเคยมีใครคิดทำมาก่อน!

การมองหาตำแหน่งของแบคทีเรียนั้นสำคัญอย่างยิ่งเมื่อนักวิทยาศาสตร์ต้องการติดตามว่าแบคทีเรียที่เราส่งเข้าไปในร่างกายอยู่ตรงไหนแล้ว โดยทั่วไปนักวิทยาศาสตร์จะตัดต่อยีนที่สามารถผลิตโปรตีนเรืองแสงเข้าไปในเซลล์ได้เหมือนการติดป้ายเรืองแสงให้กับมัน จากนั้นจึงมองหาการเรืองแสงนั้นเพื่อระบุตำแหน่งของแบคทีเรีย แต่วิธีนี้มีข้อจำกัดตรงที่ต้องใช้กับเนื้อเยื่อที่อยู่ไม่ลึกนักจากผิวเพราะแสงไม่สามารถเดินทางทะลุเนื้อเยื่อหนาๆได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบทางเดินอาหาร หากนักวิทยาศาสตร์ต้องการจะหาตำแหน่งของแบคทีเรียในทางเดินอาหารด้วยวิธีนี้อาจต้องสอดกล้องเข้าไปดูหรือผ่าตัดช่องท้องซึ่งวุ่นวายและไม่น่าทำสักเท่าไหร่ ในขณะที่เสียงอัลตราซาวด์นั้นสามารถเดินทางผ่านอวัยวะเข้าไปในร่างกายได้สบาย อีกทั้งยังเป็นเทคนิคที่ราคาไม่ได้สูงมาก

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยคาลเท็คมุ่งหวังว่าแบคทีเรียดัดแปลงนี้จะช่วยในการวินิจฉัยโรคในผู้ป่วยด้านระบบทางเดินอาหารและเนื้องอกได้ด้วยการฉีดแบคทีเรียที่ถูกดัดแปลงแล้วเข้าไปในร่างกายผู้ป่วย จากนั้นปล่อยคลื่นอัลตราซาวด์เข้าสู่ร่างกายผู้ป่วยเพื่อมองหาตำแหน่งของแบคทีเรียดังกล่าวเพื่อนำมาวินิจฉัยสภาพของโรค พูดง่ายๆว่าการสามารถมองเห็นแบคทีเรียได้ด้วยอัลตราซาวด์เปรียบเหมือนการฉีดสีเข้าไปในบริเวณที่ต้องการศึกษา อีกอย่างการที่แบคทีเรียมีขนาดเล็กมากทำให้มันสามารถซอกซอนไปในบริเวณต่างๆได้อย่างสบายและทำให้ภาพที่ได้มีความละเอียดสูง

นักวิจัยเริ่มต้นจากการสังเกตเห็นว่าภายในแบคทีเรียที่อาศัยในน้ำบางชนิด( Anabaena flosaquae)มีโครงสร้างโปรตีนที่ห่อหุ้มแก๊สเอาไว้เพื่อใช้ในการลอยตัว โดยโครงสร้างดังกล่าวเรียกว่า Gas vesicles พวกเขาแล้วเกิดความคิดว่าอาจใช้มันในการสะท้อนเสียงได้ จึงเริ่มต้นทดลองในหนูก็พบว่าคลื่นอัลตราซาวด์ตรวจจับ Gas vesicles ในระบบทางเดินอาหารของหนูได้จริง

แต่แบคทีเรียที่จะเข้าสู่ร่างกายมนุษย์ควรเป็นแบคทีเรียที่ไม่มีพิษภัยและมีการใช้ในการทดลองอยู่บ่อยๆอย่างแบคทีเรียประเภทอีโคไล (E.coli)  นักวิจัยเริ่มจากการตัดต่อยีนจากแบคทีเรียที่อาศัยในน้ำใส่แบคทีเรียอีโคไล แต่ผลปรากฏว่าอีโคไลไม่สามารถสร้าง Gas vesicles ได้   แม้จะล้มเหลว แต่นักวิจัยยังเดินหน้าทำการทดลองต่อด้วยการเอายีนจากแบคทีเรียญาติๆของอีโคไลที่สร้าง Gas vesicles ได้มาตัดต่อใส่อีโคไล ผลปรากฏว่า อีโคไลสังเคราะห์ Gas vesicles ได้ แต่ก็ล้มเหลวอีกเพราะ Gas vesicles ที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นมามีขนาดเล็กเกินกว่าจะสะท้อนคลื่นเสียงได้

สุดท้าย นักวิจัยทดลองผสมยีนจากแบคทีเรียในน้ำและญาติของอีโคไลแล้วตัดต่อใส่อีโคไล  คราวนี้ผลลัพธ์ออกมาสำเร็จ โดยแบคทีเรียอีโคไลสร้าง Gas vesicles ได้ จากนั้นเมื่อทดลองในหนูก็พบว่าอีโคไลถูกตรวจจับได้ในระบบทางเดินอาหารและเนื้อเยื่อของหนูได้จริง

แม้ในตอนนี้นักวิจัยจะทำได้เพียงมองหาตำแหน่งแบคทีเรียในร่างกาย แต่ในอนาคตพวกเขาจะพยายามก้าวสู่การสื่อสารกับแบคทีเรียเหล่านั้นให้ได้

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Mikhali Shapiro ด้านวิศวกรรมเคมีหนึ่งในนักวิจัยกล่าวว่า “มันจะเหมือนกับเราสามารถถามแบคทีเรียได้ว่า ตอนนี้อยู่ที่ไหนและทำอะไรอยู่” การสื่อสารในแง่นี้อาจหมายถึงการส่งคำสั่งหรือสังเกตพฤติกรรมของมันด้วยเทคโนโลยีอื่นๆซึ่งหากทำได้จริง โลกระดับนาโนที่มนุษย์สร้างเครื่องจักรเล็กๆและควบคุมแบคทีเรียเพื่อนำมาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆได้แบบหนังไซไฟอาจใกล้ความจริงเข้าไปอีกขั้น

อ้างอิง

phys.org/news/2018-01-scientists-bacteria-sonar-ultrasound-imaging.html