การใช้ประโยชน์จากทรัพยากรจุลินทรีย์

ผศ.สุเทพ ไวครุฑธา
ภาควิชาจุลชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
ถ. พระรามที่ 6 เขตราชเทวี กรุงเทพฯ 10400

        จุลินทรีย์ส่วนมากเป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กในระดับที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็น ในการรับรู้และในความรู้สึกของคนโดยทั่วไปมักไม่ทราบถึงบทบาท คุณค่า และความสำคัญของทรัพยากรจุลินทรีย์ได้อย่างเป็นรูปธรรม แตกต่างจากทรัพยากรชีวภาพด้านอื่น เช่น ป่าไม้ พืชพรรณ และสัตว์ต่างๆ ซึ่งคนทั่วไปสามารถสัมผัสรับทราบ และเข้าใจถึงความสำคัญและผลกระทบต่างๆ ได้มากกว่า แม้ในความเป็นจริงนั้น จุลินทรีย์มีบทบาทสำคัญมากต่อวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตอื่นบนโลกนี้ในทุกระดับชั้น เป็นทรัพยากรชีวภาพที่มีจำนวนและคุณค่ามหาศาลที่เราสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ได้อีกยาวนาน

        จุลินทรีย์เป็นสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกที่เกิดขึ้นบนโลกนี้ เมื่อไม่น้อยกว่าสามพันเจ็ดร้อยล้านปีมาแล้ว หรือประมาณ เก้าร้อยล้านปี หลังจากการกำเนิดของโลกซึ่งมีอายุนับถึงปัจจุบันได้ประมาณสี่พันหกร้อยล้านปี นับแต่มีสิ่งมีชีวิตชนิดแรกเป็นจุลินทรีย์เกิดขึ้นและได้แพร่กระจายไปยังสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกันทั่วโลก ทำให้มีวิวัฒนาการแยกเป็นจุลินทรีย์ชนิดต่างๆ ที่เหมาะกับการดำรงชีวิตในสิ่งแวดล้อมนั้นๆ ในขณะเดียวกันกระบวนการทางชีวเคมีของจุลินทรีย์ทั้งหลายก็มีบทบาทสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงทางธรณีเคมี (geochemical activity) ของผิวโลก กระบวนการนี้ได้ดำเนินต่อมาอีกมากกว่าสามพันล้านปี จนกระทั่งสภาพสิ่งแวดล้อมบนโลกมีความเหมาะสมต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตอื่น จึงเริ่มมีพืชเกิดขึ้นและต่อมามีสัตว์เกิดขึ้น โดยทั้งพืชและสัตว์นั้นมีวิวัฒนาการขึ้นมาจากบรรพบุรุษที่เป็นจุลินทรีย์ กระบวนการทางชีวเคมีของจุลินทรีย์จึงมีบทบาทสำคัญในการ ”เตรียม” โลกนี้ให้ พืช สัตว์ และสิ่งมีชีวิตทั้งหลายในโลกนี้ ได้เกิดขึ้น และอุ้มชูให้มีวิวัฒนาการต่อมาจนถึงปัจจุบันและต่อเนื่องไปในอนาคต

        จุลินทรีย์เป็นสิ่งมีชีวิตกลุ่มที่มีวิวัฒนาการต่อเนื่องมายาวนานที่สุด กระจายไปอาศัยอยู่ได้ในสภาพสิ่งแวดล้อมที่มีความหลากหลายแตกต่างกันมากที่สุด สามารถดำรงชีวิตและเจริญอยู่ได้ใน สิ่งแวดล้อมที่ไม่เหมาะสมหรือไม่มีสิ่งมีชีวิตอื่นใดสามารถอาศัยอยู่ได้ เช่น psychrophilic eubacteria เจริญอยู่ได้ในทะเลน้ำแข็งบริเวณขั้วโลกซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่า 1° C; hyperthermophilic archaea อาศัยอยู่ในบ่อน้ำพุร้อน หรือบริเวณปล่องภูเขาไฟใต้ทะเลซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า 110° C; acidophilic eubacteria และ acidophilic archaea อาศัยอยู่ในบ่อน้ำพุร้อนและเหมืองแร่ที่น้ำมีความเป็นกรดสูงมากในระดับ pH < 1; alkaliphilic eubacteria และ alkaliphilic archaea เจริญอยู่ได้ในทะเลสาบหรือในทะเลทรายที่มีความเป็นด่างสูงมากกว่า pH 12; ในสิ่งแวดล้อมที่ไม่มี oxygen เช่น ในตะกอนดินใต้น้ำ, ในลำไส้ของสัตว์มี anaerobic fungi, anaerobic protozoa, anaerobic archaea อาศัยอยู่; ในทะเลสาบน้ำเค็มจัดที่สารละลายเกลือถึงจุดอิ่มตัว มีจุลชีพพวก extreme halophilic archaea อาศัยอยู่; ในทะเลทรายที่แห้งแล้ง มี xerophilic fungi อาศัยอยู่; บริเวณก้นทะเลลึกที่มีความกดดันสูงมากกว่าพันเท่าของความดันบรรยากาศ มี barophilic bacteria อาศัยอยู่; หรือแม้แต่ในแหล่งที่มีระดับกัมมันตภาพรังสีสูงจนเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตอื่น ก็ยังมีแบคทีเรียที่ทนรังสี (radioduric bacteria) เช่น Deinococcus อาศัยอยู่ได้ การที่จุลินทรีย์สามารถเจริญอยู่ในสิ่งแวดล้อมต่างๆ เหล่านี้ได้ ย่อมต้องอาศัยคุณสมบัติพิเศษที่ถูกกำหนดโดยพันธุกรรม ซึ่งไม่อาจพบได้ในสิ่งมีชีวิตอื่นที่ไม่สามารถเจริญอยู่ในสิ่งแวดล้อมดังกล่าวนี้ได้

        จุลินทรีย์มีความหลากหลายมากกว่าพืชและสัตว์มาก ในดินหนึ่งกรัมอาจพบมีจุลินทรีย์ชนิดต่างๆ อยู่หลายพันชนิด จุลินทรีย์ไม่ได้อาศัยอยู่แต่ในสิ่งแวดล้อมตามธรรมชาติเท่านั้น มีจุลินทรีย์อีกจำนวนมากที่อาศัยหรือเจริญอยู่กับสิ่งมีชีวิตอื่น ทั้งภายในเซลล์และภายนอกเซลล์ ทั้งภายในและภายนอกร่างกายของสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นไม่ว่าจะเป็นจุลินทรีย์ด้วยกันเอง เช่น fungi, protists ชนิดต่างๆ, ในพืช มี endophytic bacteria, endophytic fungi, ในแมลงมีเชื้อรา แบคทีเรีย และ protozoa, บนผิวหนังและในตลอดทางเดินอาหารของสัตว์ทุกชนิดรวมทั้งมนุษย์ ล้วนมีจุลินทรีย์เข้าไปอาศัยร่วมอยู่ด้วย ในความสัมพันธ์รูปแบบต่างๆ จุลินทรีย์สามารถปรับตัวเข้าไปเจริญอยู่กับสิ่งมีชีวิตอื่นทุกชนิด และมีวิวัฒนาการร่วมกันอย่างแนบแน่นเป็นลำดับมา มองในแง่หนึ่งคือภายใน macroscopic organisms นั้นเองเป็น habitats ของจุลินทรีย์, และเมื่อ hosts มีความหลากหลายย่อมทำให้จุลินทรีย์พวกนี้ มีความหลากหลายมากตามไปด้วย


ภาพที่ 1. Universal Phylogenetic Tree ของสิ่งมีชีวิต สร้างขึ้นจากการวิเคราะห์เปรียบเทียบลำดับนิวคลีโอไทด์ ของ 16S และ 18S ribosomal RNA gene จาก จุลินทรีย์ พืช และสัตว์ต่างๆ

        ข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญอีกประการหนึ่ง ที่แสดงถึงการมีวิวัฒนาการอย่างกว้างขวางและหลากหลายของจุลินทรีย์ คือการจัดหมวดหมู่สิ่งมีชิวิตทั้งหม ดโดยใช้การเปรียบเทียบความเหมือนและความแตกต่างของลำดับนิวคลีโอไทด์ ของยีนของ ribosomal RNA (16S rRNA สำหรับ prokaryotes, 18S rRNA gene สำหรับ eukaryotes) และสร้างเป็น universal phylogenetic tree ดังภาพที่ 1

        จาก Universal Phylogenetic Tree ข้างต้น สิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลกนี้แบ่งออกเป็น สามกลุ่ม (domains) ใหญ่ ได้แก่ (eu)Bacteria, Archaea, และ Eucarya ภาพนี้แสดงให้เห็นวิวัฒนาการ ที่กว้างขวางและหลากหลายของจุลชีพได้อย่างชัดเจน จะเห็นได้ว่าสิ่งมีชีวิตที่จัดเป็นจุลินทรีย์นั้น อยู่ใน Bacteria Domain และ Archaea Domain ทั้งหมด และรวมถึงส่วนใหญ่ของสิ่งมีชีวิตใน Eucarya Domain โดยส่วนที่เป็น macroscopic organisms ได้แก่ พืช สัตว์ และ macroscopic fungi นั้น เป็นสัดส่วนที่น้อยมากเมื่อเทียบกับส่วนที่เป็นจุลินทรีย์

        มีการประมาณการจำนวน species ที่คาดว่าจะมีทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตกลุ่มหลักๆ ดังข้อมูลแสดงใน ตารางที่ 1 (Heywood VH,1995) เมื่อเปรียบเทียบกับจำนวน species ที่ได้มีการค้นพบหรือทราบชนิดแล้ว จะเห็นว่าแมลงเป็นกลุ่มที่มีจำนวน species มากที่สุดและมีการค้นพบแล้วคิดเป็นจำนวน species มากที่สุด สัตว์มีกระดูกสันหลัง เป็นกลุ่มที่มีสัดส่วนการค้นพบหรือทราบชนิดแล้วมากที่สุดถึงร้อยละ 90 ของจำนวน species ที่คาดว่าจะมีทั้งหมด รองลงมาคือพืชซึ่งถูกค้นพบหรือทราบชนิดแล้วมากถึงร้อยละ 84 สำหรับในกลุ่มจุลินทรีย์ โดยเฉพาะ bacteria และ fungi ที่ทราบชนิดแล้วคิดเป็นสัดส่วนที่ต่ำ ซึ่งหมายความว่ายังมีจุลินทรีย์อีกมากที่ยังไม่ถูกค้นพบและนำมาใช้ประโยชน์ นอกจากนี้
ข้อมูลจากการศึกษาวิจัยที่มากขึ้นและการใช้เทคนิควิธีการที่พัฒนามากขึ้นในระยะหลัง ทำให้ประมาณการจำนวน species จุลินทรีย์ที่คาดว่าจะมีทั้งหมด มีแนวโน้มว่าจะเพิ่มขึ้นจากตัวเลขที่แสดงในตารางที่ 1 ได้อีกมาก

        ความสำคัญของความหลากหลายทางชีวภาพของจุลินทรีย์ ในแง่ของการเป็นแหล่งทรัพยากรธรรมชาติ อาจแบ่งได้เป็น 3 ประการดังนี้

  1. เป็นแหล่งความหลากหลายทางพันธุกรรม (genetic diversity) พันธุกรรมที่หลากหลายของ
    จุลินทรีย์ เป็นแหล่งรวมของ genes ที่มีลักษณะพิเศษที่รอการค้นพบและนำมาพัฒนาใช้ประโยชน์ในแง่ต่างๆ ได้อีกมากมายในอนาคต
  2. เป็นแหล่งความหลากหลายของปฏิกิริยาทางเคมีและชีวเคมี (metabolic diversity) ใน
    จุลินทรีย์มีกระบวนการสังเคราะห์และย่อยสลายทางชีวเคมีที่หลากหลาย ซึ่งควบคุมโดยเอนไซม์ ยังมีปฏิกิริยาทางเคมีและชีวเคมีของจุลินทรีย์ในแหล่งต่างๆ ที่เราสามารถค้นหานำมาใช้ประโยชน์อีกมาก
  3. เป็นแหล่งความหลากหลายของสารเคมี (chemical diversity) เป็นที่ทราบกันดีว่าจุลินทรีย์ผลิตสารเคมีที่หลากหลายและเราสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้โดยตรง หรือนำมาพัฒนาต่อเพื่อใช้ประโยชน์ได้อย่างมากอยู่แล้วเช่น ยาปฏิชีวนะ สารที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพต่างๆ สาร biopolymers สารที่มีประโยชน์ทางเกษตรกรรม อุตสาหกรรม และทางการแพทย์

        ตารางที่ 1. จำนวนสปีชีส์ของสิ่งมีชีวิต ในกลุ่มหลักที่ได้มีการค้นพบหรือทราบชนิดแล้ว เปรียบเทียบกับ ประมาณการจำนวนสปีชีส์ที่คาดว่าจะมีทั้งหมด สำหรับสิ่งมีชีวิตกลุ่มนั้นๆ

Group

Number of
Described Species

Estimated
Total Number

Percent
Described

Microbial Groups

     

Bacteria

4,000

1,000,000

0.4 %

Fungi

72,000

1,500,000

4.8 %

Protozoa

40,000

200,000

20 %

Algae

40,000

400,000

10 %

Plants

270,000

320,000

84 %

Animals

. . .

Nematodes

25,000

400,000

6 %

Crustaceans

40,000

150,000

26 %

Insects

950,000

8,000,000

12 %

Vertebrates

45,000

50,000

90 %

การใช้ประโยชน์จากความหลากหลายทางชีวภาพของจุลินทรีย์ของไทยที่ควรให้การสนับสนุน

        1. การวิจัยด้าน bioactive compounds จากจุลชีพ ซึ่งได้แก่ antibiotics, antiinflamatory drugs, immune suppressors, lipid regulating agents, biopesticides, growth promotors etc. เป็นต้น เป็นงานหนึ่งที่นักวิจัยของไทยให้ความสนใจและได้ดำเนินการมาเป็นระยะเวลานานพอสมควรแล้ว แต่ในการรับรู้ของสังคมในวงกว้างนั้นยังไม่เห็นถึงความสำเร็จที่ชัดเจน และหากมองในระดับชาติแล้ว เท่าที่ผ่านมากิจกรรมนี้ยังไม่เป็นระบบมากนัก มีงานที่ทำซ้ำๆ กันอยู่พอสมควรทำให้สิ้นเปลืองเงินของชาติ และทำไปได้ไม่ไกลเนื่องจากการวิจัยนี้ต้องการความร่วมมือ ระหว่างนักวิทยาศาสตร์หลายสาขา ได้แก่ ด้าน microbiology, chemistry, molecular biology, pharmacology กลุ่มวิจัยที่ครบทีมเช่นนี้คงมีอยู่น้อย ดังนั้นเพื่อให้งานมีประสิทธิภาพและคุ้มค่ากับงบประมาณของประเทศมากขึ้น จึงควรหาวิธีทำให้งานวิจัยด้านนี้ของประเทศไทยเราเป็นระบบมากขึ้น มีความร่วมมือจากนักวิทยาศาสตร์หลายสาขา เพื่อให้ทำงานได้ครบวงจรและไปได้ไกล มีระบบข้อมูลการวิจัยการวิจัย bioactive compounds ของประเทศ ที่สื่อสารกันได้รวดเร็ว เพื่อไม่ให้เกิดงานวิจัยซ้ำๆ รวมทั้งการใช้ฐานข้อมูลของต่างประเทศด้วย เนื่องจากการค้นหา bioactive compounds ทำกันอย่างกว้างขวางทั่วโลกมานาน มีการพบสารต่างๆแล้วจำนวนมาก ทำให้เกิดปัญหาสำคัญในปัจจุบันคืออัตราการพบสารที่เคยค้นพบมาก่อนแล้ว (rediscover) มีมากขึ้น จึงควรมี dereplication protocols ที่สามารถบอกได้แต่เนิ่นๆ ว่าเป็น known compound เพื่อลดความสิ้นเปลือง นอกจากนี้ควรมีระบบบริหารจัดการให้มีจัดสรรแบ่งปันเครื่องมือวิจัยที่ก้าวหน้าและมีราคาแพงให้ได้ใช้กันอย่างคุ้มค่าและเต็มประสิทธิภาพ

        ในอีกด้านหนึ่ง การค้นหา bioactive compounds จากจุลินทรีย์ ควรให้ความสนใจแหล่งจุลินทรีย์ ที่ความหลากหลายมากขึ้น เพื่อเพิ่มโอกาสการค้นพบสารใหม่ เดิมนั้นนักวิจัยมักจะแยกจุลินทรีย์จากดินและน้ำเป็นหลัก ในปัจจุบันได้เริ่มค้นหาจากแหล่งอื่น เช่น เชื้อราในแมลง, เชื้อราและแบคทีเรียในพืช (endophytic fungi, endophytic bacteria), จุลินทรีย์จากทะเล เป็นต้น ยังมีจุลินทรีย์อีกมากที่คนยังสนใจศึกษากันน้อย ซึ่งอาจเป็นแหล่งสำหรับการค้นพบสารใหม่ ได้แก่ เชื้อรา, แบคทีเรีย และ โปรโตซัว ที่อาศัยอยู่ภายในตัวสัตว์ ทั้งสัตว์บก สัตว์น้ำ สัตว์ทะเล หรือที่associated อยู่กับสิ่งมีชีวิตอื่นในรูปแบบต่างๆ ซึ่งนักวิจัยจะต้องพัฒนาวิธีเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์เหล่านั้นให้ได้ก่อน สำหรับจุลินทรีย์ที่เรายังไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้ในปัจจุบันซึ่งมีอยู่อีกจำนวนมากนั้น เราก็มีวิธีการที่จะ clone genes ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างสาร bioactive compounds จากจุลินทรีย์เหล่านี้ได้

        2. การวิจัยด้านเอนไซม์จากจุลชีพ เอนไซม์ได้ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ อย่างกว้างขวางทั่วโลก แต่สำหรับประเทศไทยเราความก้าวหน้าทางด้านนี้ยังมีไม่มากนักและยังมีช่องทางพัฒนาได้อีกมาก โดยเฉพาะในระยะแรกควรเน้นการใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวเนื่องจากการเกษตรเป็นหลัก เช่น เอนไซม์สำหรับใช้ผสมในอาหารสัตว์, อุตสาหกรรมอาหาร, อุตสาหกรรม textile, อุตสาหกรรมเยื่อกระดาษ เป็นต้น ซึ่งจะต้องอาศัยความร่วมมือกันระหว่าง นักวิจัยด้านจุลชีววิทยา, ชีวเคมีร่วมกับนักวิจัยที่เกี่ยวข้องโดยตรงในอุตสาหกรรมต่างๆ ดังกล่าว นอกจากนี้งานวิจัยที่ควรให้ความสนใจอีกอย่างหนึ่งคือ การพัฒนาการใช้เอนไซม์ในอุตสาหกรรมเคมี โดยอาศัยข้อดีหลายๆ อย่างของเอนไซม์ เช่น chiral specificity, การเกิดปฏิกิริยาในอุณหภูมิปกติ, ลดการใช้สารเคมีที่เป็นอันตรายหรือเป็นพิษ เป็นต้น การวิจัยด้านเอนไซม์นี้ควรให้ความสำคัญกับการค้นหาและพัฒนาเอนไซม์ตัวใหม่ๆ ที่มีคุณลักษณะที่ดีกว่าตัวที่มีอยู่เดิม เช่น ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง, ทนต่อสภาวะ กรด-ด่าง, ทนต่อโลหะหนัก หรือตัวทำละลายอินทรีย์, ทำงานได้ที่อุณหภูมิต่ำมากๆ หรือ ในสารละลายที่มีเกลือมาก, หรือเอนไซม์ที่มี kinetic properties ที่ดีกว่าเดิม เป็นต้น ทั้งนี้ขึ้นกับลักษณะการใช้งานในแต่ละกรณี

         3. การวิจัยด้านอื่นๆ ที่สามารถนำศักยภาพของความหลากหลายทางชีวภาพของจุลินทรีย์ ของประเทศมาพัฒนาใช้ประโยชน์ได้ เช่น industrial fermentations, biosensors, probiotics, biocontrol, biopesticides, bioplastics, biomimetic polymers, diagnostics, การผลิตเชื้อเพลิง (alcohol, hydrogen, biodiesel), การใช้กระบวนการทางชีวภาพในการกำจัดของเสียหรือสารพิษ, การ recycle, การเกษตรและป่าไม้ที่ยั่งยืน, รวมทั้งใช้ช่วยในการอนุรักษ์พืชและสัตว์ที่ใกล้จะสูญพันธุ์ หรือแม้แต่ในงานวิจัยที่ใช้เทคโนโลยีขั้นสูงเช่น bio-microelectronics, bio-switches, bio-computers เป็นต้น

         ความหลากหลายทางชีวภาพของจุลินทรีย์ เป็นแหล่งทรัพยากรธรรมชาติที่สำคัญของชาติ ซึ่งเราสามารถใช้ความรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีพัฒนานำมาใช้ประโยชน์ได้อีกมากมายในอนาคต ในขณะเดียวกัน การที่เรามีทรัพยากรชีวภาพที่มีความหลากหลายมาก ก็จะช่วยให้เราสามารถพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของชาติ ให้เข้มแข็งและก้าวหน้าได้มากขึ้น ในทางตรงข้ามหากเราปล่อยให้ทรัพยากรชีวภาพของชาติเสื่อมโทรมขาดความหลากหลาย การพัฒนาจะเป็นไปด้วยความยากลำบาก เนื่องจากเราขาดต้นทุนไม่มีแหล่งทรัพยากร ที่จะเกื้อหนุนการพัฒนาเพื่อให้เกิดการใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมที่ใช้เทคโนโลยีชีวภาพ ซึ่งเป็นกระแสสำคัญของวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมในสหัสวรรษใหม่นี้

 

 


สงวนลิขสิทธิ์ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2537 สถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีไทย สวทช.
 
2000 Thailand Graduate Institute of Science and Technology, NSTDA. All rights reserved.