สายพันธุ์ที่ไม่ก่อให้เกิดโรคทั้งจักรวาลสร้างรากฐานของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่
โดย เอริน เฟนเนสซี | UPDATED 5 ต.ค. 2021 12:58 น.
ศาสตร์
มือที่สวมถุงมือถือจานเพาะเชื้อ
E. coli เป็นส่วนสำคัญของการวิจัยทางชีววิทยาอย่างน่าประหลาดใจ LYOSHANAZARENKO/เงินฝาก
แบคทีเรียถูกประเมินต่ำเกินไป ตั้งแต่การทำฟาร์มไปจนถึงการปรุงแต่งกลิ่นรส จุลินทรีย์เหล่านี้มีความสำคัญในแบบที่คุณอาจไม่เคยรู้มาก่อน มีอีกสามเรื่องในซีรีส์นี้เกี่ยวกับปุ๋ยแบคทีเรีย การฟื้นฟูศิลปะ และจุลินทรีย์ที่ทำน้ำส้มสายชู
เราเคยได้ยินเกี่ยวกับ Escherichia coli
(รู้จักกันดีในชื่อ E. coli) ว่าเป็นเชื้อโรคที่น่าสยดสยองในข่าวทุกคืน และเป็นความจริงที่การระบาดของ E. coli เป็นภัยคุกคามต่อสุขภาพของประชาชน แต่ตอนนี้คุณไม่เพียงแต่พกของบางส่วนในลำไส้ของคุณเท่านั้น แต่ยังเป็นหนี้จุลินทรีย์เหล่านี้อีกด้วย พวกมันเป็นรากฐานของวิทยาศาสตร์และการแพทย์สมัยใหม่ส่วนใหญ่
E. coli ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมผลิตส่วนประกอบ mRNA ของวัคซีน Pfizer COVID-19 เป็นต้น พวกเขายังมีบทบาทในการพัฒนาและการผลิตยาที่สำคัญหลายชนิด รวมถึง Taxol (เพื่อรักษามะเร็งหลายชนิด) และ certolizumab (เพื่อรักษาโรคโครห์น)
นอกเหนือจากการดูแลสุขภาพแล้ว จุลินทรีย์ยังได้รับการออกแบบมาเพื่อทำลายวัสดุทั่วไปที่ไม่สามารถรีไซเคิลได้และส่วนประกอบหลักของผ้าโพลีเอสเตอร์ ได้แก่ โพลิเอทิลีนเทเรพทาเลต (PET) ลงในวานิลลินเคมีที่มีประโยชน์สูงซึ่งมีหน้าที่ในการรับกลิ่นและรสชาติของเมล็ดวานิลลา . สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวขนาดเล็กเหล่านี้ยังได้รับการฝึกฝนให้เรืองแสงเมื่อพบ TNT ซึ่งเป็นร่องรอยทางเคมีของทุ่นระเบิด เพื่อให้ผู้ประสานงานด้านมนุษยธรรมสามารถตรวจจับวัตถุระเบิดและกำจัดออกได้ในที่สุด
มีคุณลักษณะสำคัญบางประการที่ส่งผลต่อความสำเร็จของ E. coli
อย่างแรก จุลินทรีย์จะเรียงตัวในลำไส้ของสัตว์เลือดอุ่น ดังนั้นจึงมีให้พร้อมเสมอและไม่เคยขาดตลาด เนื่องจากมันเติบโตตามธรรมชาติที่อุณหภูมิของร่างกาย วัฒนธรรมในห้องปฏิบัติการจึงถูกรักษาไว้ที่ 37.4 องศาเซลเซียส (99.3 องศาฟาเรนไฮต์) ที่ไม่รุนแรง E. coli ยังไม่จู้จี้จุกจิกเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่กำลังเติบโตหรืออาหารของมัน—มันสามารถเติบโตได้โดยมีหรือไม่มีออกซิเจน และจะกินอะไรก็ได้เพื่อเป็นเชื้อเพลิง บางทีที่สำคัญที่สุดคือ อี. โคไลทำซ้ำในอัตราที่น่าอัศจรรย์ โดยจะเพิ่มเป็นสองเท่าทุก ๆ 20 นาที
แต่ไม่ใช่แค่ว่า E. coli นั้นเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานในห้องปฏิบัติการ — มีความพยายามร่วมกันที่จะมุ่งเน้นไปที่แบคทีเรียเหล่านี้
ในช่วงทศวรรษที่ 1940 Max Delbruck นักฟิสิกส์ที่ผ่านการฝึกอบรมจากเยอรมนี มาถึงสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย และบังเอิญพบเชื้อ E. coli ที่ใช้เป็นสิ่งมีชีวิตจำลองในห้องทดลองที่อยู่ใกล้เคียง Roberto Kolter ศาสตราจารย์กิตติคุณด้านจุลชีววิทยาที่ Harvard กล่าวว่า “สำหรับนักฟิสิกส์ที่สนใจไขความลึกลับของการจำลองแบบทางชีววิทยา ระบบที่บุคคลก่อให้เกิดลูกหลานหลายร้อยคนในเวลาไม่กี่นาที โรงเรียนแพทย์แห่งการค้นพบของเดลบรูค
หลังจากที่เขาแสดงให้เห็นลักษณะสุ่มของการกลายพันธุ์
ทางพันธุกรรมโดยใช้ E. coli (การค้นพบที่เป็นรากฐานสำคัญของชีววิทยาสมัยใหม่) Delbruck ได้เสนอสนธิสัญญาฟาจ เอกสารดังกล่าวขอให้นักวิจัยด้านแบคทีเรียมุ่งมั่นที่จะทำงานร่วมกับ E. coli สายพันธุ์เฉพาะ เพื่อสร้างมาตรฐานให้กับงานด้านแบคทีเรียวิทยาในระยะแรก และอนุญาตให้เปรียบเทียบการทดลองได้โดยตรงในห้องปฏิบัติการหลายแห่ง
[ที่เกี่ยวข้อง: แบคทีเรียที่ชอบสิ่งสกปรกสามารถรักษางานศิลปะที่ประเมินค่ามิได้]
Michael Thomas ศาสตราจารย์ด้านแบคทีเรียวิทยาจาก University of Wisconsin-Madison กล่าวว่า “การตัดสินใจว่าทุกคนจะมุ่งเน้นไปที่สิ่งมีชีวิตจำนวนจำกัดในฐานะระบบแบบจำลอง ซึ่งช่วยให้เรามีความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตที่เฉพาะเจาะจง”
จากที่นั่น การทดลองคลาสสิกสองทศวรรษได้ประสานเครื่องจักรที่มีอยู่ภายในเซลล์ E. coli เป็นเครื่องมือกลางในการแยกแนวคิดทางชีววิทยาพื้นฐาน บทบาทและลักษณะของดีเอ็นเอในฐานะสารพันธุกรรมหลักได้รับการอธิบายไว้ใน E. coli เช่นเดียวกับกลไกของการจำลองแบบดีเอ็นเอ
หลักการพื้นฐานของชีววิทยา—DNA นั้นแปลเป็น RNA ซึ่งแปลเป็นโปรตีน—มาจากการทดลอง E. coli ที่ทำในทศวรรษที่ 1960 “ไม่ว่าคุณจะเป็นนักชีวเคมี นักพันธุศาสตร์ นักประสาทวิทยา มีสิ่งหนึ่งที่เราทุกคนทำงานภายใต้ความเชื่ออย่างแรงกล้าว่า DNA สร้าง RNA ซึ่งสร้างโปรตีน และนั่นคือสิ่งที่ทำงาน” โทมัสอธิบาย “ชีววิทยา เมื่อเทียบกับฟิสิกส์หรือเคมี มันไม่ใช่วิทยาศาสตร์ที่สมบูรณ์ จนกระทั่งมันมากับกระบวนทัศน์นี้ในศตวรรษที่ 20 และ E. coli อยู่ที่เวทีกลาง”
ด้วย E. coli ที่ได้รับการจัดตั้งขึ้นอย่างแน่นหนาว่าเป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบมาตรฐานสำหรับนักจุลชีววิทยา เครื่องมือคุณภาพที่มีเพื่อจัดการกับแบคทีเรียจึงพุ่งสูงขึ้น บางทีสิ่งที่ส่งผลกระทบมากที่สุดคือ DNA รีคอมบิแนนท์ (rDNA) ซึ่งเป็นตัวอย่างเล็ก ๆ ของสารพันธุกรรมที่สามารถถ่ายโอนระหว่างเซลล์ที่มีชีวิต
rDNA ช่วยให้นักวิจัยสามารถรวมยีนจากสปีชีส์ต่าง ๆ และแนะนำให้รู้จักกับสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ที่ไม่ได้แสดงลักษณะเหล่านั้นโดยธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น ลักษณะเรืองแสงที่พัฒนาขึ้นในสายพันธุ์ของปลาสามารถถ่ายโอนไปยังเซลล์แบคทีเรียและแม้กระทั่งเซลล์ของมนุษย์ผ่านทาง rDNA รหัสพันธุกรรมเทียมมักถูกบรรจุเป็นชิ้นกลมของดีเอ็นเอที่เรียกว่าพลาสมิด
ในการตัดและวางพลาสมิดลงในรหัสพันธุกรรมที่มีอยู่ของสิ่งมีชีวิต จำเป็นต้องมีโปรตีนสองประเภท: เอ็นไซม์จำกัด ซึ่งตัด DNA ที่ตำแหน่งเฉพาะ และการรวมเอ็นไซม์ที่เรียกว่า ไลกาส ซึ่งติดพลาสมิดเข้าที่ DNA ของโฮสต์ถูกหั่นเป็นชิ้นเปิด พลาสมิดถูกแทรกเข้าไปในช่องว่าง และไลกาเซสซ่อมแซมบาดแผลที่เกิดจากเอ็นไซม์จำกัด เมื่อรวมเข้าด้วยกันเรียบร้อยแล้ว สิ่งมีชีวิตที่เป็นโฮสต์จะแสดงยีนที่เข้ารหัสบนพลาสมิดราวกับว่ามันอยู่ที่นั่นเสมอ
พลาสมิดถูกใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกับ E. coli เพื่อให้นักวิจัยสามารถซื้อห้องสมุดทั้งหมดของลำดับดีเอ็นเอที่มีอยู่ก่อนและที่เตรียมไว้ได้ ในช่วงแรกๆ ห้องปฏิบัติการจะเขียนพลาสมิดดั้งเดิมตั้งแต่ต้นเพื่อให้เข้ากับโครงการเฉพาะของพวกเขา แต่ “ด้วยการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในเชิงพาณิชย์” โคลเตอร์กล่าว พลังของการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมสามารถเข้าถึงได้อย่างที่เคยเป็นมา
