สัปดาห์ก่อนอะตอมได้มีโอกาสเข้าไปสัมภาษณ์กับ ผศ. ดร.พงค์ศักดิ์ ขุนแร่ อาจารย์ประจำภาควิชาจุลชีววิทยา และเป็นหนึ่งในทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการ SEPEL (Structural Engineering of Protein and Enzyme Laboratory) โดยมี นายอภิเชษฐ เงินยวง นักศึกษาปริญญาโทผู้ทำการทดลองพัฒนาการดัดแปลงโครงสร้างโปรตีนของเอมไซม์ (Enzyme) ที่มีชื่อว่า Xylanase ให้มีขีดความสามารถทั้งในเชิงคุณสมบัติเฉพาะและการนำใช้ประโยชน์ที่จะตอบโจทย์ภาคอุตสาหกรรมการผลิตอาหาร ??‍???‍?
.
อาจารย์เล่าให้ฟังว่า กลไกทางชีววิทยาในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องมีเอมไซม์ที่ช่วยย่อยสารอาหารให้กลายเป็นน้ำตาล ตัวอย่างเช่น Xylanase ที่สามารถย่อยสารอาหารจำพวกฟางข้าว เศษซากพืช หรือชานอ้อย เพื่อให้เกิดน้ำตาลไซโลส (Xylose) ที่มาเรียงต่อกันกลายเป็นรูปแบบของน้ำตาลที่มีชื่อว่า XOS (Xylo-oligosaccharides) Profile สำหรับใช้เป็น “อาหาร (Prebiotic)” ของ “จุลินทรีย์ดี (Probiotic)” ???
.
เมื่อสิ่งมีชีวิตมีจุลินทรีย์ดีเป็นจำนวนมาก ผลที่ตามมา คือ สิ่งมีชีวิตจะมีการเจริญเติบโตที่แข็งแรงมากขึ้น เกิดการสร้างภูมิคุ้มกันที่สูงขึ้น และมีความสามารถในการต้านทานโรคต่าง ๆ ได้มากขึ้น ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการรับมือกับธรรมชาติทางชีววิทยาที่อาจจะมีการเปลี่ยนแปลงได้ในอนาคต
????
.
แต่การจะตามหาเอมไซม์ในธรรมชาติที่มีคุณสมบัติเฉพาะและสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับอุตสาหกรรมอาหารสัตว์หรือแม้แต่อาหารเสริมในมนุษย์เป็นเรื่องที่ยากและยังติดข้อจำกัดอยู่มากมาย เนื่องจากเอมไซม์ในธรรมชาติไม่ทนร้อนและในกระบวนการย่อยสารอาหารจะเกิดผลลัพธ์ของ Prebiotic เป็นแบบสุ่ม (Random) โดยไม่สามารถกำหนดหรือเลือกชนิดของ Prebiotic ได้ จึงต้องมีการเพิ่มกระบวนการเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนต่าง ๆ ให้คงไว้แต่ Prebiotic ที่ต้องการ ???
.
ดังนั้นจึงทำให้อุตสาหกรรมต่าง ๆ ยังไม่มีเอมไซม์ที่ตอบโจทย์กับความต้องการได้เท่าที่ควร หลายปีที่ผ่านมามีงานวิจัยมากมายที่พยายามศึกษาเกี่ยวกับการระบุชนิดและสัดส่วนของ Prebiotic ที่มีอยู่หลากหลายให้ตรงกับการใช้งานทางชีววิทยามากที่สุด และนี่คือ "จุดเริ่มต้นของทีมวิจัยที่เริ่มเปิดประตูโครงสร้างของโปรตีนแล้วทำการดัดแปลงเอมไซม์ที่มีอยู่ธรรมชาติให้เป็นไปในแบบที่เราต้องการ!!" ???
.
ทีมวิจัย SEPEL ได้ประสบความสำเร็จในการดัดแปลง Xylanase ให้มีความสามารถในการทนความร้อนและเกิดปฏิกิริยาการย่อยสลายได้ดี แต่ยังไม่สามารถพัฒนาโครงสร้างให้ผลิต XOS Profile (ตั้งแต่ X1 ถึง X6) ให้เกิดได้อย่างสมบูรณ์
.
ด้วยเงื่อนไขทางชีววิทยาดังกล่าว ทำให้ทีมวิจัย SEPEL จับมือกับทีมนักวิจัยจากสาขาฟิสิกส์ ซึ่งนำทีมโดย ผศ.ดร.ธนา สุทธิบัทม์พงศ์ อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ ผู้เชี่ยวชาญในการจำลองรูปแบบโมเดลสามมิติของโครงสร้างโมเลกุล Xylanase โดยการคำนวณค่าพลังงานที่แม่นยำให้เป็นไปตามกฎของฟิสิกส์เพื่อช่วยลดจำนวนการทดลองจริงโดยใช้การจำลองรูปแบบเข้ามาช่วยจนกลายเป็น “Xylanase Mutation ที่มีชื่อว่า K40L”
.
ในธรรมชาติโครงสร้างของ Xylanase ทั่วไป จะมีพฤติกรรมการย่อยสลายจนเกิด Prebiotic ในรูปแบบ XOS Profile โดยจะผลิตและย่อยสลาย Substrate ของ X6 ลงมาจนเหลือแค่ X1 (Xylose หรือ Monosaccharide) และไม่สามารถชะลอหรือกักเก็บ Prebiotic ในกลุ่ม X4 ไว้ได้ จึงเป็นเหตุให้ทีมวิจัยเกิดการตั้งคำถามว่า...
.
“แล้วถ้าการสร้าง Probiotic ที่จำเป็นต้องใช้ X4 จะทำอย่างไร ในเมื่อกระบวนการผลิต Prebiotic ไม่หลงเหลือ X4 อีกเลย”
.
ด้วยเหตุนี้ทีมวิจัยจึงทำการศึกษาและทดลองจนพบปัจจัยที่ทำให้พฤติกรรมของ Xylanase ทั่วไป ชะลอการย่อยสลาย XOS ไปเรื่อย ๆ นั่นก็คือ ต้องทำการดัดแปลงโครงสร้างของ K40L บริเวณ Binding Site เพื่อลดทอนการจับกันระหว่าง Substrate กับ Enzyme ผลที่ได้จะช่วยชะลอการย่อย Prebiotic ในกลุ่ม X4 ได้ ส่งผลให้มีเวลาในการกักเก็บ X4 ได้นานขึ้น
.
ดังนั้น K40L จึงเป็น Xylanase Mutation ที่มีความสามารถเหนือจากที่ธรรมชาติให้มาในทุกมิติของการใช้งาน เป็น Prebiotic ที่ทนความร้อน เร่งปฏิกิริยาได้รวดเร็ว และสามารถชะลอรูปแบบการเกิด XOS Profile จนกลายเป็น Prebiotic ที่สมบูรณ์แบบเมื่อเทียบกับ Xylanase ทั่วไป
.
จากผลความร่วมมือของทีมวิจัยจุลชีววิทยาและฟิสิกส์ทำให้เราได้รู้ว่า เมื่อเข้าใจถึงพฤติกรรมและเงื่อนไขทางชีววิทยาของ Enzyme ผนวกกับการคำนวณที่แม่นยำโดยกฎของฟิสิกส์ทำให้ลดจำนวนการทดลองจริงและช่วยยืนยันผลการทดลองเชิงทฤษฎี จึงทำให้ผลงานวิจัยนี้เปรียบเหมือนกุญแจดอกแรกที่ประสบความสำเร็จอย่างมากกับองค์ความรู้เชิงลึกในการพัฒนาต่อยอดการผลิต Prebiotic ให้มีรูปแบบของ XOS Profile แบบเฉพาะเจาะจงได้ เพื่อตอบโจทย์อุตสาหกรรมไม่ว่าจะเป็นการผลิตอาหารสัตว์หรืออาหารเสริมในมนุษย์ กลายเป็นอาหารที่กำลังจะเป็นที่รู้จักกันในชื่อว่า “อาหารฟังก์ชัน (Functional Food)” แห่งในอนาคต
.
ผลงานชิ้นนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร International Journal of Biological Macromolecules ปี 2021 (Q1: Impact factor = 6.953) ในชื่อผลงาน “Effect of N-terminal Modification on the Mode of Action Between the Xyn11A and Xylotetraose” ???
#FSciResearchInnovation #KMUTT