การสร้างยีสต์ดัดแปลงพันธุกรรมให้สามารถผลิตเอทานอลได้เร็วขึ้น

นักวิทยาศาสตร์จาก สถาบันเทคโนโลยีแมสสันชูเส็ต สหรัฐอเมริกา (Massachusetts Institute of Technology, MIT) ได้ปรับปรุงพันธุกรรมยีสต์ให้มีความสามารถในการผลิตเอทานอลได้รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น โดยใช้ยีสต์เป็นกุญแจสำคัญที่ใช้ผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ เพื่อใช้เป็นพลังงานสำรองของสหรัฐอเมริกาและส่งเสริมการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ

ในยุคที่เกิดวิกฤตการณ์ของน้ำมันในปัจจุบันได้มีการเติมสารบางชนิดเพื่อปรับปรุงให้แก๊สโซลีนติดไฟได้ง่ายขึ้น และเอทานอลก็เป็นสารชนิดหนึ่งที่ใช้กันบ่อย ๆ โดยมีการเติมเอทานอลผสมกับน้ำมันเชื้อเพลิง เพื่อลดการใช้น้ำมันลง

แต่ข้อจำกัดที่สำคัญในการผลิตเอทานอลคือ การใช้ยีสต์หมักข้าวโพด หรือพืชอื่น ๆ เพื่อผลิตเอทานอลนั้น เมื่อเอทานอลถูกผลิตขึ้นมาในปริมาณมากขึ้นตามที่ต้องการแล้ว ปริมาณเอทานอลที่ได้จะมากเกินไปจนเป็นพิษกับยีสต์ที่ใช้ในการหมักนั้น ซึ่งเป็นผลให้ยีสต์ตาย และการหมักสิ้นสุดลง

จากปัญหาที่เกิดขึ้นนี้ นักวิจัยจึงใช้เทคนิคทางพันธุวิศวกรรมในการสร้างยีสต์สายพันธุ์ใหม่ ที่สามารถทนทานต่อระดับความเข้มข้นของเอทานอล และกลูโคสที่เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังสามารถผลิตเอทานอลได้เร็วกว่ายีสต์ที่ไม่ได้ตัดต่อพันธุกรรมอีกด้วย

รายงานการวิจัยนี้มีการแถลงข่าวในนิตยสารไซล์ (Science) รายละเอียดของข่าว มีดังนี้

เชื้อเพลิงชนิด E85 หมายถึง เชื้อเพลิงที่มีส่วนประกอบเป็นเอทานอล 85 % กำลังจะถูกนำใช้อย่างแพร่หลายในสหรัฐอเมริกา ซึ่งสหรัฐอเมริกาเป็นประเทศที่มีการปลูกข้าวโพดเป็นจำนวนมาก แต่เชื้อเพลิงชนิดนี้อาจจะไม่แพร่หลายนักในประเทศแถบตะวันออกกลาง เนื่องจากมีอุปสรรคจากการผลิตข้าวโพด ซึ่งมีผลทำให้การผลิตเอทานอลจากข้าวโพด ไม่เพียงพอต่อการผลิตเชื้อเพลิงชนิดนี้

การเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตเอทานอล เคยเป็นเรื่องที่เป็นไปได้ยากในอดีต แต่ในปัจจุบันนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสสันชูเส็ต สหรัฐอเมริกา (Massachusetts Institute of Technology, MIT) นำโดย ออล์ เอเปอร์ (Hal Alper) นักศึกษาหลังปริญญาเอก (postdoctorate) ทีมงานวิจัยห้องปฎิบัติการของ ศ. จีกอรี สตีเฟนโนโพลัส (Gregory Stephanopoulos) ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีของ สถาบันเทคโนโลยีแมสสันชูเส็ต สหรัฐอเมริกา และเจอร์รัล ฟิง (Gerald Fink) นักวิจัยจากสถาบันไวด์เอด (Whitehead Institute) และยังเป็นศาสตราจารย์ด้านชีววิทยา สามารถทำให้การเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตเอทานอล เป็นจริงได้แล้ว

โดยนักวิจัยทั้งสามได้ศึกษายีนที่ผลิตโปรตีนที่ควบคุมของยีสต์ (gene transcription) รวมทั้งยีนที่ควบคุมการแสดงออกลักษณะเฉพาะของยีสต์ ซึ่งพบว่าเมื่อ *ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (transcription factor) เหล่านี้เกิดการจับกับดีเอ็นเอ (DNA) แล้ว สามารถควบคุมให้ยีนเกิดการสร้างโปรตีน หรือยับยั้งการสร้างโปรตีนได้ ขึ้นกับชนิดของ *ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (transcription factor) นั้น ๆ ว่าเป็นชนิดที่ส่งเสริมการสร้าง หรือยับยั้งการสร้างโปรตีน ดังนั้นทีมนักวิจัย จึงค้นพบกุญแจสำคัญในการแสดงออกของเซลล์ยีสต์

ยีนเป็นตัวควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมต่าง ๆ หรือ ฟีโนไทด์ (phenotype) และพบว่า
แต่ละฟีโนไทด์จะถูกควบคุมจากหลาย ๆ ยีน จึงเป็นเรื่องที่ยากมากที่จะเปลี่ยนแปลงฟีโนไทด์ โดยการควบคุมทุกยีนที่เกี่ยวข้องในเวลาเดียวกัน

กุญแจสำคัญที่ควบคุมฟีโนไทด์ คือ *ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (transcription factor) ดังนั้นการควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมให้เป็นไปตามที่ต้องการ จึงต้องควบคุมที่ *ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (transcription factor) ของเซลล์

ศาสตราจารย์. จีกอรี สตีเฟนโนโพลัส (Gregory Stephanopoulos) กล่าวว่า *ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (transcription factor) ควบคุมการสร้างยีนแต่ละชนิด (transcription) ขึ้นมา ดังนั้นพฤติกรรมต่าง ๆ ของเซลล์ จึงเกิดจากการทำงานของ *ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (transcription factor) นั่นเอง

เจอร์รัล ฟิง (Gerald Fink) ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยา นักวิจัยของ MIT อธิบายว่า *transcription factors เปรียบเสมือนตัวควบคุม (central processor) ของคอมพิวเตอร์ ซึ่งจะมีการทำงานร่วมกันกับซอฟท์แวร์ (software applications) ซึ่งก็คือยีน (genes) มากกว่าที่ยีนจะมีการทำงานเดี่ยว ๆ โดยปราศจาก *ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (transcription factor)

ในกรณีนี้ นักวิจัยได้สนใจ *ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (transcription factor) 2 ชนิดที่แตกต่างกัน

เรารู้จัก* transcription factors ทั้งสองชนิดได้ดีในชื่อ TATA-binding protein (ดูภาพประกอบ และ ความหมาย ได้ที่ http://www.answers.com/topic/tata-binding-protein และ http://it.wikipedia.org/wiki/Tata_Binding_Protein) เมื่อโปรตีนชนิดนี้เข้าจับที่ตำแหน่งเฉพาะ 3 ตำแหน่งบริเวณ *โปรโมเตอร์ (promoter) จะทำให้เกิดการแสดงออกของยีนแบบ over-expression อย่างน้อย 12 ยีน โดยยีนทั้งหมดมีความจำเป็นต่อผลิต และการต้านทานต่อพิษของเอทานอลของยีสต์ ดังนั้นยีสต์สายพันธุ์ที่ปรับปรุงแล้วนั้น จึงสามารถมีชีวิตอยู่ได้ภายใต้สภาวะที่มีความเข้มข้นของเอทานอลสูง

ออล์ เอเปอร์ (Hal Alper) นักศึกษาหลังปริญญาเอก กล่าวว่า เนื่องจากมียีนมากมายที่เกี่ยวข้องกับการผลิต และความทนทานต่อเอทานอล ดังนั้นการจะทำให้เกิดการการแสดงออกของยีนที่มากเกินไป (over-expression) ในยีนแต่ละชนิดจึงเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้เลย นอกจากนี้ ศาสตราจารย์ จีกอรี สตีเฟนโนโพลัส ยังเสริมด้วยว่า การจะจำแนกยีนแต่ละชนิดที่เกี่ยวข้องกับงานนี้ ก็เป็นเรื่องที่ยากมากด้วย

ยีสต์สายพันธุ์ที่ทนทานต่อเอทานอลปริมาณสูง (high-ethanol-tolerance yeast) ถูกปรับปรุงพันธุ์ให้สามารถทำการหมักให้เร็วยิ่งขึ้นด้วย โดยยีสต์สายพันธุ์ใหม่นี้สามารถผลิตเอทานอลได้มากกว่ายีสต์ปกติ 50% จากการหมัก 21 ชั่วโมงเท่ากัน

ในอนาคตข้างหน้าคาดว่าจะทำการปรับปรุงพันธุกรรมยีสต์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเอทานอล เพื่อปรับปรุงให้ได้ยีสต์ที่สามารถทำงานได้หลาย ๆ อย่าง (multi-step process) ในกระบวนการหมัก เพราะในปัจจุบัน ต้องมีการย่อยแป้งข้าวโพด หรือโพลิเมอร์ของกลูโคส ให้เป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว หรือกลูโคสก่อน จึงจะสามารถนำไปหมักด้วยยีสต์ เพื่อให้เกิดการสร้างเอทานอล และคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้น จึงต้องการปรับปรุงพันธุ์ยีสต์ให้สามารถทำงานทั้งย่อย และหมักได้พร้อมกัน

กระทรวงพลังงานของอเมริการายงานว่า ปีที่แล้วอเมริกามีการผลิตเอทานอล 4 พันล้านแกลลอนจาก 1.43 พันล้าน ของข้าวโพด (ทั้งจากเมล็ด ลำต้น ใบ ฝัก และเปลือกข้าวโพด) และมีการใช้แก๊สโซลีนทั้งสิ้นประมาณ 140 พันล้านแกลลอน

อ้างอิง http://www.sciencedaily.com/releases/2006/12/061207161153.htm


เพิ่มเติม

*ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (Transcription factors) เป็นโมเลกุลที่มีคุณสมบัติพิเศษคือสามารถจับเส้นดีเอ็นเอ (DNA) ที่มีรหัสจำเพาะได้ ซึ่งทำให้สามารถควบคุมการทำงานของยีนอื่น ๆ โดยการจับตัวของ transcription บางอย่างกับ ดีเอ็นเอ (DNA) ในบางตำแหน่งใกล้ยีนหนึ่งจะทำให้ยีนนั้นเริ่มการผลิตโปรตีน ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (Transcription factor) บางชนิดเมื่อได้รับสัญญาณจาก growth factor (http://en.wikipedia.org/wiki/Growth_factor) ผ่าน signal transduction molecules (http://en.wikipedia.org/wiki/Signal_transduction) แล้วจึงจะเข้าไปในนิวเคลียสและทำให้ยีนกลุ่มหนึ่งเริ่มผลิตโปรตีนเพื่อให้พร้อมสำหรับการแบ่งตัว แต่ ทรานสคริปชันแฟคเตอร์ (transcription factor) บางชนิดทำงานเป็นลูกโซ่ โปรตีนเหล่านี้ทำหน้าที่สำคัญในการแบ่งตัวของเซลล์ เป็นต้น (http://w3.chula.ac.th/college/ahs/Leukemia_2006/chap_24.htm)

*โปรโมเตอร์ (promoter) ซึ่งเป็นตำแหน่งที่จะให้เอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรสมาจับเพื่อที่จะเริ่มต้นสังเคราะห์อาร์เอ็นเอ (http://en.wikipedia.org/wiki/Promoter)