พบแบคทีเรียประหลาด หายใจด้วยไฟฟ้าแทนออกซิเจน แต่อาจมีประโยชน์ด้านพลังงาน

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบกลยุทธ์การเอาตัวรอดของแบคทีเรียที่น่าประหลาดใจ ซึ่งมีศักยภาพที่จะเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีชีวภาพและระบบพลังงาน โดยทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ค้นพบกลไกของแบคทีเรียบางชนิด ที่หายใจโดยการสร้างกระแสไฟฟ้า คือ แทนที่จะหายใจเอาออกซิเจนเข้าไป แต่กลับผลักอิเล็กตรอนเข้าไปในสภาพแวดล้อมรอบ ๆ เพื่อสร้างพลังงาน 

การหายใจด้วยไฟฟ้าคืออะไร ?

สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ในปัจจุบันอาศัยออกซิเจนในการเผาผลาญอาหารและปลดปล่อยพลังงาน โดยออกซิเจนทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย ในปฏิกิริยาที่ผลิตพลังงาน แต่แบคทีเรีย ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่เก่าแก่กว่ามนุษย์ สัตว์ และพืชอย่างมาก ได้วิวัฒนาการด้านการหายใจวิธีอื่นในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนน้อยหรือไม่มีออกซิเจน เช่น ใต้ทะลึก หรือแม้กระทั่งในลำไส้ของมนุษย์

นักวิจัยพบว่าแบคทีเรียบางชนิดใช้สารประกอบที่พบได้ตามธรรมชาติที่เรียกว่า แนฟโทควิโนน (Naphthoquinones) ในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังพื้นผิวภายนอก กระบวนการนี้เรียกว่าการหายใจนอกเซลล์ (Extracellular Respiration)

โดยปกติแล้ว เซลล์จะปล่อยพลังงานโดยการส่งอิเล็กตรอนไปสู่ออกซิเจนภายในเซลล์ เพื่อปล่อยพลังงาน แต่แบคทีเรียที่เกิดกระบวนการหายใจนอกเซลล์นี้ จะส่งอิเล็กตรอนออกนอกเซลล์ ไปยังพื้นผิวภายนอกที่นำไฟฟ้าได้ เช่นแผ่นโลหะหรือแร่ธาตุบางชนิด ซึ่งช่วยให้แบคทีเรียปลดปล่อยพลังงานจากอาหารได้ แม้ว่าจะไม่มีออกซิเจนก็ตาม กระบวนการดังกล่าวนี้คล้ายกับการทำงานของแบตเตอรี่ ที่อิเล็กตรอนจะเคลื่อนย้ายจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้าน ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

การค้นพบครั้งนี้นับว่าเป็นเปิดเผยกลไกการปรับตัวของธรรมชาติ และนักวิจัยคาดการณ์ว่า ในธรรมชาติอาจเกิดกลไกนี้มากกว่าที่เคยคิด

บีกิ บาปิ คุนดู (Biki Bapi Kundu) นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยไรซ์ และผู้เขียนคนแรกของงานวิจัยนี้กล่าวว่า “แนฟโทควิโนน (Naphthoquinones) ทำหน้าที่เหมือนตัวส่งสารระดับโมเลกุล โดยนำอิเล็กตรอนออกจากเซลล์ เพื่อให้แบคทีเรียสามารถย่อยอาหารและสร้างพลังงานได้”

แคโรไลน์ อาโจ-แฟรงคลิน (Caroline Ajo-Franklin) ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยา ผู้อำนวยการสถาบันชีววิทยาสังเคราะห์ไรซ์ (Rice Synthetic Biology) และนักวิชาการของสถาบันวิจัยและป้องกันโรคมะเร็งแห่งเท็กซัส (CPRIT) หนึ่งในทีมวิจัย กล่าวว่า “การวิจัยของเราไม่เพียงแต่จะไขความลึกลับทางวิทยาศาสตร์ที่มีอยู่มายาวนานเท่านั้น แต่ยังชี้ให้เห็นว่า กลยุทธ์การเอาตัวรอดแบบนี้ อาจมีอยู่อีก ในสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ในธรรมชาติ”

จำลองสิ่งมีชีวิตโดยปราศจากอากาศ

ทีมนักวิจัยได้ร่วมมือกับห้องปฏิบัติการพาลสัน (Palsson) ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ประเทศสหรัฐอเมริกาเพื่อทำแบบจำลองยืนยันผลการค้นพบ โดยใช้คอมพิวเตอร์ขั้นสูงสร้างแบบจำลองการเติบโตของแบคทีเรียในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีออกซิเจน แต่มีพื้นผิวนำไฟฟ้าอยู่จำนวนมาก ซึ่งผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าแบคทีเรียสามารถดำรงอยู่ได้โดยการคายประจุอิเล็กตรอนจากสู่ภายนอก 

นอกจากนี้ยังมีการทดลองจริงเพิ่มเติม โดยวางแบคทีเรียบนวัสดุที่นำไฟฟ้า ให้ผลลัพธ์ว่าแบคทีเรียสามารถสร้างไฟฟ้าและเจริญเติบโตได้เนื่องจากพวกมันหายใจผ่านพื้นผิว

การศึกษานี้ ช่วยทำให้มนุษย์เราเข้าใจถึงความหลากหลายของกระบวนการเผาผลาญของแบคทีเรียได้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น และยังได้วิธีการในการติดตามพฤติกรรมของแบคทีเรียแบบเรียลไทม์อีกด้วย

การประยุกต์ใช้ด้านเทคโนโลยีสะอาดและอื่น ๆ

การค้นพบนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในวงกว้าง อย่างด้านเทคโนโลยีชีวภาพ เช่น การบำบัดน้ำเสีย หรือการผลิตทางชีวภาพ หากอิเล็กตรอนในระบบมีความไม่สมดุล ก็จะทำให้ประสิทธิภาพน้อยลง การใช้แบคทีเรียที่หายใจด้วยไฟฟ้า จะสามารถสร้างความสมดุลให้อิเล็กตรอน และทำให้ระบบทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

นอกจากนี้เทคโนโลยีนี้ยังอาจทำให้เซ็นเซอร์ชีวอิเล็กทรอนิกส์ทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่ขาดออกซิเจน ซึ่งจะเปิดโอกาสในการสร้างเครื่องมือใหม่ ๆ เช่นเครื่องมือทางการแพทย์ การติดตามมลพิษ หรือการสำรวจอวกาศลึกได้อีกด้วย

อาโจ-แฟรงคลิน กล่าวเพิ่มเติมว่า “งานของเราเปิดประตูสู่การสร้างเทคโนโลยีที่ชาญฉลาดและยั่งยืนมากขึ้นโดยมีชีววิทยาเป็นแกนหลัก”

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Cell ฉบับวันที่ 10 เมษายน 2025