แบคทีเรียทนรังสี

Deinococcus radiodurans

คุณทราบไหมว่าหากมนุษย์เราได้รับรังสีทั่วร่างกายเพียง 5 เกรย์ก็อาจเป็นอันตรายถึงแก่ชีวิตได้ แต่แบคทีเรียในวงศ์ Deinococcaceae สามารถทนรังสีได้ถึงในช่วง 104 เกรย์ เจ้าแบคทีเรียตัวเก่งนี้ทำเช่นนั้นได้อย่างไร

Deinococcaceae ประกอบด้วยแบคทีเรียสองสกุลคือ Deinococcus และ Deinobacter ทั้งสองสกุลต่างกันตรงที่ Deinococcus เป็นแบคทีเรียแกรมบวก แต่Deinobacter เป็นแบคทีเรียแกรมลบ Deinococcus radiodurans เป็นสปีชีส์ที่เป็นรู้จักมากที่สุดของตระกูลนี้ มันได้รับการบันทึกใน "The Guiness Book of World Records" ว่าเป็นแบคทีเรียที่ทนทายาทมากที่สุดในโลก เพราะมันสามารถทนทานต่อสภาพแวดล้อมสุดโต่งต่าง ๆ ได้สารพัด อีกทั้งสามารถทนต่อรังสีเฉียบพลันได้ถึง 5,000 เกรย์อย่างไม่สะทกสะท้าน แม้ได้รับรังสีเฉียบพลันถึง 15,000 เกรย์ ร้อยละ 37 ของประชากรก็ยังสามารถแบ่งตัวและมีชีวิตอยู่ต่อไปได้ และมันยังสามารถมีชีวิตอยู่ได้อย่างสบายๆ ในสภาพแวดล้อมที่มีการปลดปล่อยรังสีตลอดเวลาในอัตรา 60 เกรย์ต่อชั่วโมง

D. radiodurans ถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1956 โดย Arthur W. Anderson จาก Oregon Agricultural Experiment Station เมือง Corvallis มลรัฐออริกอน ประเทศสหรัฐอเมริกา เขาทำการทดลองเกี่ยวกับเนื้อสัตว์ฉายรังสี และพบว่าหลังจากฉายรังสีในปริมาณสูงถึง 10,000 เกรย์ ซึ่งสามารถฆ่าเซลล์สิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่เขารู้จัก เนื้อสัตว์ที่ได้รับรังสีก็ยังเกิดการเน่าเสีย เขาจึงแยกและเพาะเลี้ยงแบคทีเรียที่ก่อให้เกิดการเน่าเสียนั้น แบคทีเรียนี้ได้รับการขนานนามในภายหลังว่า Deinococcus radiodurans แปลตามศัพท์ว่า “ผลไม้ประหลาดซึ่งทนต่อรังสี”

ปัจจัยสำคัญที่ทำให้เซลล์โดยทั่วไปอ่อนแอต่อรังสีคือ อันตรายจากรังสีที่มีต่อดีเอ็นเอซึ่งเป็นสารพันธุกรรม และโปรตีนซึ่งเป็นโครงสร้างและเป็นเครื่องจักรอันสำคัญของเซลล์ D. radiodurans มีกลไกที่จะปกป้องทั้งดีเอ็นเอและโปรตีนของตน เซลล์ของแบคทีเรียชนิดนี้ประกอบด้วยโครโมโซมมากถึง 4 ชุด หากดีเอ็นเอในโครโมโซมชุดหนึ่งชุดใดเกิดความเสียหาย ดีเอ็นเอในโครโมโซมชุดอื่นก็ยังสามารถทำงานต่อไปได้ และ D. radiodurans ยังสามารถซ่อมแซมการแตกหักของดีเอ็นเอโดยเฉพาะ double-strand break ได้อย่างรวดเร็ว (ภายใน 12-24 ชั่วโมง) เริ่มด้วยการเชื่อมต่อชิ้นส่วนดีเอ็นเอผ่านกระบวนการ single-strand annealing ตามด้วยการถ่ายแบบข้อมูลพันธุกรรมจากโครโมโซมที่ไม่ถูกทำลายด้วยกระบวนการ homologous recombination อีกทั้งโครโมโซมของมันที่มีอยู่ทั้งสี่ชุดยังจัดเรียงซ้อนกันอย่างแน่นหนาในลักษณะที่เอื้อต่อการเกิด homologous recombination ด้วย

นอกจากรังสีจะก่ออันตรายต่อชีวโมเลกุลโดยตรง รังสีชนิดก่อไอออนยังก่อให้เกิดอนุมูลอิสระขึ้นภายในเซลล์ โดยเฉพาะอนุมูลอิสระไฮดรอกซิล (hydroxyl radicals) และซูเปอร์ออกไซด์ (superoxide) อนุมูลอิสระนี้ว่องไวต่อปฏิกิริยามากและเป็นอันตรายต่อดีเอ็นเอและโปรตีนของเซลล์ D. radiodurans มีเม็ดสีชนิดแคโรทีนอยด์ซึ่งทำให้มันมีสีแดงและช่วยปกป้องมันจากอนุมูลอิสระ นอกจากนี้มันยังมีเอนไซม์ที่สามารถป้องกันอันตรายจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน เช่น superoxide dismutase และ catalase โดยพบว่า catalase ของ D. radiodurans มีประสิทธิภาพมากกว่า catalase ของแบคทีเรียชนิดอื่น ๆ และยังพบว่า D. radiodurans มีสัดส่วนของแมงกานีสต่อเหล็ก (Mn(II) : Fe) สูง และพบความสัมพันธ์ในเชิงบวกระหว่างปริมาณของ Mn(II) ในเซลล์กับความทนต่อรังสี Mn(II) เป็น cofactor ที่สำคัญสำหรับการทำงานของเอนไซม์ superoxide dismutase แต่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า Mn(II) มีบทบาทอย่างยิ่งในการปกป้องโปรตีนจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน มากกว่าการเป็นเพียง cofactor ซึ่งไม่สามารถอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของ Mn(II) กับความทนทานต่อรังสีได้ทั้งหมด

ความทนต่อรังสีและสภาพแวดล้อมสุดโต่ง ทำให้ D. radiodurans กลายเป็น “superbug” ที่นักวิทยาศาสตร์นำมาดัดแปลงด้วยเทคนิคพันธุวิศวกรรม เพื่อใช้ในการทำความสะอาดน้ำทิ้ง ซึ่งปนเปื้อนด้วยโลหะหนักและสารกัมมันตรังสี ตัวอย่างเช่น ยีน bacterial mercuric reductase จาก Escherichia coli (แบคทีเรียที่พบในลำไส้มนุษย์ซึ่งมักเป็นที่รู้จักในนาม E. coli) ถูกตัดต่อใส่เข้าไปใน D. radiodurans เพื่อใช้กำจัดปรอทในน้ำทิ้ง ซึ่งปนเปื้อนสารกัมมันตรังสีจากโรงงานผลิตอาวุธนิวเคลียร์ และยีน tod และ xyl จาก Psuedomonas putida (แบคทีเรียชนิดหนึ่งซึ่งอ่อนแอต่อรังสี) ถูกใส่เข้าไปใน D. radiodurans เพื่อใช้กำจัด toluene ในน้ำทิ้งซึ่งปนเปื้อนสารกัมมันตรังสีเช่นกัน

เอกสารอ้างอิง

1. Battista et al., Science 302, 567 (2003).
2. Brim et al., Microbiology 152, 2469 (2006).
3. Daly, http://www.usuhs.mil/pat/deinococcus/index_20.htm
4. Daly et al., Science 306, 1025 (2004).
5. Levin-Zaidman et al., Science 299, 254 (2003).
6. Lottman, http://web.umr.edu/~microbio/BIO221_2000/Deinococcus_radiodurans.html
7. Minsky et al., Science 302, 568 (2003).
8. Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Deinococcus_radiodurans