เรื่องโดย รวิศ ทัศคร
วิวัฒนาการไม่ใช่เพียงเรื่องราวของซากฟอสซิลหรือการเปลี่ยนแปลงของสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ในหมู่เกาะที่ห่างไกลเท่านั้น แต่ยังเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นอย่างเข้มข้นในถังหมักสเตนเลสและท่อส่งของโรงงานอุตสาหกรรมอาหารสมัยใหม่ ประโยคที่ว่า “ดาร์วินไม่เคยเห็นโรงงานโยเกิร์ต แต่เขาอธิบายมันได้” สะท้อนถึงความจริงพื้นฐานที่ว่า กฎของการคัดเลือกโดยธรรมชาติ (natural selection) และการปรับตัว (adaptation) ของชาลส์ ดาร์วิน นั้นมีความเป็นสากลและนำมาใช้อธิบายพฤติกรรมของจุลินทรีย์ในสภาพแวดล้อมที่ได้รับการออกแบบขึ้นมาได้อย่างแม่นยำ
เราอาจพูดได้ว่า “โยเกิร์ตหนึ่งถ้วยคือผลลัพธ์ของวิวัฒนาการหลายพันรุ่น” เป็นการย้ำเตือนว่า แบคทีเรียที่เราใช้ผลิตอาหารนั้นไม่ใช่สิ่งมีชีวิตดั้งเดิมจากธรรมชาติ แต่เป็นผลผลิตจากการคัดเลือกโดยน้ำมือมนุษย์มานานนับพันปี จากสายพันธุ์ที่พบในธรรมชาติโดยทั่วไป จนเกิดการกลาย (mutation) เป็นสายพันธุ์ที่อยู่กับมนุษย์ เปรียบได้เช่นเดียวกับที่สุนัขเลี้ยงในปัจจุบันมีลักษณะและพฤติกรรมแตกต่างจากบรรพบุรุษที่เป็นสุนัขป่า
จุดเริ่มต้นของโยเกิร์ตต้องย้อนกลับไปในช่วงยุคหินใหม่ เมื่อมนุษย์เริ่มเปลี่ยนวิถีชีวิตจากการล่าสัตว์มาเป็นการทำเกษตรกรรมและเลี้ยงสัตว์ การขยายตัวของแหล่งอาหารนี้นำไปสู่การค้นพบวิธีการถนอมอาหารผ่านกระบวนการหมักโดยบังเอิญ เมื่อนมถูกเก็บไว้ในภาชนะที่ทำจากกระเพาะสัตว์หรือถุงหนังสัตว์ แบคทีเรียผลิตกรดแลกติก (lactic acid bacteria: LAB) ที่มีอยู่ตามธรรมชาติจะเริ่มเปลี่ยนน้ำตาลแล็กโทสในนมให้กลายเป็นกรดแลกติก กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่ช่วยยืดอายุการเก็บรักษาแต่ยังสร้างรสชาติและเนื้อสัมผัสที่เป็นเอกลักษณ์
มนุษย์เราเริ่มต้นคัดเลือกหัวเชื้อนมหมักขึ้นจากการทำ “back-slopping” หรือการนำเชื้อจากการหมักครั้งก่อนที่ประสบความสำเร็จมาเติมในนมสดครั้งถัดไป วิธีง่าย ๆ แบบนี้ที่จริงแล้วคือการคัดเลือกสายพันธุ์ที่มีความเหมาะสมสูงสุดที่จะโตในสภาพแวดล้อมของนม จุลินทรีย์ที่เจริญเติบโตได้เร็วที่สุด สร้างกรดได้ดีที่สุด และทนทานต่อสภาวะความเป็นกรดได้มากที่สุดจะเป็นจุลินทรีย์ที่ส่งต่อพันธุกรรมไปยังรุ่นถัดไป กระบวนการนี้ดำเนินต่อเนื่องมาหลายพันรุ่นจนทำให้เกิดสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า ลักษณะเฉพาะของการทำให้เชื่อง (hallmarks of domestication)
การลดขนาดจีโนมหรือ “วิวัฒนาการแบบลดทอน” (reductive evolution) เป็นหลักฐานที่ชัดเจนที่สุดของทฤษฎีดาร์วินในจุลินทรีย์อาหาร เมื่อแบคทีเรียที่ผลิตกรดแล็กติกอาศัยอยู่ในนมซึ่งเป็นอาหารที่มีสารอาหารครบถ้วน ยีนที่ใช้ในการสังเคราะห์กรดอะมิโนหรือวิตามินที่หาได้ง่ายในนมจะกลายเป็นภาระทางพลังงาน การคัดเลือกโดยธรรมชาติจึงกำจัดยีนเหล่านี้ออกไป ทำให้แบคทีเรียผลิตกรดแล็กติกในปัจจุบันมีจีโนมที่กะทัดรัดและเชี่ยวชาญเฉพาะทางอย่างยิ่ง
วิศวกรรมอาหารและแรงคัดเลือกในท่อส่ง
ในโรงงานผลิตโยเกิร์ตสมัยใหม่ แบคทีเรียไม่ได้ลอยตัวนิ่ง ๆ อยู่ในถังหมัก แต่ต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมทางกายภาพที่รุนแรง โดยเฉพาะเมื่อต้องถูกปั๊มผ่านท่อส่งน้ำนมและชุดแลกเปลี่ยนความร้อน นี่คือจุดที่วิศวกรรมอาหารบรรจบกับวิวัฒนาการ สภาวะที่เรียกว่า “แรงเฉือนของไหล” (hydrodynamic shear stress) กลายเป็นแรงกดดันในการคัดเลือกที่สำคัญ คนในยุคดาร์วินอาจนึกไม่ถึงท่อสเตนเลส แต่ถ้าเขาข้ามเวลามาโลกปัจจุบันคงสามารถอธิบายได้ว่าจุลินทรีย์จะปรับตัวอย่างไรเพื่อให้อยู่รอดในสภาพการไหลอย่างปั่นป่วนในท่อ
แรงเฉือน (t) ในท่อส่งเกิดจากความแตกต่างของความเร็วของของไหลที่อยู่ใกล้ผนังท่อกับที่อยู่กึ่งกลางท่อ ในทางวิศวกรรม แรงเฉือนที่ผนังท่อ (tW) สำหรับของไหลที่มีความหนืดแบบนิวโตเนียนในสภาวะการไหลแบบราบเรียบ (laminar flow)
ในการออกแบบโรงงาน วิศวกรต้องคำนึงถึงความสมดุลระหว่างการเพิ่มอัตราการไหลเพื่อประสิทธิภาพในการผลิตกับการรักษาความอยู่รอดของจุลินทรีย์ การศึกษาพบว่าแรงเฉือนที่เกินขีดจำกัดจะทำลายโครงสร้างของแบคทีเรียและส่งผลต่อความสามารถในการสร้างกรดของแบคทีเรียผลิตกรดแล็กติกซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของการทำโยเกิร์ต
การรับรู้แรงกล (mechanosensing) และเซนเซอร์ระดับโมเลกุลของแบคทีเรีย
แบคทีเรียมีวิวัฒนาการในการรับรู้แรงกลผ่านช่องโปรตีนที่ไวต่อแรงดัน (mechanosensitive channels) เช่น MscL (large conductance) และ MscS (small conductance) ช่องโปรตีนเหล่านี้ทำหน้าที่เหมือนวาล์วระบายแรงดัน เมื่อแรงเฉือนหรือแรงดันออสโมติกทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ยืดตัวออก ช่องโปรตีนจะเปลี่ยนโครงสร้างและเปิดออก แล้วระบายสารละลายภายในเซลล์ออกมาเพื่อป้องกันไม่ให้เซลล์ระเบิด
การตอบสนองต่อแรงกลนี้ไม่ได้เป็นเพียงการป้องกันในระยะสั้น แต่ยังส่งสัญญาณไปยังเครือข่ายควบคุมยีน เช่น ระบบ NlpE-Cpx ใน E. coli ซึ่งจะกระตุ้นการซ่อมแซมผนังเซลล์และการสร้างสารปกป้องเซลล์ ในบริบทของโรงงานโยเกิร์ต แบคทีเรียที่ตอบสนองต่อแรงเฉือนในท่อส่งได้อย่างรวดเร็วจะมีความเหมาะสมที่สูงกว่าและกลายเป็นสายพันธุ์หลักในระบบการผลิต แบคทีเรียผลิตกรดแล็กติกมีการพัฒนากลไกการปรับปรุงโครงสร้างผนังเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์อย่างซับซ้อนเพื่อให้ทนทานต่อแรงเฉือนในอุตสาหกรรม สิ่งนี้เป็นผลลัพธ์ของวิวัฒนาการที่ได้รับการคัดเลือกมาเพื่อความคงทน
ผนังเซลล์ของแบคทีเรียแกรมบวก เช่น LAB ประกอบด้วยชั้นเพปทิโดไกลแคน (peptidoglycan) ที่หนา ทำหน้าที่เป็นโครงร่างพยุงเซลล์ ในสภาวะที่มีแรงเฉือนสูงแบคทีเรียสามารถปรับเปลี่ยนองค์ประกอบของเพปทิโดไกลแคนได้ เช่น การเพิ่มความหนาของชั้นผนังเซลล์ การเปลี่ยนระดับการเชื่อมขวาง (cross-linking) ของสายเพปไทด์ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกล
นักวิจัยพบว่าแบคทีเรียบางชนิดแสดงพฤติกรรม “finger-trap mechanics” คือ เมื่อเซลล์ถูกดึงในแนวขวาง ผนังเซลล์จะมีการจัดเรียงตัวใหม่เพื่อเพิ่มความแข็งแรงในทิศทางนั้น การปรับตัวนี้ช่วยให้แบคทีเรียผลิตกรดแล็กติกคงรูปทรงและปกป้องสารพันธุกรรมภายในได้แม้จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงในท่อส่ง นอกจากนี้การปรับเปลี่ยนโครงสร้างไขมันในเยื่อหุ้มเซลล์โดยการเพิ่มสัดส่วนของกรดไขมันไม่อิ่มตัว (unsaturated fatty acids) จะช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและการไหลตัวของเยื่อหุ้มเซลล์ ทำให้ทนต่อแรงที่ทำให้เซลล์บิดเบี้ยวได้ดีขึ้น
เกราะกำบังระดับโมเลกุลที่มีชื่อว่า เอ็กโซพอลิแซ็กคาไรด์ (EPS)
การผลิตเอ็กโซพอลิแซ็กคาไรด์ (exopolysaccharide: EPS) ถือเป็นหนึ่งในกลไกการปรับตัวที่สำคัญที่สุดของแบคทีเรียผลิตกรดแล็กติกต่อแรงเฉือน โดยสาร EPS นี้ คือพอลิเมอร์ของน้ำตาลที่แบคทีเรียสร้างขึ้นและส่งออกมานอกเซลล์ เพื่อสร้างชั้นเมือกปกคลุมผนังเซลล์ ในเชิงอุตสาหกรรม EPS มีบทบาทสำคัญเพราะมันช่วยเพิ่มความหนืดและลดการแยกตัวของน้ำ (syneresis) ในโยเกิร์ต แต่ถ้าเรามองผ่านแว่นส่องของดาร์วิน EPS ก็คือ เกราะป้องกันที่ช่วยลดผลกระทบทางกายภาพจากกระแสการไหลของโยเกิร์ตในท่อนั่นเอง
แบคทีเรีย Leuconostoc mesenteroides
ที่มาภาพ : Ajay Kumar Chaurasiya – Own work, CC0 via Wikimedia Commons
การเร่งความเร็วการวิวัฒนาการด้วยเทคโนโลยีชีวภาพ
ในอดีตวิวัฒนาการของจุลินทรีย์ในโยเกิร์ตเกิดขึ้นอย่างช้า ๆ ผ่านการคัดเลือกตามธรรมชาติและการทำ back-slopping แต่ในปัจจุบันเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ช่วยให้เราเร่งและกำกับทิศทางของวิวัฒนาการได้ตามความต้องการของอุตสาหกรรม ปัจจุบันมีเทคนิคที่เลียนแบบการคัดเลือกโดยธรรมชาติของดาร์วิน แต่ทำภายใต้สภาวะที่ควบคุมอย่างเข้มงวดในห้องปฏิบัติการที่เรียกว่า ALE ซึ่งแทนที่จะใช้การตัดต่อยีน นักวิทยาศาสตร์จะให้แบคทีเรียเผชิญกับแรงกดดันในการคัดเลือก เช่น อุณหภูมิที่สูงขึ้น ความเป็นกรดที่รุนแรง หรือแรงเฉือนที่เพิ่มขึ้นทีละน้อย เป็นเวลาหลายร้อยหรือหลายพันรุ่น แบคทีเรียที่รอดชีวิตและเติบโตได้ดีที่สุดจะถูกเลือกมาเป็นสายพันธุ์หลัก
ข้อดีของ ALE คือ สายพันธุ์ที่ได้ไม่ถือว่าเป็นสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม (GMOs) เนื่องจากเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากการกลายพันธุ์ตามธรรมชาติ ทำให้ได้รับการยอมรับจากผู้บริโภคมากกว่า อย่างไรก็ตาม ALE ยังมีข้อจำกัดเรื่องระยะเวลาที่ยาวนานและความไม่แน่นอนของผลลัพธ์
หาก ALE คือการรอคอย การคัดเลือก CRISPR-Cas9 (คริสเปอร์-แคสไนน์) ก็คือการเขียนพิมพ์เขียวพันธุกรรมใหม่ด้วยความแม่นยำ เทคโนโลยีนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์แก้ไขจีโนมของแบคทีเรียผลิตกรดแล็กติกเพื่อเพิ่มคุณสมบัติที่ต้องการได้โดยตรง เช่น การเพิ่มการผลิตกรดโดยการปรับแต่งเอนไซม์ในวิถีไกลโคไลซิส การเสริมความทนทานต่อความร้อนเพื่อให้แบคทีเรียรอดชีวิตจากการพาสเจอร์ไรซ์บางส่วน การสร้างสารอาหารเสริม เช่น การทำให้แบคทีเรียผลิตกรดแล็กติกสามารถผลิตวิตามินบี 12 หรือโฟเลตได้มากขึ้น
ในการผลิตโยเกิร์ต มีการนำ CRISPR มาใช้เพื่อปรับปรุงสายพันธุ์ให้มีความเสถียรต่อแรงเฉือน โดยการแก้ไขยีนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ผนังเซลล์และการสร้าง EPS แม้ว่าปัจจุบันการใช้จุลินทรีย์ที่ดัดแปลงด้วย CRISPR ในอาหารถูกควบคุมอย่างเข้มงวดในบางประเทศ (เช่น สหภาพยุโรป) แต่องค์การอาหารและยาของสหรัฐอเมริกา (FDA) เริ่มเปิดกว้างมากขึ้นสำหรับผลิตภัณฑ์ที่เน้นความปลอดภัยของผลลัพธ์สุดท้ายมากกว่ากระบวนการผลิต
การหมักในบริบทของวิวัฒนาการและวิศวกรรม
กระบวนการหมักโยเกิร์ตคือการแสดงออกทางฟีโนไทป์ของยีนที่ผ่านการคัดเลือกมาอย่างยาวนาน เมื่อเติมแบคทีเรียผลิตกรดแล็กติลงในน้ำนม พวกมันจะเข้าสู่สภาวะการแข่งขันที่ดุเดือด แบคทีเรียรุ่นแรก ๆ จะเริ่มปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมใหม่ (lag phase) ก่อนจะเข้าสู่การแบ่งตัวแบบทวีคูณ (exponential phase)
ในขั้นตอนนี้วิศวกรอาหารต้องจัดการกับความท้าทายเรื่องการถ่ายเทมวล (mass transfer) หากการกวนในถังหมักไม่เพียงพอ สารอาหารจะไม่ทั่วถึงและเกิดการสะสมของกรดในบางจุด แต่ถ้ากวนแรงเกินไป แรงเฉือนจะทำลายกลุ่มก้อนจุลินทรีย์ (bioflocs) และโครงสร้างโปรตีนในนม การปรับสมดุลนี้ต้องอาศัยความเข้าใจทั้งในด้านพลศาสตร์ของไหลและสรีรวิทยาของแบคทีเรีย
นอกจากนี้การอยู่ร่วมกันของแบคทีเรียหลายสายพันธุ์ เช่น Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus เป็นตัวอย่างของ “วิวัฒนาการร่วม” (co-evolution) ทั้งสองสายพันธุ์มีการแลกเปลี่ยนสารอาหารซึ่งกันและกัน (protocooperation) ทำให้กระบวนการหมักมีประสิทธิภาพสูงกว่าการใช้สายพันธุ์เดียว ความสัมพันธ์ที่เกื้อกูลกันนี้เป็นสิ่งที่ธรรมชาติคัดสรรมาเพื่อความอยู่รอดสูงสุดในระบบนิเวศของนม
โยเกิร์ตหนึ่งถ้วยที่เราบริโภคในวันนี้จึงไม่ได้เป็นเพียงแค่อาหารทั่วไปที่ทำออกมาได้ง่าย ๆ อย่างที่เราเข้าใจ แต่เป็นผลผลิตจากการปรับตัวที่น่าทึ่งของเชื้อที่ใช้ในการผลิต แบคทีเรียผลิตกรดแล็กติกได้เรียนรู้ที่จะเปลี่ยนแล็กโทสเป็นกรด สร้างเกราะ EPS เพื่อต้านทานแรงเฉือนในท่อส่ง และลดทอนจีโนมเพื่อความอยู่รอดในสภาวะที่มนุษย์เรากำหนดไว้ให้มัน
ในอนาคตวิศวกรรมอาหารและเทคโนโลยีชีวภาพจะทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้นเพื่อสร้าง “จุลินทรีย์ที่ออกแบบได้” (designer microbes) การใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่อทำนายผลลัพธ์ของ ALE และการใช้ CRISPR เพื่อสร้างสายพันธุ์ที่ทนทานต่อแรงเฉือนระดับสูง จะช่วยให้โรงงานโยเกิร์ตสามารถผลิตได้เร็วขึ้น มีคุณภาพดีขึ้นอยู่เสมอ
บทเรียนจากดาร์วินสอนเราว่าผู้ที่แข็งแกร่งที่สุดหรือฉลาดที่สุดไม่ได้เป็นผู้รอดชีวิต แต่เป็นผู้ที่ปรับตัวได้ดีที่สุดต่อการเปลี่ยนแปลงต่างหาก ในท่อสเตนเลสที่เย็นเยียบและเต็มไปด้วยแรงเฉือนมหาศาล ในโรงงานอาหารที่เต็มไปด้วยสภาพแวดล้อมสุดโหดสำหรับเชื้อ เจ้าแบคทีเรียกรดแลกติกตัวจิ๋วได้พิสูจน์แล้วว่าพวกมันคือเจ้าแห่งการปรับตัว
และโยเกิร์ตทุกหยดคือชัยชนะของวิวัฒนาการที่ไม่มีวันหยุดนิ่ง
แหล่งข้อมูล
- Bolotin, A., Quinquis, B., Renault, P., Sorokin, A., Ehrlich, S. D., Kulakauskas, S.,… & Maguin, E. (2004). Complete sequence and comparative genome analysis of the dairy bacterium Streptococcus thermophilus. Nature Biotechnology, 22(12), 1554–1558. https://doi.org/10.1038/nbt1034
- Xie, Z., McAuliffe, O., Jin, Y. S., & Miller, M. J. (2024). Genomic modifications of lactic acid bacteria and their applications in dairy fermentation. Journal of Dairy Science, 107(11), 8749–8764. https://doi.org/10.3168/jds.2024-24989
- Abarquero, D., Renes, E., Fresno, J. M., & Tornadijo, M. E. (2022). Study of exopolysaccharides from lactic acid bacteria and their industrial applications: a review. International Journal of Food Science & Technology, 57(1), 16–26. https://doi.org/10.1111/ijfs.15227
- Papadimitriou, K., Alegría, Á., Bron, P. A., De Angelis, M., Gobbetti, M., Kleerebezem, M., … & Kok, J. (2016). Stress physiology of lactic acid bacteria. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 80(3), 837-890.
About Author
