จากบรรณาธิการ - BIOTEC year 1 no2 sep 2554.pdfacid จะมีคว มขมม กว่ alpha-acid ถึง 9 เท่ จึงเทียบได้ว่

จาก...บรรณาธิการ

บัดนี้นิตยสารเปิด “สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ” รายกึ่งปี ได้ก้าวย่างเข้า

สู่ฉบับที่ 2 ปีที่ 1 แล้วอย่างน่าชื่นชมยิ่ง นับว่าเป็นนิมิตรหมายที่ดีต่อวงการ

เทคโนโลยีชีวภาพทั้งภาควิชาการของนักวิจัยไทยและภาคอุตสาหกรรมไทย ที่มีองค์

ความรู้เชิงสาระในทุกมิติทางด้านเทคโนโลยีชีวภาพของประเทศไทยของเราเองได้

ภายใต้การสนับสนุนและอุดหนุนของสมาคมเทคโนโลยีชีวภาพแห่งประเทศไทย

ตั้งแต่ปฐมฤกษ์ที่ผ่านมาตลอดจนการส่งเสริมของเหล่าสมาชิกของสมาคมฯที่จะช่วย

กันสร้างสรรค์และรังสรรค์นวัตกรรมงานวิจัยเชิงรูปธรรมเผยแพร่สู่ประชาชนคนไทย

โดยตรง โดยผ่านขั้นตอนกระบวนการแปรรูปเชิงภูมิปัญญาเป็นงานเขียนที่มีสารัตถะ

กะทัดรัดดังปรากฏในนิตยสารเปิดลักษณะนี้ และคาดว่าจะสามารถพัฒนาการ

ก้าวไปสู่สรรสาระแห่งประชาคมอาเซียนได้ในปี ค.ศ. 2015 ในพากย์ภาษาอังกฤษ

ผสมผสานกับหลากภาษาของประชาคมในภูมิภาคนี้ เพื่อธ�ารงรักษาเอกลักษณ์และ

อัตลักษณ์ของวัฒนธรรมและวิทยาศาสตร์จากภูมิภาคนี้ของโลกได้อย่างตระหนักรู้และ

โดดเด่นเป็นที่ประจักษ์

ทั้งนี้หมวดหมู่สาระและกลุ่มองค์ความรู้ได้จัดแยกแยะออกเป็น 6 กลุ่มด้วย

กันก็จริง ได้แก่ การเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตร วิศวกรรมเคมีชีวภาพและ

กระบวนการชีวภาพ การแพทย์คลินิกและเภสัชกรรม สิ่งแวดล้อมและพลังงาน

กฎหมายและการศึกษา และปกิณกะ หากความเหมาะสมเหล่านี้ย่อมปรับปรุงเทอม

วิชาการและแก้ไขภาษาได้อย่างยืดหยุ ่นไม่ถาวร เมื่อกาลเวลาและสารัตถะแห่ง

สหวิทยาการเปลี่ยนแปลงและผันแปรไป บริบทและความจริงของโลกย่อมก�าหนด

หลักเกณฑ์เพื่อแสวงหาภาวะเหมาะที่สุดได้ในที่สุด

ฉะนั้ นจึ ง ใคร ่ ขอการ เกื้ อกูลจากสมาชิกสมาคมเทคโนโลยีชี วภาพ

แห ่งประเทศไทยและนักวิชาการหรือนักวิจัยนอกและต ่างสมาคมทั้ งหลาย

อนุเคราะห์บทความเชิงสาระที่เกี่ยวข้องของท่านทั้งหลายได้ส�าแดงไว้ในนิตยสาร

เปิด “สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ” นี้ด้วย จะได้ช่วยกันสร้างต�านานนิตยสารเปิด

อเิลก็ทรอนกิส์ฉบบัแรกของไทยสูบ่รรณพภิพแห่งวชิาการอย่างยัง่ยนืน่าตืน่ตะลงึ

สาโรจน์ศิริศันสนียกุล

บรรณาธิการ

นิตยสารเปิด“สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ”

“สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ”

คณะที่ปรึกษา

รศ.ดร. เพ็ญจิตร ศรีนพคุณ นายกสมาคมฯและคณะกรรมการสมาคมเทคโนโลยีชี วภาพแห ่ งประเทศไทย

บรรณาธิการ

รศ.ดร.สาโรจน์ศิริศันสนียกุล

ผู้ช่วยบรรณาธิการ

รศ.ดร.วิรัตน์วาณิชย์ศรีรัตนา

รศ.ดร.ธงไชยศรีนพคุณ

ผศ.ดร.ประมุขภระกูลสุขสถิตย์

ดร.อุลัยวรรณ์อุสันสา

ดร.สุมัลลิกาโมรากุล

ดร.สุธีวังเตือย

กองบรรณาธิการ

ดวงพรลากะสงค์

มณชัยเดชสังกรานนท์

ศิวพรวรรณวิไล

มลนพรรษสงพิมพ์

ชนิกาชื่นแสงจันทร์

ลลิตาพลมณี

โยธกาปัชชา

ดารารัตน์มงคลการ

ศูนย ์วิจัย เทคโนโลยีการหมัก ภาควิชาเ ท ค โ น โ ล ยี ชี ว ภ าพ คณะอุ ต ส า ห ก ร ร ม เ กษต รม.เกษตรศาสตร์ ที่อยู ่ 50 ถนนงามวงศ์วาน จตุจักรกรุงเทพฯ10900

โทรศัพท์02-562-5074โทรสาร02-579-4096

อีเมล์[email protected]

นิตยสารเปิดอิเล็กทรอนิกส์(ฉบับภาษาไทย)

ภายใต้การสนับสนุน/ลิขสิทธิ์ของ

สมาคมเทคโนโลยีชีวภาพแห่งประเทศไทย

(ThaiSocietyforBiotechnology/www.biotech.or.th/tsb)

เนื้อหา/ข้อความของบทความเป็นความผิดชอบเฉพาะของผู ้แต ่ง/เขียน/เรียบเรียงสมาคมฯไม่จ�าเป็นต้องเห็นชอบ/รับผิดชอบที่เกี่ยวกับกฎหมาย(ถ้ามี)สมาคมเทคโนโลยีชีวภาพแห่งประเทศไทย

กระบวนการผลิตเบียร์ (2): ฮอพ

ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์

สไปรูลิน่ากับมหัศจรรย์ทางโภชนาการ

การเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตร

ปีที่ 1 ฉบับที่ 2 เดือนกันยายน พ.ศ. 2554

หน้า

1

2

3

สารบัญสรร

สาร

ะเทคโนโลยีชีวภ

าพ

โครงเลี้ยงเซลล์ย่อยสลายได้ 4

การแพทย์คลินิกและเภสัชกรรม

..............................................................................

....................................................................................

สิ่งแวดล้อมและพลังงาน

การปรับสภาพลิกโนเซลลูโลสเพื่อการผลิตเอทานอล

การผลิตไบโอดีเซลจากยีสต์ (1)

การย่อยสลายของพลาสติก

..........................................

กฎหมายและการศึกษา

ชีววิทยาสังเคราะห์: โมดูลชีวภาพต้นแบบ (1)


ชีววิทยาสังเคราะห์: การทำาวิศวกรรมเซลล์

ชีววิทยาสังเคราะห์: จีโนมสังเคราะห์

....................................................... 8

9

10

11

..............................................................................................

...................................................................

5

6

7...............................................................................

.....................................................................................

.......................................................

...........................................................

.....................................................................

ฮอพ เป็นวัตถุดิบที่สำ�คัญต่อคุณลักษณะด้�นกลิ่นรสของ

เบียร์ ดอกฮอพมีต่อมลูปูลินสีเหลืองอยู่ที่โคนของกลีบดอกที่เรียงตัว

รอบแกนดอก (ภ�พที่ 1) ซึ่งเป็นแหล่งของรสขมที่ม�จ�กองค์ประกอบ

ที่เรียกว่� เรซิน และกลิ่นหอมของน้ำ�มันฮอพ/hop oils ที่ละล�ยอยู่

ในน้ำ�เบียร์ นอกจ�กนี้ยังมีส�รประกอบฟีนอลที่นอกจ�กจะให้คว�ม

ฝ�ดเมื่อสัมผัสกับต่อมรับรสแล้ว ยังส่งผลในก�รต้�นอนุมูลอิสระ

และยับยั้งจุลินทรีย์ปนเปื้อนกลุ่มแบคทีเรียกรดแลกติก จึงมีส่วนช่วย

ในก�รยืดอ�ยุของเบียร์ ฮอพส์หรือดอกฮอพส์ได้จ�กเถ�ไม้เลื้อยที่

เรียกว่� Humulus lupulus ซึ่งปลูกม�กที่ประเทศเยอรมนี/อังกฤษ/

สหรัฐอเมริก�/นิวซีแลนด์/ส�ธ�รณรัฐเชค นอกจ�กนี้ยังพบที่ประเทศ

ญี่ปุ่น/จีน/กัมพูช�

สม�คมเทคโนโลยีชีวภ�พแห่งประเทศไทย (Thai Society for Biotechnology/www.biotech.or.th/tsb)

*ภ�ควิช�เทคโนโลยีชีวภ�พ คณะอุตส�หกรรมเกษตร ม.เกษตรศ�สตร์

เอกส�รอ้�งอิง Bamforth, C.W. 2006. Brewing: New Technology. CRC

Press, Washington, DC. P. 123-134. • Priest, F.G and Stewart G.G. 2006.

Handbook of Brewing. Taylor & Francis group, New York, p. 189. •

http://en.wikipedia.org/wiki/Humulus_lupulus

อุลัยวรรณ์ อุสันสา*

สรรส�ระเทคโนโลยีชีวภ�พ/เดือนกันย�ยน 2554 ก�รเกษตรและอุตส�หกรรมเกษตร

1

เรซิน ประกอบด้วย alpha-acid และ beta-acid ซึ่ง alpha-

acid จะมีคว�มขมม�กว่� alpha-acid ถึง 9 เท่� จึงเทียบได้ว่�คว�ม

ขมส่วนใหญ่ม�จ�กโมเลกุลของ alpha-acid และเมื่อเกิดปฏิกิริย�

ไอโซเมอไรเซชันในระหว่�งกระบวนก�รต้มฮอพ a lpha-ac id จะ

เปลี่ยนเป็น iso-alpha-acid ที่มีคว�มขมเพิ่มม�กยิ่งขึ้น จึงส�ม�รถ

แบ่งส�ยพันธุ์ฮอพต�มปริม�ณ alpha-acid ได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่ ดังนี้

ภ�พที่ 1 ดอกฮอพแสดงต่อมลูปูลินที่ม�: The hop atlas, 1994

• aroma hops (3-6% alpha-acid) ได้แก่ ส�ยพันธุ์

Mitten hood, Cascade, Willamette, US Fuggle, Tettnanger,

Hersbrucker, Mittelfruh, Tradition, Golding, Fuggle, Progress,

Pacific HallertauGold, New Zealand Hallertau Aroma

• bitter hops (9-16% alpha-acid) ได้แก่ ส�ยพันธุ์

Chinook, Nugget, Galena, Zeus, Northern Brewer, Taurus,

Merkur, Target, Admiral, Pilgrim, Green Bullet, Pacific Gem,

Southern Cross

• double purpose (6-10% alpha-acid) ได้แก่ ส�ยพันธุ์

Cluster, Perle, Brewers’ Gold, Challenger, Northdown, First

Gold, New Zealand Hallertau Aroma

นอกจ�กนี้ห�กแบ่งฮอพต�มผลิตภัณฑ์ฮอพแปรรูป

ส�ม�รถแบ่งได้อีกหล�ยชนิด ดังนี้

• whole hops คือ ดอกฮอพอบแห้ง

• hop pellets คือ ฮอพที่ผ่�นกระบวนก�รอบแห้งและ

อัดเม็ด แบ่งออกเป็น type 90 และ type 45 ตัวเลขแสดงถึง

ร้อยละของสัดส่วนน้ำ�หนักฮอพหลังผ่�นกระบวนก�รต่อน้ำ�หนัก

เริ่มต้น ดังนั้นชนิด type 45 จะมีสัดส่วนของลูปูลิน/lupulin โดย

น้ำ�หนักสูงกว่�ชนิด type 90 เกือบเท่�ตัว

• hop extracts เป ็นผล ิตภ ัณฑ ์ฮอพท ี ่สก ัดด ้วย

ต ัวท ำ�ละล�ย ปัจจุบันมี 2 ชนิด คือ ค � ร ์ บ อ น ไ ด อ อ ก ไ ซ ด ์ แ ล ะ

เ อ ท � นอล ชนิด CO2 hops extract ประกอบด้วย alpha-acid

35-55% และชนิด ethanol hops extract ประกอบด้วย alpha-acid

20-50% องค์ประกอบส่วนที่เหลือคือ beta-acid 15-40% และ

hop oil 3-12% ขึ้นอยู่กับส�ยพันธุ์ • isomerised hop pellets มีกระบวนก�รผลิตเหมือนกับ

hop pellets แต่เติมแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ชนิดฟู้ดเกรด 1-5% เพื่อ

กระตุ้นปฏิกิริย�ไอโซเมอไรเซชันภ�ยใต้ก๊�ซเฉื่อย/ไนโตรเจน ควบคุม

อุณหภูมิไว้ที่ 45-55°C เป็นเวล� 10-14 วัน ผลิตภัณฑ์ชนิดนี้ต้องก�ร

เวล�ในก�รต้มไม่น�นเพื่อให้ได้ค่�คว�มขมที่ต้องก�ร (ประม�ณ

10-15 น�ที)

• isomerised extract มีหล�ยชนิด เช่น isomerised kettle

extract, potassium isomerised kettle extract และ light stable

isomerised kettle extract ซึ ่งมีปริม�ณของ iso alpha-acid

30-50% beta-acid 15-35% และ hop oil 5-10% (w/w) ให้ผล

ลักษณะเดียวกันกับผลิตภัณฑ์ชนิด isomerised hop pellets

กระบวนการผลิตเบียร์ (2): ฮอพ

ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์เป็นน้ำาตาลโอลิโกเมอร์ของไซโลส

มีคุณสมบัติเป็นสารพรีไบโอติกที่ช่วยส่งเสริมการเจริญเติบโต

ของแบคทีเรียบิฟิโดซึ่งเป็นจุลินทรีย์ชนิดดีในลำาไส้ (ภาพที่ 1)

ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์มีคุณสมบัติที่ดีหลายประการ เช่น มีฤทธิ์

กระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน (immunomodulatory activity) ฤทธิ์ต้าน

มะเร็ง (anti-cancerous activity) ฤทธิ์ต้านการเจริญเติบโตของ

เชื้อแบคทีเรียก่อโรค (anti-microbial activity) ฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ

(anti-oxidant activity) ฤทธิ์ต้านภูมิแพ้ (anti-allergy) ฤทธิ์ยับยั้งการ

ติดเชื้อ (anti-infection) และฤทธิ์ต้านการอักเสบ (anti-inflammatory

properties) นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติเร่งการเจริญเติบโตของสัตว์น้ำา

อีกด้วย จากคุณสมบัติที่กล่าวมาจึงมีการนำาไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์

มาประยุกต์ใช้ในผลิตภัณฑ์ทางเภสัชกรรม และอาหารสัตว์อย่าง

แพร่หลาย

สมาคมเทคโนโลยีชีวภาพแห่งประเทศไทย (Thai Society for Biotechnology/www.biotech.or.th/tsb)

*ภาควิชาเทคโนโลยีชีวภาพ คณะอุตสาหกรรมเกษตร ม.เกษตรศาสตร์

เอกสารอ้างอิง Aachary, A.A. and S.G. Prapulla. 2011. Compr. Rev. Food

Sci. F. 10: 2-16. • Vazquez, M.J. et al. 2000. Trends Food Sci. Technol.

11: 387-393.

ศิวพร วรรณวิไล*/สาโรจน์ ศิริศันสนียกุล*

สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ/เดือนกันยายน 2554 การเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตร

2

ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์

ในธรรมชาติสามารถพบไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ได้ใน

หน่อไม้ ผักและผลไม้ น้ำานมดิบ และน้ำาผึ้ง เป็นต้น ในอุตสาหกรรม

อาหารนิยมใช้ไซโลไบโอสหรือไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ที่มีค่าดีกรี

พอลิเมอไรเชชัน (DP) เท่ากับ 2 โดยไซโลไบโอสจะมีคุณสมบัติที่แตก

ต่างกันขึ้นอยู่กับกลุ่มที่ประกอบในโครงสร้างของไซโลไบโอส อาทิ

alpha-D-glucopyranosyl uronic acid/acetyl groups/

arabinofuranosyl residues (ภาพที่ 2)

ภาพที่ 1 ประโยชน์ของพรีไบโอติก

ที่มา: Aachary และ Prapulla , 2011

วิธีการทางเคม ี ได้แก่ การระเบิดด้วยไอน้ำา หรือการย่อย

ด้วยสารละลายกรดหรือด่างอ่อน วิธีการนี้ทำาให้ได้น้ำาตาลโมเลกุล

เดี่ยว (monosaccharide) จำานวนมาก โดยการเกิดปฏิกิริยาดำาเนิน

ภายใต้สภาวะอุณภูมิที่สูงมาก

การผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ทางอุตสาหกรรม สามารถ

ผลิตได้จากวัตถุดิบที่มีไซแลนหรือพอลิเมอร์ของไซโลสเป็นองค์

ประกอบ เช่น เศษไม้ หรือวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร นำามา

ย่อยเพื ่อให้ได้น้ ำาตาลสายสั ้น (DP ต่ ำา) ซึ ่งจำาแนกวิธีการผลิต

ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ทางอุตสาหกรรมได้ดังนี้

ภาพท่ี 2 โครงสร้างของไซโลไบโอส: (A) beta-D-xylopyranosyl-(1, 4)-alpha-D-xylanopyranose และ (B) beta-D-xylopyranosyl-(1, 4)-beta-D-xylanopyranoseที่มา: Aachary และ Prapulla , 2011

วิธีทางเคมีร่วมกับเอนไซม ์ เริ ่มต้นจากการสกัดไซแลน

ด้วยการทำาปฏิกิริยาระหว่างวัตถุดิบกับสารละลายด่าง จากนั้น

ตกตะกอนด้วยตัวทำาละลาย (กรด แอลกอฮอล์ หรือคีโตน) แล้วจึง

ย่อยไซแลนด้วยเอนไซม์เอนโดไซแลนเนส (endoxylanase: 1,4-

beta-D-xylanase xylanohydrolase) ซึ่งทำาหน้าที่ตัดพันธะ 1,4-

beta-D-xylosidic แบบสุ่มในโครงสร้างของไซแลนเพื่อให้ได้เป็น

ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ แต่ในปฏิกิริยาต้องการกิจกรรมของเอนไซม์

เอ็กโซไซแลนเนส (exoxylanase) และ/หรือบีตาไซโลซิเดส (beta-

xylosidase) ต่ำา เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดเป็นน้ำาตาลไซโลส เนื่องจาก

เอนไซม์ทั้งสองทำาหน้าที่ตัดน้ำาตาลไซโลสครั้งละ 1 โมเลกุลจากปลาย

นอนรีดิวซ์ (non-reducing end) ของโครงสร้างไซแลน การผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ โดยวิธีทางเคมีร ่วม

กับเอนไซม์มีข้อได้เปรียบกว่าวิธีการทางเคมี คือ เกิดผลิตภัณฑ์

พลอยได้หรือน้ำาตาลโมเลกุลเดี ่ยวที่ไม่ต้องการน้อยกว่า และไม่

จำาเป็นต้องใช้อุปกรณ์/เครื่องมือเฉพาะ เนื่องจากไม่ต้องการอุณหภูมิ

สูงในกระบวนการการผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์

วิธีทางเอนไซม์ จะใช้กับวัตถุดิบที่มีโครงสร้างอ่อน เช่น

เปลือกส้ม เป็นต้น


สไปรูลิน่า กับ มหัศจรรย์ทางโภชนาการมณชัย เดชสังกรานนท์*/สาโรจน์ ศิริศันสนียกุล*

* ภาควิชาเทคโนโลยีชีวภาพ คณะอุตสาหกรรมเกษตร ม.เกษตรศาสตร์

เอกสารอ้างอิง Henrikson, R. 2009. Earth Food Spirulina. Ronore Enterprises, USA. • Richmond, A. and J.U. Grobbelaar. 1986. Biomass. 10: 253-264. • Shimamatsu, H. 2004. Hydrobiologia. 512: 39–44.

สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ/เดือนกันยายน 2554 การเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตร

3

สไปรูลิน่าถูกน�ามาใช้ประโยชน์ในแง่ของอาหารมนุษย์นานนับศตวรรษแล้ว หลักฐานที่สามรถอ้างอิงได้คือบทความทางวิชาการที่มีการเผยแพร่ในปี ค.ศ.1940 ของนักสาหร่ายวิทยาชาวฝรั่งเศลชื่อ Dangeard โดยกล่าวถึง dihe’ อาหารพื้นเมืองชนิดหนึ่งของชาว Kanembu ที่อาศัยใกล้ ๆ กับทะเลสาบชาด โดยมีลักษณะเป็นแผ่นสีเหลี่ยมบางสีเขียวอมน�้าเงิน (Spirulina cake) เตรียมขึ้นจากการน�าเซลล์สไปรูลิน่าที่เก็บเกี่ยวมาจากทะเลสาบชาดมาล้างท�าความสะอาด จากนั้นท�าให้แห้งโดยการผึ่งแดด (ภาพที่่ 1) การปรากฏของบทความดงักล่าวเป็นการจดุประกายครัง้ส�าคญัของการน�า สไปรลูน่ิาจากแหล่งน�้าธรรมชาติมาเพาะเลี้ยงอย่างเป็นระบบ เพื่อผลิตเป็นอาหารส�าหรับมนุษย์

ภาพที่ 1 การเก็บเกี่ยวเซลล์สไปรูลิน่าจากทะเลสาบชาด (ซ้าย) และ Spirulina cakes (dihe’) ที่มีการวางจ�าหน่ายในตลาดท้องถิ่นใกล้ทะเลสาบชาด (ขวา)ที่มา: Henrikson, 2009

ป ัจจุบันมีการเพาะเลี้ยงสไปรูลิน ่าเชิงพาณิชย ์อย ่างแพร่หลาย เนื่องจากมนุษย์ทราบว่าสไปรูลิน่าอุดมด้วยโปรตีนและกรดอะมิ โนที่ จ� า เป ็นหลายชนิด อีกทั้ งประกอบด ้วยสารชีวโมเลกุลที่มีคุณค่าทางโภชนาการมากมาย เช่น วิตามิน แร่ธาตุ กรดไขมันจ�าเป็น และรงควัตถุต่าง ๆ โดยองค์ประกอบเหล่านี้จะขึ้ นอยู ่ กั บสายพันธุ ์ ของสไปรู ลิ น ่ าและสภาวะในการเพาะเลี้ยงซึ่งสามารถจ�าแนกสาร ชีวโมเลกุลที่ส�าคัญจากสไปรูลิน่าได้ ดังนี้ โปรตนี สไปรลูน่ิามโีปรตนีทีเ่ป็นประโยชน์ต่อร่างกายประมาณ 50-70% ของน�้าหนักแห้ง ซึ่งมากกว่าเนื้อสัตว์และปลา (15-25%), นมผง (35%), ไข่ (12%), ถั่วเหลือง (35%) และธัญพืช (8-14%) เมือ่เปรยีบเทยีบกบัยสีต์พบว่า ผนงัเซลล์ของสไปรลูน่ิา ไม่มเีซลลโูลส จึงย่อยได้ง่ายกว่ายีสต์ โดยโปรตีนที่ส่งผลต่อสุขภาพมากที่สุดคือรงควัตถุ ซี-ไฟโคไซยานิน (C-Phycocyanin) และอัลโลไฟโคไซยานิน (Allophycocyanin) วิตามิน สไปรูลิน่ามีบีตาแคโรทีนมากกว่าแครอทประมาณ 10 เท่า การศึกษาทางคลินิกพบว่ามนุษย์สามารถใช้แคโรทีนจาก สไปรูลิน่าได้อย่างดีเยี่ยม และพบว่าสไปรูลิน่ามีวิตามินบี 12 มากกว่าตับถึง 4 เท่า และยังพบไนอาซิน ไบโอติน กรดโฟลิก อินซิทอล และพบวิตามินอี ในปริมาณน้อย ไขมัน/กรดไขมัน สไปรูลิน่ามีไขมันประมาณ 4-7% ของน�้าหนักแห้ง โดยกรดไขมันจ�า เป ็นที่พบส ่วนมากเป ็นชนิด omega-6 กรดไขมันไม ่อิ่มตัวที่ ส� าคัญคือ กรดโอเลอิก /กรดลิ โนเลอิก กรดไขมันอิ่มตัวชนิดที่ส�าคัญ คือกรดพาลมิติก มีรายงานว่า Spirulina maxima มีกรดไขมัน แกมม่า-ลิโนเลอิก (g-linolenic acid: GLA) ประมาณ 10-20% ในขณะท ี่ S. platensis มีมากถึง 49%

คาร์โบไฮเดรต สไปรูลิน่ามีคาร์โบไฮเดรตเป็นองค์ประกอบประมาณ 15-25% ของน�้าหนักแห้ง ประกอบด้วยกลูโคส แรมโนส แมนโนส ไซโลส และกาแลกโทส มีรายงานว่าสามารถแยก สไปรูแลน (Spirulan) ซึง่เป็นซลัเฟตพอลแิซก็คาไรด์ (sulfated polysaccharide) ทีม่นี�า้หนกัโมเลกลุสงูและมคีณุสมบตัใินการต้านไวรสั จากสไปรลูน่ิาได้อีกด้วย แร่ธาต ุ สไปรูลิน่าสามารถดูดซับแร่ธาตุต่าง ๆ ไว้ภายในเซลล์ขณะที่มีการเจริญและสามารถดูดซึมได้ในร่างกายมนุษย์ สไปรูลิน่าจะมีแร่ธาตุแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการเจริญและชนิดของแร่ธาตทุีม่อียูใ่นอาหารเลีย้ง แร่ธาตทุีส่�าคญั คอืเหลก็ (0.58-1.8 g/kg) ซึง่มปีรมิาณมากกว่าอาหารทัว่ ๆ ไปถงึ 10 เท่า แคลเซยีม (1.3-14 g/kg) ฟอสฟอรสั (6.7-9.0 g/kg) และโพแทสเซยีม (6.4-15.4 g/kg) ตารางที่ 1 องค์ประกอบทางเคมีของผลิตภัณฑ์สไปรูลิน่าอบแห้งของบริษัท Siam Algae Company (SAC) วิเคราะห์คุณภาพโดย Japan Food Research Laboratories

ที่มา: Shimamatsu, 2004

รงควัตถ ุ สีเขียวแกมน�้าเงินของสไปรูลิน่าเกิดจากรงควัตถุที่ส ะ ส ม อ ยู ่ ภ า ย ใ น เ ซ ล ล ์ ซึ่ ง ส า ม า ร ถ ดู ด ก ลื น แ ส ง ที่ ช ่ ว งความยาวคลื่นแตกต่างกัน รงควัตถุที่พบในสไปรูลิน่า ได้แก่ แคโรทีนอยด์ (0.37%) คลอโรฟิลล์ (1%) และ ไฟโคบลิโิปรตนี ชนดิที่ส�าคญั คอื ซ-ีไฟโคไซยานนิ และอัลโลไฟโคไซยานิน โดยมีประมาณ 14% ของน�้าหนักเซลล์ กรดนวิคลอีกิ สไปรลูน่ิามกีรดนวิคลอีกิทัง้หมดประมาณ 5% ของน�้าหนักแห้ง (แบ่งเป็น RNA 2.2-3.5% และ DNA 0.6-1%) โดยมีค่าใกล้เคียงกับสาหร่ายเซลล์เดียว Chlorella และ Scenedesmus (4-6%) ที่น ่าสนใจคือมีปริมาณต�่ากว่าแบคทีเรียและยีสต์ ซึ่งมีกรดนิวคลีอิกมากถึง 10-16% และ 4-10% ตามล�าดับ การค้นพบคุณค่าทางโภชนาการและสารโภชนเภสัชที่ส�าคัญของสไปรูลิน ่า ส ่งผลให้มีการเพาะเลี้ยงสไปรูลิน ่าเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลาย ทั้งนี้ เพื่อแปรรูปสไปรูลิน ่าเป็นอาหารเสริมสุขภาพส�าหรับมนุษย ์และสัตว ์ ด ้ วยเหตุนี้ จึ งท�าให ้เทคโนโลยีชี วภาพแขนงต ่าง ๆ เข้ามามีบทบาทต่อการพัฒนากระบวนการเพาะเลี้ยงสไปรูลิน่าอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้


ปัจจุบันงานวิจัยด้านวัสดุชีวภาพ (Biomaterial) เพื่อการ

ประยุกต์ใช้ทางการแพทย์มีความก้าวหน้าเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะ

การวิจัยและพัฒนาวัสดุชีวภาพจากวัตถุดิบธรรมชาติเพื่อทดแทน

วัสดุกลุ่มพลาสติกที่ผลิตได้จากผลพลอยได้ทางปิโตรเคมี ทั้งนี้เพราะ

วัสดุชีวภาพจากวัตถุดิบธรรมชาติสามารถย่อยสลายได้ในธรรมชาติ

นั่นเอง ตัวอย่างวัสดุชีวภาพที่มีการศึกษาและวิจัยในปัจจุบัน เช่น

วัสดุนำาส่งยาในร่างกาย ไหมเย็บแผลย่อยสลายได้ โครงเลี้ยงเซลล์/

เนื้อเยื่อ เป็นต้น

ชนิกา ชื่นแสงจันทร์*/สาโรจน์ ศิริศันสนียกุล*

องค์ความรู้ด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อส่งผลให้การรักษาอาการ

บาดเจ็บจากการสูญเสียเซลล์/เนื้อเยื่อ/อวัยวะประสบผลสำาเร็จมาก

ขึ้น เนื่องจากสามารถเลี้ยงเซลล์ต้นกำาเนิด (stem cells) เพื่อสร้างเป็น

เนื้อเยื่อขึ้นมาทดแทนเซลล์/เนื้อเยื่อที่เสียหายได้ โดยอาศัยเทคโนโลยี

ด้านวัสดุชีวภาพเป็นเครื่องมือสำาคัญในการสร้างโครงเลี้ยงเซลล์

(scaffolds) เพื่อให้เซลล์ยึดเกาะและเพิ่มจำานวนเซลล์เป็นเนื้อเยื่อ

คุณสมบัติที่ดีของโครงเลี้ยงเซลล์คือ สามารถเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อ

ปกติ มีขนาดของรูพรุน/พื้นที่ผิวที่เอื้อต่อการไหลเข้าออกของสาร

อาหาร/ของเสีย และสนับสนุนการเจริญเติบโตของเซลล์ มีความ

แข็งแรง ไม่เปราะหรือแตกได้ง่าย โดยวัตถุดิบที่นิยมใช้ในการสร้าง

โครงเลี้ยงเซลล์ ได้แก่ ไทเทเนียม ไฮดรอกซีแอพาไทต์ และวัสด ุ

พอลิเมอร์ เป็นต้น

ปัจจุบันมีการนำาวัสดุพอลิเมอร์ย่อยสลายได้มาใช้ใน

การสร้างโครงเลี้ยงเซลล์ เช่น polylactide-co-glycolide (PLGA)

และ polylactide-co-glycolide/hydroxyapatite (PLGA/HA)

เป็นผลให้โครงเลี้ยงเซลล์ที่ได้มีความเหนียวมากขึ้น ไม่เปราะหรือ

แตกหักได้ง่าย และสามารถย่อยสลายได้ในร่างกายภายหลังจาก

การสร้างเนื้อเยื่อแล้ว โดยจะแปรสภาพไปเป็นกรดแลกติกและกรด

ไกลคอลิก ซึ ่งจะถูกขับออกจากร่างกายโดยวิถีกระบวนการสร้าง

และสลายต่อไป การสร้างโครงเลี้ยงเซลล์จาก PLGA และ PLGA/

HA ทำาได้โดยการหยดสารละลาย PLGA หรือ PLGA/HA ลงใน

แม่พิมพ์เทฟลอน จากนั้นเติมอนุภาคโซเดียมคลอไรด์ที่มีขนาดตาม


เอกสารอ้างอิง Asti, A. et al. 2010. Bioinorg. Chem. Appl.

Doi:10.1155/2010/831031.

ภาพที่ 2 ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน/Scanning

Electron Microscopy (SEM) แสดงการเจริญเติบโตของเซลล์ต้นกำาเนิด/

Pluripotent adipose tissue-derived stem cells (hASCs) ในโครงเลี้ยงเซลล์

ต่างชนิดกัน PLGA (a) PLGA/HA (b) และ Ti6Al4V (c)

ที่มา: Asti และคณะ, 2010

สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ/เดือนกันยายน 2554 การแพทย์คลินิกและเภสัชกรรม

4

จากการเปรียบเทียบคุณสมบัติของโครงเลี้ยงเซลล์ที่

สร้างจาก PLGA และ PLGA/HA กับโครงเลี้ยงเซลล์ที่สร้างจาก

Trabecular titanium (Ti6Al4V) ต่อการรักษาการบาดเจ็บของ

กระดูกในระยะยาว โดยทดลองเลี้ยงเซลล์ human adipose

derived stem cells (hASCs) ซึ่งเป็นเซลล์ต้นกำาเนิดของเซลล์

กระดูกเพื่อใช้ในการซ่อมแซมกระดูกส่วนที่เสียหาย พบว่าขนาด

รูพรุนของโครงเลี้ยงเซลล์มีผลต่อความสามารถในการยึดเกาะ

ของเซลล์และการสร้างเป็นเนื ้อเยื ่อ โดยขนาดรูพรุนที่เล็กเกินไป

จะส่งผลให้การเจริญเติบโตของเซลล์ถูกจำากัด และยังจำากัดการ

แพร่กระจายของสารอาหารภายในโครงเลี้ยงเซลล์ หากขนาดของ

รูพรุนมีขนาดใหญ่เกินไปจะทำาให้พื้นที่ผิวสัมผัสลดลง ส่งผลให้การ

ยึดเกาะของเซลล์ลดลงด้วย นอกจากนี้ยังพบว่าเซลล์ต้นกำาเนิด

hASCs สามารถเจริญเป็นเนื้อเยื ่อในโครงเลี ้ยงเซลล์ Ti6Al4V ได้

ดีกว่าโครงเลี้ยงเซลล์ PLGA/HA และ PLGA ตามลำาดับ เนื่องจาก

โครงเลี้ยงเซลล์ Ti6Al4V มีสัดส่วนของขนาดของรูพรุนและพื้นที่

ผิวสัมผัสที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของเซลล์มากกว่า

ภาพที่ 1 ชนิดของโครงเลี้ยงเซลล์ polylactide-co-glycolide (PLGA) (a)

polylactide-coglycolide/hydroxyapatite (PLGA/HA) (b) และ trabecular

titanium scaffolds (Ti6Al4V) (c)

ที่มา: Asti และคณะ, 2010

อย่างไรก็ตาม โครงเล ี ้ยงเซลล์ Ti6Al4V เป็นว ัสดุท ี ่

ไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ดังนั ้นการพัฒนาวัสดุ

พอลิเมอร ์ย ่อยสลายได้จาก PLGA และ PLGA/HA ให้ม ี

คุณสมบัติที ่ดีขึ ้นเพื่อการสร้างโครงเลี้ยงเซลล์ย่อยสลายได้จะเป็น

อีกทางเลือกหนึ่งในการพัฒนาวัสดุชีวภาพเพื่อใช้ในทางการแพทย์

ให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้นต่อไป

(a) (b) (c)

(a) (b) (c)

โครงเลี้ยงเซลล์ย่อยสลายได้

ขนาดรูพรุนที่ต้องการ บ่มที่อุณหภูมิห้องข้ามคืนเพื่อให้สารละลาย

พอลิเมอร์กระจายตัวผ่านอนุภาคโซเดียมคลอไรด์ บ่มต่อที่อุณหภูมิ

-25ºC นาน 24 ชม. และนำาไปแช่แข็งแบบแห้งที่อุณหภูมิ -50ºC

นาน 12 ชม. โครงเลี้ยงเซลล์ที่ได้จะถูกแยกอนุภาคโซเดียมคลอไรด์

ออกโดยวิธีไดแอลิซิสในน้ำาที ่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 21 วัน หลัง

จากนั้นจะถูกนำาไปแช่แข็งแบบแห้งอีกครั้งที่อุณหภูมิ -50ºC ข้ามคืน

เก็บโครงเล้ียงเซลล์ท่ีเตรียมได้ไว้ท่ีอุณหภูมิ -25ºC ก่อนนำาไปใช้งานต่อไป

ปัจจุบันวัตถุดิบประเภทลิกโนเซลลูโลสได้รับความสนใจมากในอุตสาหกรรมการผลิตเอทานอลส�าหรับใช้เป็นพลังงานทางเลือกเนื่องจากมีราคาถูกและหาได้ง่ายวัตถุดิบดังกล่าวประกอบด้วยโครงสร ้างอันซับซ้อนของเซลลูโลสเฮมิเซลลูโลสลิกนินและสารอื่นๆซึ่งในการน�าลิกโนเซลลูโลสมาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตเอทานอลจ�าเป็นต้องย่อยเซลลูโลสให้อยู่ในรูปของน�้าตาลที่จุลินทรีย์สามารถใช้ในการหมักเอทานอลได้ ส่วนใหญ่จะอาศัยการท�างานของเอนไซม์/กรด โดยน�้าตาลที่ได้จะถูกยีสต์/แบคทีเรียหมักต่อไปจนได้เป็นเอทานอล

กระบวนการปรับสภาพวัตถุดิบประเภทลิกโนเซลลูโลสสามารถแบ่งออกได้4กระบวนการหลักดังนี้ 1.การปรับสภาพโดยกระบวนการทางกายภาพ(physicalpretreatment)โดยการใช้แรงกลเช่นการบดการตัดเป็นต้น 2.การปรับสภาพโดยกระบวนการทางเคมีกายภาพ(physico-chemicalpretreatment)เช ่นการระเบิดด้วยไอน�้า(steamexplosion)การระเบิดด้วยแอมโมเนีย(ammoniafiberexplosion)เป็นต้น 3.การปรับสภาพโดยกระบวนการทางเคมี(chemicalpretreatment)เช่นการใช้กรด(acidhydrolysis)การใช้ด่าง(alkalinehydrolysis)การใช้สารละลายอินทรีย์(organosolve)เป็นต้น 4.การปรับสภาพโดยกระบวนการทางชีวภาพ(biologicalpretreatment)โดยการใช้เชื้อจุลินทรีย์จ�าพวกราเช่นราขาวราน�้าตาลเป็นต้น จากที่กล่าวมาข้างต้น จะเห็นได้ว่ากระบวนการปรับสภาพถือเป็นเครื่องมือส�าคัญในการปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัตถุดิบประเภทลิกโนเซลลูโลสให้มีความเหมาะสมต่อกระบวนการย่อยกระบวนการปรับสภาพมีหลายกระบวนการซึ่งแต่ละกระบวนการนั้นก็จะส่งผลต่อโครงสร้างของวัตถุดิบประเภทลิกโนเซลลูโลสแตกต่างกัน ดังนั้นการเลือกกระบวนการปรับสภาพมาใช้ในการปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัตถุดิบนั้น จ�าเป็นต้องทราบถึงชนิดของวัตถุดิบ โครงสร้างทางเคมี และองค์ประกอบอื่น ๆ ของวัตถุดิบประเภทลิกโนเซลลูโลสแต่ละชนิดเสียก่อน แล้วจึงท�าการเลือกกระบวนการปรับสภาพให้เหมาะสม ทั้งนี้เพื่อประสิทธิภาพในการย่อยเซลลูโลสนอกจากนี้แล้วยังต้องค�านึงถึงค่าใช้จ่ายที่ใช้ในการด�าเนินการอีกด้วย

เอกสารอ ้างอิ ง Mosier , N. e t a l . 2005. B ioresour . Technol . 96: 673-686. • Sun, Y . andJ . Cheng. 2002. B ioresour . Technol . 83: 1-11.

*ภาควิชาเทคโนโลยีชีวภาพคณะอุตสาหกรรมเกษตรม.เกษตรศาสตร์

สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ/เดือนกันยายน2554

ภูมิหทัย คูประเสริฐยิ่ง*/ประมุข ภระกูลสุขสถิตย์*


5

ภาพที่1กระบวนการปรับสภาพวัสดุลิกโนเซลลูโลสที่มา:Mosierและคณะ,2005

สมาคมเทคโนโลยีชีวภาพแห่งประเทศไทย(ThaiSocietyforBiotechnology/www.biotech.or.th/tsb)

กระบวนการย่อยเซลลูโลสของวัตถุดิบประเภทลิกโนเซลลูโลสให้กลายเป็นน�้าตาลนั้น การท�างานของเอนไซม์/กรดที่ใช้ในการย่อยนั้นมักถูกกีดขวางโดยปัจจัยทางกายภาพ/เคมีหลายประการเป็นผลให้ประสิทธิภาพในย่อยเซลลูโลสลดลงด้วยเหตุนี้จึงต้องเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัตถุดิบประเภทลิกโนเซลลูโลสให้เหมาะสมต่อกระบวนการย่อยเสียก่อน โดยอาศัยกระบวนที่เรียกว่า การปรับสภาพ/การพรีทรีตเมนต์(pretreatment)(ภาพที่1)

กระบวนการปรบัสภาพคอืการเปลีย่น/ก�าจดัโครงสร้างและองค์ประกอบต่างๆทีเ่ป็นสิง่กดีขวางต่อกระบวนการย่อยเซลลูโลส ส่งผลให้ประสิทธิภาพการย่อยดีขึ้นและผลได้ของน�้าตาลที่ใช้ในการหมักเพิ่มขึ้น ดังนั้นการปรับสภาพจึงถือเป็นขั้นตอนส�าคัญในการเปลี่ยนเซลลูโลสให้เป็นน�้าตาลกลูโคสวัตถุประสงค์ของกระบวนการปรับสภาพคือก�าจัดลิกนิน/เฮมิเซลลูโลสออกลดโครงสร้างแบบผลึกของเซลลูโลสและเพิ่มความเป็นรูพรุนของวัตถุดิบ(ภาพที่2)

ภาพที่2วัตถุประสงค์ของการปรับสภาพวัสดุลิกโนเซลลูโลสที่มา:Mosierและคณะ,2005

การปรับสภาพลิกโนเซลลูโลสเพื่อการผลิตเอทานอล

การผลิตไบโอดีเซลนอกจากจะผลิตได้จากไขมัน/น�้ามันของพืชน�้ามันแล้ว ยังสามารถผลิตได้จากไขมัน/น�้ามันที่สกัดได้จากเซลล์ของจุลินทรีย์บางชนิด เช่น ยีสต์ เชื้อรา แบคทีเรีย และสาหร่าย เป็นต้น จุลินทรีย์เหล่านี้สามารถผลิตไขมัน/น�้ามันได้มากกว่า 60% ของน�้าหนักแห้ง ในสภาวะจ�ากัดไนโตรเจน โดยไขมัน/น�้ามันที่ผลิตได้จะมีลักษณะเหมือนกับไขมันที่พบในพืชน�้ามัน และอยู่ในรูปของไตรกลีเซอไรด์มากถึง 80-90% ของปริมาณไขมัน/น�้ามันที่พบ การใช้จุลินทรีย์ผลิตไขมัน/น�้ามันมีข้อได้เปรียบมากกว่าการผลิตจากพืชน�้ามันหลายประการ เช่น ใช้เวลาในการผลิตสั้นเพราะจุลินทรีย์มีช่วงชีวิตสั้นกว่า และยังใช้แรงงานในการเก็บเกี่ยวน้อยกว่า นอกจากนี้ยังส่งผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมน้อยกว่า และสามารถเพิ่มก�าลังการผลิตได้ง่ายกว่าพืชน�้ามันอีกด้วย ด้วยเหตุนี้จึงท�าให้จุลินทรีย์จัดเป็นแหล่ง

ของไขมัน/น�้ามันเพื่อการผลิตไบโอดีเซลที่ส�าคัญในอนาคต

เอกสารอ้างอิง Thiru, M. et al. 2011. Bioresour. Technol. Doi: 10.1016/j.biortech.2011.08.102.


สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ/เดือนกันยายน 2554

ณัฐวุฒิ ยอดสุวรรณ*/สาโรจน์ ศิริศันสนียกุล*



6

ตารางที่ 1 จลนพลศาสตร์ของการเพาะเลี้ยงยีสต์ในถังหมักขนาด 4 และ 26 ลิตร เพื่อผลิตไบโอดีเซล

เมื่อเปรียบเทียบกับการเพาะเลี้ยงเพื่อการผลิตไขมัน/น�้ามันจากจุลินทรีย์ชนิดอื่น พบว่าน�้าหนักเซลล์แห้ง ปริมาณของน�้ามัน และ

ผลได้ของไขมัน มีการแปรผันตามชนิดของจุลินทรีย์ รวมถึงแหล่งคาร์บอน/ไนโตรเจนที่ใช้ด้วย จากผลงานวิจัยดังกล่าวแสดงให้เห็นว่า

การใช้ของเสียจากภาคอุตสาหกรรม และการน�ากากเซลล์ที่เหลือทิ้งกลับมาใช้เป็นแหล่งไนโตรเจนใหม่ มีความเป็นไปได้สูงที่จะช่วยพัฒนา

กระบวนการผลิตและลดต้นทุนการผลิตไขมัน/น�้ามัน เพื่อการผลิตเป็นไบโอดีเซลให้มีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้นในอนาคตต่อไปได้

การผลิตไบโอดีเซลจากยีสต์ (1)

ปัจจุบันมีการปรับปรุงการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์เพื่อการผลิตไขมัน/น�้ามันโดยใช้วัตถุดิบราคาถูกเป็นแหล่งอาหารของจุลินทรีย์ ทั้งนี้เพื่อลดต้นทุนการผลิตและเพิ่มผลผลิตไขมัน/น�้ามันให้สูงขึ้น ตัวอย่างเช่น ทีมนักวิจัยจาก Industrial Biotechnology Group บริษัท Reliance Life Sciences Pvt. Ltd. ในประเทศอินเดีย ได้ศึกษาองค์ประกอบของวัตถุดิบที่เหมาะสมในการเพาะเลี้ยงยีสต์สายพันธุ์ Cryptococcus curvatus ATCC 20508 เพื่อการผลิตไขมัน/น�้ามัน โดยใช้กลีเซอรอลดิบ น�้าแช่ข้าวโพด (corn s teep l iquor ; CSL) ยีสต ์ออโตไลเสต (baker ’s yeast auto lysate) และมอลต์สกัด (malt extract) เป็นแหล่งคาร์บอน/

ไนโตรเจน ภายใต้สภาวะการเพาะเลี้ยงแบบครั้งคราว (Fed-batch culture) โดยมีปริมาตรท�างาน 4 ลิตร อัตราการกวน 700 รอบต่อนาที อัตราการให้อากาศ 1 ปริมาตรก๊าซต่อปริมาตรของเหลวต่อ

นาที ค ่าความเป็นกรด-ด่าง 5.5 อุณหภูมิ 28°C และมีการเติมกลีเซอรอลดิบเพิ่มเติม เมื่อความเข้มข้นของกลีเซอรอลในน�้าหมักเหลือน้อยกว่า 3 กรัมต่อลิตร นอกจากนี้ยังปรับปรุงการเพาะเลี้ยงโดยใช้แหล่งคาร์บอน/ไนโตรเจนราคาถูก รวมถึงการน�าเซลล์ยีสต์ที่แยกได้หลังการสกัดไขมันแล้วน�ากลับมาใช้ใหม่ โดยผลของการศึกษาสรุปไว้ในตารางที่ 1 การเพาะเลี้ยงโดยไม่เติมมอลต์สกัดให้ผลได้ของเซลล์รวมถึงไขมันไม่ต่างจากการเพาะเลี้ยงในอาหารสูตรเริ่มต้น ดังนั้นจึงไม่จ�าเป็นต้องเติมมอลต์สกัดซึ่งมีราคาแพงลงในอาหารเพาะเลี้ยง นอกจากนี้พบว่าการใช้เซลล์ยีสต์ที่แยกได้หลังจากการสกัดไขมันมาใช้แทนยีสต์ออโตไลเสต พบว่าให้น�้าหนักเซลล์แห้งรวมถึงผลได้ของน�้ามันมากกว่าอาหารสูตรเริ่มต้น อีกทั้งยังสามารถลดต้นทุนอาหารได้มากถึง 60% ดังนั้นในการขยายขนาดการผลิตเป็น 26 ลิตร จึงใช้สูตรอาหารที่ประกอบด้วยกลีเซอรอลดิบ น�้าแช่ข้าวโพด และกากเซลล์ยีสต์ที่แยกได้หลังการสกัดไขมัน โดยใช้สภาวะการเพาะเลี้ยงเช่นเดิม แต่ควบคุมอัตราการกวนเท่ากับ 380 รอบต่อนาที พบว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการเพาะเลี้ยงยีสต์ในถังหมักขนาด 4 ลิตร การขยายขนาดการผลิตเป็น 26 ลิตร ส่งผลให้น�้าหนักเซลล์แห้ง ปริมาณของน�้ามัน และผลได้ของเซลล์จากการใช้สารตั้งต้นมีค ่ า ล ด ล ง แ ต ่ ผ ล ไ ด ้ของไขมันจากการใช้สารตั้งต ้นเพิ่มขึ้น (ตารางที่ 1)

ที่มา: ดัดแปลงจาก Thiru และคณะ, 2011

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ/Biodegradable

plastic ได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบัน เนื่องจากสามารถ

ใช้งานได้หลากหลายไม่ต่างไปจากพลาสติกที่ผลิตจากผลิตภัณฑ์

ปิโตรเคมีและไม่ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย คุณสมบัติเด่น

ของพลาสติกชีวภาพคือสามารถย่อยสลายได้ด้วยกระบวนการทาง

ชีวภาพ โดยใช้เวลาไม่นานนักเมื่อเทียบกับพลาสติกจากปิโตรเคมี

การย่อยสลายของพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพมีระบบการย่อย

สลายที่คล้ายคลึงกับการย่อยสลายของวัสดุในธรรมชาติทั่ว ๆ ไป ซึ่ง

สามารถจำาแนกวิธีการย่อยสลายได้ ดังน้ี



เอกสารอ้างอิง Rudnik, E and D. Briassoulis. 2011. Ind. Crop. Prod.

33: 648-658.

ลลิตา พลมณี*/สาโรจน์ ศิริศันสนียกุล*

สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ/เดือนกันยายน 2554 สิ่งแวดล้อมและพลังงาน

7

การย่อยสลายของพลาสติก

ป ัจจ ุบ ันมีการศึกษาการย่อยสลายโดยชีวภาพแบบ

โอเอ็กซ์โอ/OXO biodegradation ซึ ่งเกิดจากกระบวนการย่อย

สลายทางเคมีร่วมกับการย่อยสลายทางชีวภาพ โดยผลิตภัณฑ์

ที่ เกิดจากปฏิกิริยาเคมีจะถูกย่อยสลายต่อไปโดยกระบวนการ

ทางชีวภาพ การย่อยสลายด้วยวิธีนี้จะผสมสารที่เรียกว่า สาร

พลาสติกที ่ย ่อยสลายได้อย่างหมดจด Totally Degradable

Plastic AdditivesTM/TDPATM ลงในส่วนผสมก่อนการขึ้นรูป

ผลิตภัณฑ์พลาสติก โดยสาร TDPATM จะทำาหน้าที่กระตุ้นให้เกิด

การเปลี ่ยนแปลงทางเคมีและช่วยเพิ ่มอ ัตราการย่อยสลาย

อย่างต่อเนื่อง ผลการทดสอบทางห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่า

ผลิตภัณฑ์พลาสติกที่ผสมสาร TDPA™ สามารถแตกเป็นชิ้น ๆ และ

ย่อยสลายได้ทางชีวภาพอย่างมีประสิทธิภาพ

ภาพที่ 1 การย่อยสลายทางชีวภาพของพอลิแลกติกแอสิด/ฟิล์มชนิด PLA 20 โดยวิธีการฝังดิน เป็นเวลา 1, 3, 7 และ 11 เดือน ตามลำาดับ (จากซ้ายไปขวา)ที่มา: Rudnik และ Briassoulis, 2011

ภาพที่ 2 การย่อยสลายทางชีวภาพของพลาสติกชีวภาพที่มา: www.bb-interpack.com/index.php?app=nd&id=19

การย่อยสลายโดยแสง/Photo degradation เป็นการย่อย

สลายโดยใช้แสงซึ่งเกิดจากการเติมสารเติมแต่งที่มีความว่องไวต่อ

แสงลงในพลาสติกเพื่อให้เกิดหมู่ฟังก์ชัน หรือพันธะเคมีที่ไม่แข็งแรง

สามารถแตกหักง่ายภายใต้รังสียูว ี

การย่อยสลายทางกล/Mechanical degradation เป็น

วิธีการย่อยสลายโดยการให้แรงกระทำาแก่ชิ้นพลาสติกเพื่อทำาให้

พลาสติกแตกออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ

การย่อยสลายโดยผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชัน/Oxidative

degradation การย่อยสลายด้วยวิธีนี ้เกิดจากปฏิกิริยาการเติม

ออกซิเจนลงในโมเลกุลของพอลิเมอร ์ เก ิดเป็นสารประกอบ

ไฮโดรเปอร์ออกไซด์ โดยมีออกซิเจน และความร้อน แสงยูวี หรือแรง

ทางกลเป็นปัจจัยสำาคัญในการทำาให้สายโซ่พอลิเมอร์เกิดการแตกหัก

และสูญเสียสมบัติเชิงกลอย่างรวดเร็ว

การย่อยสลายโดยผ่านปฏิกิริยาไฮโดรลิซิส/Hydrolytic

degradation เป็นการย่อยสลายโดยผ่านปฏิกิริยาไฮโดรลิซิส ก่อให้

เกิดการแตกหักของสายโซ่พอลิเมอร์ ปฏิกิริยาไฮโดรลิซิสที่เกิด

ขึ้นสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ ประเภทที่ใช้คะตะลิสต์ และ

ไม่ใช้คะตะลิสต์

การย่อยสลายทางชีวภาพ/Biodegradation เป็นการย่อย

สลายที่เกิดจากการทำางานของจุลินทรีย์ชนิดต่าง ๆ เช่นแบคทีเรีย

และเชื้อรา เป็นต้น เนื่องจากขนาดของสายพอลิเมอร์มีขนาดใหญ่

และไม่ละลายน้ำา การย่อยสลายจึงเกิดขึ้น 2 ขั้นตอน โดยขั้นตอน

แรกจุลินทรีย์จะปลดปล่อยเอนไซม์ ทำาให้เกิดการแตกหักของพันธะ

ทีละหน่วยจากปลายของสายโซ่ พอลิเมอร์ จากนั้นจึงเกิดการย่อย

สลายต่อในขั้นตอนที่ 2 ซึ่งในขั้นตอนนี้เกิดขึ้นภายในเซลล์และได้

ผลิตภัณฑ์สุดท้าย คือ พลังงาน แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สมีเทน

น้ำา เกลือ แร่ธาตุต่าง ๆ และมวลชีวภาพ เป็นต้น โดยพลาสติกที่

สามารถย่อยสลายด้วยวิธ ีน ี ้ เร ียกว่า พลาสติกย่อยสลายได้

ทางชีวภาพ (ภาพที่ 1 และ 2)

จากจุดเด่นดังกล่าวนี้ เองทำาให้มีการนำาเทคโนโลยี

การย่อยสลายได้โดยชีวภาพแบบโอเอ็กซ์โอมาใช้ในผลิตภัณฑ์

พลาสติกอย่างแพร่หลาย เป็นผลให้สามารถควบคุมและจัดการ

อายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์พลาสติกได้อย่างแม่นยำา เพื่อให้

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นพิษต่อ

สิ่งแวดล้อมได้อย่างยั่งยืน

โมดูลสังเคราะห์/synthetic module ย่อมแตกต่างไป

จากโมดูลธรรมชาติ/natural module แม้ว่าบรรทัดฐาน/motif เชิง

ฟังก์ชันยังคงเป็นประเด็นหลักของการทำางานของโมดูลชีวภาพทั้ง

หลาย อย่างไรก็ดี การเคลื ่อนย้ายโมดูลธรรมชาติไปสู ่สภาวะ

แวดล้อมใหม่ที่ไม่ใช่สภาพดั้งเดิมของระบบเซลล์ ย่อมไม่อาจ

ทำาให้เกิดภาวะการณ์การทำางานของโมดูลได้เฉกเช่นเดิม ใน

ขณะที่โมดูลสังเคราะห์ชั ้นเลิศสามารถหลุดพ้นไปจากขอบเขต

ของข้อจำาก ัดเหล่านี ้ได ้ สามารถทำางานตามวัตถุประสงค์ที ่

เชื ่อมโยง/interfacing ระหว่างโมดูล ซ่อมแซม และแปลกแยก

ไปจากกระบวนการอื่นใดของเซลล์ได้ กล่าวคือ โมดูลสังเคราะห์มี

ความสะดวกต่อการกำาจัด การแทนที่ และการดัดแปลง มากกว่า

โมดูลธรรมชาติน ั ่นเอง ด ังต ัวอย่างโมดูลชีวภาพสังเคราะห์

อันเป็นต้นแบบหลักที่จะกล่าวถึง 3 ประเภท ได้แก่ โครงข่ายการ

ควบคุมการถอดรหัส/transcriptional regulation network

วิถีการส่งสัญญาณของโปรตีน/protein signaling pathway และ

โครงข่ายกระบวนการสร้างและสลาย/metabolic network



เอกสารอ้างอิง Andrianantoandro, E. et al. 2006. Synthetic biology: new

engineering rules for an emerging discipline. Mol. Syst. Biol. 2(2006.0028),

1-14 (doi:10.1038/msb4100073). • http://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_

biology. • Hooshangi, S. et al. 2005. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 102: 3581-

3586. • Park, S.H. et al. 2003. Science. 299: 106-1064. • Fung, E. et al.

2005. Nature. 435: 118-122.

สาโรจน์ ศิริศันสนียกุล*

สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ/เดือนกันยายน 2554 กฎหมายและการศึกษา

8


ภาพที่ 1 แบบชนิดของเครื่องมือชีวภาพ (A) โมดูลหลั่นของการถอดรหัส/transcrip-tional cascade module แสดงฟังก์ชันระหว่างความไว/ultrasensitivity และความลึกของหลั่น/cascade depth ที่มา: Andrianantoandro และคณะ, 2006

(ข ) โ ค ร ง ข ่ า ย ก า ร ถ อ ด ร ห ั ส แ บ บ ป ้ อ น ไ ป ข ้ า ง ห น ้ า /

feedforward transcription network ประกอบด้วยโมดูลสองชนิด

ได้แก่ incoherent/coherent feedforward กล่าวคือ การตอบสนอง

ต่อวิถีของการควบคุมทั้ง “ทางตรง/ทางอ้อม” เป็นไปในลักษณะ

ตรงกันข้าม/ทิศทางเดียวกัน ที่มีต่ออินพุต/สิ่งเร้าตามลำาดับ สถาปัตย์

ของโมดูลที่เหมาะสมสามารถสร้างฟังก์ชันของโมดูลได้เป็น pulse

generator/persistence detector/delay element เป็นต้น เพื่อใช้

ขยายผลพฤติกรรมของวงจรในโครงข่ายที่ซับซ้อนได้ ส่วนกรณี

การควบคุมแบบป้อนกลับ ประกอบด้วยโมดูลสองชนิดเช่นเดียวกัน

ได้แก่ การป้อนกลับเชิงบวก/การป้อนกลับเชิงลบ ซึ ่งแสดงผลลัพธ์

เช ิงฟังก ์ช ันเก ี ่ยวกับ เสถียรภาพทวิล ักษณะ/การกวัดแกว่ง

(bistability/oscillation) ตามลำาดับ ชนิดแรกทำาหน้าที่เสมือนสวิทซ์

เปลี่ยน/toggle switch แสดงสถานะแม้ภายหลังจะกำาจัดสิ่งเร้าที่เป็น

อินพุตออกไปแล้วก็ตาม ในขณะที่โมดูลชนิดการควบคุมแบบป้อนกลับ

เชิงลบสร้างได้จากตัวกดการถอดรหัสยีนสามชุดในรูปแบบวงแหวน

ที่กำาหนดภาวะกดอย่างเป็นอิสระต่อกัน เพื่อแสดงภาวะกวัดแกว่งของ

โครงข่ายสังเคราะห์

(ก) โครงข่ายการควบคุมการถอดรหัส ประกอบด้วย

บรรทัดฐานของหลั ่น/cascade กลไกควบคุมของการป้อนไป

ข้างหน้า/feedforward และการป้อนกลับ/feedback ดังตัวอย่าง

ของการเชื่อมชุดตัวแปลง/inverter ของการถอดรหัสยีนเข้าด้วย

กันสร้างเป็นหลั่นของโมดูลชีวภาพ (ภาพที่ 1A: วงจร 1, 2 และ 3

แสดงจำานวนขั ้นตอนของภาวะกด/repression) สำาแดงออก

ได้ทั ้งในจุลินทรีย์พรอคาริโอตและยูคาริโอต ณ ภาวะคงตัวของ

เอาต์พุตจะตอบสนองต่ออินพุตอย่างสม่ำาเสมอไม่เปลี่ยนแปลง

และภายใต้ภาวะที่กำาหนดการตอบสนองความไวของหลั่นต่อสิ่งเร้า

นั้นจะเพิ่มขึ้นอยู่กับการเพิ่มของความลึก/depth ของหลั่น และ/

หรือการชักช้าของการตอบสนอง/response delay ยังสหสัมพันธ์

โดยตรงต่อความกว้าง/length ของหลั่น ภาวะของการตอบสนอง

ที่เชื่องช้านี้ยังช่วยอธิบายการลำาดับ/sequencing การแสดงออก

ของยีนได้ (ฟ ังก ์ช ันนี ้ เร ียกว่า response sensitivities)

นอกจากนี้ หลั ่นของควบคุมการถอดรหัสนี ้ยังสามารถอธิบาย

การลด/การขยาย (attenuate/amplify) สภาพการณ์ของการ

รบกวน/noise จากอินพุตที่มีต่อการแสดงออกของยีนได้อีกด้วย

(ฟังก์ชันนี้เรียกว่า noise propagation)

โมดูลสังเคราะห์/synthetic module มีอยู่ 3 ประเภท ได้แก่

โครงข่ายการควบคุมการถอดรหัส/transcriptional regulation

network วิถีการส่งสัญญาณของโปรตีน/protein signaling pathway

และ โครงข่ายกระบวนการสร้างและสลาย/metabolic network

เอกสารอ้างอิง Andrianantoandro, E. et al. 2006. Synthetic biology: new engineering rules for an emerging discipline. Mol. Syst. Biol. 2(2006.0028), 1-14 (doi:10.1038/msb4100073). • http://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_biology. • Hooshangi, S. et al. 2005. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 102: 3581-3586. • Park, S.H. et al. 2003. Sci-ence. 299: 106-1064. • Fung, E. et al. 2005. Nature. 435, 118-122.





9

ภาพที่ 1 (B) ตัวเบี่ยงเบนผ่าเหล่าเชิงฟังก์ชันพร้อมการเจริญเติบโต (+,-) แสดงภาวะความต้านทานการแพร่/osmoresistance และ (C) การสังเคราะห์เอซีทิลฟอสเฟต (AcP) จากแอซีเทต (HOAC) (ภาพบน) แสดงถึงภาวะกวัดแกว่ง/oscillation (ภาพล่าง) ซึ่งควบคุมด้วยโพรโมเตอร์ Ptacที่มา: Andrianantoandro และคณะ, 2006



(ก) โครงข่ายการควบคุมการถอดรหัส ประกอบด้วย

บรรทัดฐานของหลั่น/cascade กลไกควบคุมของการป้อนไปข้างหน้า/

feedforward และการป้อนกลับ/feedback (ข) วิถีการส่งสัญญาณของโปรตีน สามารถสังเคราะห์ขึ้น

ได้จากเครื่องมือการถ่ายโอนสัญญาณ/signal transduction ดังกรณี

ตัวอย่างการก�าหนดทิศทางการส่งสัญญาณของเอนไซม์ไทโรซีนไคเนส

ในวิถี apoptotic caspase (อาทิ ภววิสัยการตายของเซลล์) เพื่อรองรับ

สัญญาณที่จะด�ารงการสนับสนุนการเจริญ/การรอดชีวิตของเซลล์ที่

เป็นเอาต์พุตภายใต้วิถีดังกล่าว หรือกรณีศึกษาการสร้างตัวเบี่ยงเบน

โครงสร้าง/diverter scaffold เพื่อปรับปรุงวิถีการถ่ายโอนสัญญาณ

ของแฟกเตอร์แอลฟา แสดงดังภาพที่ 1B ซึ่งท�าหน้าที่ควบคุมการ

สืบพันธุ์ของยีสต์/แสดงพฤติกรรมออสโมลาริตีสูงของยีสต์ แม้โมดูล

ประเภทนี้จะพัฒนาช้าไปกว่าบรรทัดฐานของโมดูลการควบคุมการ

ถอดรหัสข้างต้น แต่ก็สามารถแปรรูปการเปลี่ยนแปลงของเซลล์และ

สิ่งแวดล้อมได้อย่างรวดเร็ว จึงมีศักยภาพสูงที่จะสามารถประยุกต์ใช้

ในเซลล์ประดิษฐ์ (ค) โครงข่ายกระบวนการสร้างและสลาย ใช้ประโยชน์

จากรากฐานการควบคุมการถอดรหัสและการแปลในการควบคุม

กลไกการท�างานของเอนไซม์ภายในวิถีของการสร ้างและสลาย

เมแทบอไลต์ โดยอาศัยปัจจัยความเข้มข้นของสารเมแทบอไลต์ที่เกิด

ขึ้นท�าหน้าที่เป็นอินพุตของระบบควบคุมอื่น ดังตัวอย่างของการปลูก

ถ่ายวิถี mevalonate isoprenoid ของยีสต์ S. cerevisiae ที่ท�า

หน้าที่การสังเคราะห์ไอโซเพนทิลไพโรฟอสเฟตไว้ในแบคทีเรีย E. coli

หรือกรณีศึกษาโครงข่ายแบบกวัดแกว่งแปรผันจากกระบวนการสร้าง

และสลาย ซึ่งอาศัยการสังเคราะห์เอซีทิลฟอสเฟตจากแอซีเทต ที่ท�า

หน้าที่เป็นตัวแปรสัญญาณ แสดงผลลัพธ์ของโมดูลสังเคราะห์นี้

ดังภาพที่ 1C เป็นต้น

การพัฒนาต้นแบบ/prototype ของโมดูลชีวภาพสังเคราะห์

ตามบรรทัดฐานเชิงฟังก์ชันที่ต้องการก�าลังเป็นไปอย่างเข้มข้น ซึ่งจะ

ต้องเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่น่าเชื่อถือและคาดการณ์ได้จริง ฉะนั้นการสร้าง

เซลล์ประดิษฐ์ที่มีบริบทสมบูรณ์กอปรด้วยระบบโมดูลเชิงซ ้อน

เชื่อมโยงไว้ภายในเซลล์จึงไม่ใช่สิ่งเหนือวิสัยอีกต่อไป


ชีววิทยาสังเคราะห์: การทำาวิศวกรรมเซลล์



สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ/เดือนกันยายน 2554 กฏหมายและการศึกษา

10

โมดูลสังเคราะห์และบริบทเซลล์ย่อมสหสัมพันธ์ต่อกัน การผันแปรของกระบวนการชีวภาพของเซลล์จะถ่ายทอดสู่โมดูล/ส่งผลต่อเอาต์พุตของโมดูล และแสดงอิทธิพลเป็นไปในทิศทางกลับกันด้วย ซ ึ ่งก ่อให้เก ิดปัญหาต่อการทำาว ิศวกรรมระบบชีวภาพที ่น่าเชื่อถือและพยากรณ์ได้ วิธีการหนึ่งของการแก้ปัญหาก็คือการใช ้หล ั กการของ โมด ู ลาร ิ ต ี /modu la r i t y ซ ึ ่ งหมายถ ึ ง เซลล ์ /วิถีกระบวนการสร้างและสลายย่อมมีเหล่าโมดูลเป็นองค์ประกอบ ที่สามารถแยกออกจากกัน/รวมเข้าด้วยกันได้ตามแต่ละกรณีที่เหมาะสม กล่าวคือ การสอดแทรกโมดูลที่ทำางานได้ดีที่สุดเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อเกิดอันตรกิริยา/interaction ระหว่างโมดูลและเซลล์เจ้าบ้านน้อยที ่สุด โดยจะหลงเหลือเฉพาะอันตรกิริยาที่สามารถพยากรณ์ได้เท่านั้น ฉะนั้น ความจ ำา เพาะ/การท ำามาตรฐานอันตรกิริยาเหล่านี้ จะต้องสามารถประกันความสะดวก/portability ของโมดูลได้ และสามารถท ำ า ให ้ เป ็ นอ ิ ส ระต ่ อเ ซ ล ล ์ เ จ ้ า บ ้ า น ไ ด ้ จึงทำาให้การทำาวิศวกรรมเซลล์ด้วยเหล่าโมดูลใด ๆ สร้างสถานภาพการทำางานของโมดูลเชิงอุดมคติที่อยู่นอกเหนืออิทธิพลของบริบทเซลล ์ฉะนั้นเซลล์เจ้าบ้านจะทำาหน้าที่ขับเคลื่อนทรัพยากรภายในเซลล์และปกปักโมดูลจากอิทธิพลของปัจจัยนอกเซลล์

พฤติกรรมเชิงฟังก์ชันของโมดูลภายในเซลล์ นอกจากจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของเครื่องมือชีวภาพ/การเชื่อมโยงระหว่างกันแล้ว ยังกอปรด้วยบริบทของเซลล์เจ้าบ้านผู้บังคับนั้นอีกด้วย (ภาพที่ 1A) ซึ่งประกอบด้วยกระบวนการทางชีวเคมีที่เกี่ยวข้องทั้งหลาย ได้แก่ กระบวนการสร้างและสลายของดีเอ็นเอ/อาร์เอ็นเอ แหล่งกรดอะมิโนที่มี พลังงานสำารองเอทีพี การสังเคราะห์โปรตีน การแบ่ ง /ว ัฏจักรของ เซลล์ และกรรมวิธีจำาเพาะทั ้ งหลาย (อาทิ วิถีการส่งสัญญาณภายในเซลล์ที่มีอันตรกิริยาต่อเครื่องมือทั้งมวลภายในโมดูลเสริม) ผลลัพธ์ที ่ติดตามมาของวงจรยีน /gene circuit ชนิดเดียวกันนี้ อาจจะสำาแดงอาการ/พฤติการณ์ที่ผ ิดแผกไปบ้างในเซลล์เจ้าบ้านต่างสายพันธุ ์ นอกจากนี้แล้วการบูรณาการและการทำางานของโมดูลในเซลล์เจ้าบ้าน ย่อมแสดงอิทธิพลต่อกระบวนการของเซลล์และดัดแปลงบริบทของเซลล ์/cellular context ซึ่งอาจทำาให้มีการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของโมดูลด้วยในที่สุด และการบูรณาการพร้อมการทำางานจะเพิ่มซับซ้อนย่ิงข้ึนเม่ือมีการสอดแทรกหลายโมดูลเข้าไปเซลล์เจ้าบ้านอีก

ภาพที่ 1 บริบทของเซลล์ (A) การ

ทำางานของโมดูลภายในเซลล์ย่อม

ดัดแปลงบริบทของเซลล์ได้ และ

(B) การสอดแทรกโมดูลอย่างเป็น

ลำาดับย่อมดัดแปลงบริบทของเซลล์

โดยการฝังแต่ละโมดูลใหม่ภายใต้

บริบทใหม่ย่อมเปลี่ยนพฤติการณ์

เชิงมูลฐานของโมดูลได้

ที่มา: Andrianantoandro และ

คณะ, 2006

เอกสารอ้างอิง

Andrianantoandro, E. et al. 2006. Mol. Syst. Biol. 2(2006.0028), 1-14

(doi:10.1038/msb4100073). • http://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_

biology. • http://en.wikipedia.org/wiki/Modularity • Endy, D. 2005.

Nature. 438: 449-453.

การแยกโมดูลออกจากบริบทเซลล์จะต้องคำานึงถึงความพยายาม

ในการธำารงความเข้าใจ/การเชื่อมโยงต่อกันไว้ด้วย “การทำาให้ง่าย/

ความจำาเพาะ/การทำามาตรฐาน” อาจจะเป็นประโยชน์ที่ทำาให้

การทำาวิศวกรรมเซลล์ง่ายดายขึ้นก็จริงอยู่ แต่ก็ใช่ว่าจะต้องสะบันตัดขาดการสื่อสารจากเซลล์เจ้าบ้านโดยสิ้นเชิง ซึ่งจะส่งผลทำาให้โมดูลทำางานเชิงฟังก์ชันไม่ได้ตามประสงค์ ประเด็นสำาคัญของระบบชีวภาพก็คือการบูรณาการของทุกส่วนถ้วนทั่วเข้าด้วยกัน ไม่ว่าจะ

เป็นส่วนใดส่วนหนึ่งของเซลล์ก็จะต้องพึ่งพาอาศัยซึ่งกันและกันแบบองค์รวมอย่างหลีกเลี ่ยงไม่ได้ ฉะนั้นการทำาให้โมดูลทำางาน ก็ย่อมหมายถึง การทำาคัดย่อ/abstraction ที่จะต้องรวมเอาหลักการของบริบทเซลล์เข้าร่วมด้วยช่วยกันเป็นร่างแหการทำางานของโมดูลในเบื้องปลาย ซึ่งต้องมีการกำาหนดเฉพาะให้โมดูลใดที่มีอิสรภาพต่อบริบทเซลล์ และก่อร่างเหล่าโมดูลนั้นให้ทำางานอย่างเป็นอิสระต่อบริบทเซลล์ได้ในท้ายที่สุด การออกแบบซ้ำาสมเหตุผล/การวิวัฒนาการทางตรง/การจำาลองแบบ ก็ยังคงถือเป็นหลักการสำาคัญท่ีสามารถประยุกต์ใช้ได้ในขั้นตอนของการเชื่องโยงเหล่าโมดูลสู่ภายในบริบทของเซลล์เจ้าบ้านเช่นกัน และต้องอาศัยอานิสงส์ของการประมาณค่าคงที่/การวิเคราะห์ดุลของฟลักซ์การสร้างและสลายอีกด้วย ในเชิงปฏิบัติการอาจจะต้องวิเคราะห์ผลลัพธ์ของการสอดแทรกโมดูลแต่ละครั้งซ้ำาแล้วซ้ำาเล่า เพื่ออธิบายคุณลักษณะของเซลล์ที่กอปรด้ วย เหล่ า โมดูลพึ งประสงค์ท ั ้ งหลายได้ อย่ า งถ่ องแท้ ในที ่ส ุด (ภาพที่ 1B) บางครั้งการสอดแทรกเหล่าโมดูลบางชนิดอาจกระทำาได้โดยง่าย แต่บางครั้งการสอดแทรกเหล่าโมดูลก็กระทำาได้โดยยาก หากไม่มีการดัดแปรเซลล์เจ้าบ้านเสียก่อนให้เหมาะสม ซึ่งอุปมาอุปไมยได้เช่นเดียวกับการทำางานของคอมพิวเตอร์ที่มีเหล่าซอฟต์แวร์ทั้งหลายสามารถทำางานร่วมกันได้อย่างมีเสถียรภาพภายใต้ระบบปฏิบัติการ/operating system ที่ทรงประสิทธิภาพเท่านั้น สำาหรับการสร้างเซลล์ประดิษฐ์/ชีววิทยาสังเคราะห์ ก็ย่อมหมายถึงการสังเคราะห์จีโนมภายในเซลล์เจ้าบ้านเพื่อก่อกำาเนิดเซลล์พันธุวิศวกรรมในท้ายที่สุดนั่นเอง

การสงัเคราะห์จโีนมต้องอาศยัความสามารถในการสงัเคราะห์ดเีอน็เอขนาดใหญ่ทีม่คีวามแม่นย�าสงู/ราคาไม่แพง/ได้อย่างรวดเรว็ ซึง่เกี่ยวเนื่องด้วยโครงข่ายของยีนสังเคราะห์ที่มีความซับซ้อน/ขนาดใหญ่ โดยอาศยัวธิปีฏกิริยิาลกูโซ่พอลเิมอเรส/PCR (Denaturation/Annealing/Extension) วิธีผูกดีเอ็นเอ/Ligation by selection วิธีการโคลนนิ่งยีนดั้งเดิมและวิธีการแก้ไขความผิดพลาดล�าดับดีเอ็นเอ/Photo- programmable microfluidic chips เป็นต้น ฉะนั้นการหล่อหลอมวิธีการเหล่านี้เข้าด้วยกันก็จะท�าให้สามารถสร้างล�าดับดีเอ็นเอขนาดมหึมาเสมือนจริงได้ที่ทรงประสิทธิภาพด้วยราคาต้นทุนที่ไม่แพงมากนัก ซึ่งวิสัยสามารถ/capacity ของการสังเคราะห์ดีเอ็นเอขนาดใหญ่นี้เอง จึงช่วยสนับสนุนการช�าแหละ/decoupling การออกแบบการสร้างโมดูลพันธุวิศวกรรมได้ในที่สุด

พัฒนาการของการสังเคราะห ์จี โนมยังคงด�าเนิน ต่อไป (นอกเหนือไปจากตัวอย่างของการสังเคราะห์ไวรัสแล้ว) อาทิ การสร้างเซลล์ประดิษฐ์แบคทีเรียพาราไซต์ Mycoplasma genitalium ที่มีขนาดของจีโนมที่เล็กที่สุดเท่าที่เคยมีมา เป็นต้น จีโนมสังเคราะห์ขั้นต�่าที่ก่อสร้างเซลล์จุลินทรีย์ขึ้นมาย่อมจะกลายเป็นผลิตภัณฑ์สิ่งมีชีวิตที่อนุเคราะห์ได้ถึงโครงข่ายยีนสังเคราะห์ภายใต้บริบทของเซลล์ ฉะนั้นการสังเคราะห์ยีนจึงถือเป็นการประดิษฐ์เซลล์ขั้นต�่าที่อาจสามารถรังสรรค์บริบทอย่างง่ายที่สุด ทีจ่ะถกูใช้รองรบัการสอดแทรกเหล่าโมดลู อย่างไรกต็าม ปัญหาอยู่ทีก่ารออกแบบโครงเซลล์/cell chassis ทีด่ทีีม่คีณุสมบตัเิหมาะสม และเป็นไปได้เช่นกันที่การสังเคราะห์จีโนมอย่างง่ายที่ก่อก�าเนิดเซลล์สงัเคราะห์ อาจจะไม่ส่งผลทีด่ต่ีอการท�างานที ่ถกูต้องแม่นย�า/น่าเชื่อถืออย่างที่คาดหวัง ฉะนั้นปัญหาในการก�าจัดบริบทของเซลล์จึงไม่อาจสามารถล่วงพ้นไปได้จากการประดิษฐ์โครงเซลล์โดยสิน้เชงิ ดงัปรากฏเหน็ชดัได้จากการเปลีย่นแปลงธรรมชาตขิองโครงเซลล์ที่เกิดขึ้นจากการสอดแทรกโมดูลนั่นเอง แต่การท�าให้โครงเซลล์ง่ายนั้นก็จะช่วยท�าให้การวิเคราะห์เชิงคุณภาพและการสร้างแบบของบรบิทเซลล์ง่ายยิ่งขึ้น แม้การท�าให้โครงเซลล์มีเอกภาพจะมปีระโยชน์กจ็รงิอยู ่ แต่กไ็ม่อาจจะประกนัการท�าซ�า้เชงิปฏบิตักิาร/operational reproducibilityได้เสมอไป อนึ่งความเป็นเอกภาพ/uniformity นี้เอง ก็ย่อมยากที่จะหลีกพ้นได้จากการเผชิญถึงภาวะของการผ่าเหล่า/วิวัฒนาการภายใต้สภาพของการเพาะเลี้ยงเซลล์ได้ ดังนั้นควรตระหนักไว้บ้างว่าการด�าเนินการจากจีโนมกะทัดรัด/compact genomes ย่อมยังผลได้ยิ่งกว่าการยึดติดอย่างเหนียวแน่นอยู่กับการสร้าง จีโนมขั้นต�่า/minimal genomes ในท�านองเดียวกับซอฟต์ของคอมพิวเตอร์ ระบบปฏิบัติการกะทัดรัดที่ทรงประสิทธิภาพอาจจะมีเพียงบางงานประยุกต์และห้องสมุดที่มีซอฟต์แวร์จ�านวนน้อยเท่านั้น ในขณะที่ระบบปฏิบัติที่เทอะทะมีประสิทธิภาพล ่ า ช ้ า อ า จ ก ลั บ มี ห ้ อ ง ส มุ ด แ ล ะ ง า น ป ร ะ ยุ ก ต ์ จ� า น ว นม า ก ซึ่งอาจจะท�าให้เกิดความน่าเชื่อถือผ่านไปยังกลไกการท�างานที่มีมากมายเหลือเฟือเกินไปเหล่านั้นก็เป ็นไปได ้ ระบบปฏิบัติการและซอฟต์แวร ์ย ่อมไม ่อาจท�างานได ้โดยปราศจากคอมพิว เตอร ์ฉันใด การบรรลุ เป ้าหมายของการออกแบบก็จะต้องเป็นโมดูลและเครื่องมือชีวภาพที่ฝังไว้ภายในเซลล์เจ้าบ้านฉันนั้น ฉะนั้นระบบชีวภาพวิศวกรรมอันซับซ้อนเพื่อสนองเป้าหมายนี้ จึงควรมุ่งสู่ขอบเขตของประชากรเซลล์/พหุเซลล์ หาใช่เป็นเพียงแค่เซลล์/เซลล์เดี่ยวเท่านั้น

เอกสารอ้างอิง Andrianantoandro, E. et al. 2006. Synthetic biol-ogy: new engineering rules for an emerging discipline. Mol. Syst. Biol. 2(2006.0028), 1-14 (doi:10.1038/msb4100073). • http://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_biology. • http://en.wikipedia.org/wiki/Polymerase_chain_reaction. • http://en.wikipedia.org/wiki/My-coplasma_genitalium. • Pennisi, E. 2005. Science. 310: 769-770.





11

ภาพที่ 1 การสังเคราะห์โครโมโซม/designer bugs (E. coli/บน, Mycoplasma/

ที่มา: Pennisi, 2005


วิทยาการในการสังเคราะห์ดี เอ็นเอย ่อมผลักดันความก้าวหน้าในการประดิษฐ์จีโนมสังเคราะห์เพื่อการสร้างเซลล์ประดิษฐ์ที่มีคุณูปการ อย่างไรก็ตาม การคัดสรรเฉพาะฟังก์ชัน/วิถีที่ต้องการย่อมจะช่วยท�าให้การสังเคราะห์จีโนมง่ายยิ่งขึ้น ซึ่งจะท�าให้ขั้นตอนของการสอดแทรกโมดูลเชิงฟังก์ชันสะดวก สามารถแปรผันไปตามปัจจัย/ข้อจ�ากัดในห้องปฏิบัติการ ดังที่อุปมาไว้แล้วว่าจีโนมสังเคราะห์เปรียบเสมือนระบบปฏิบัติการของคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปการท�างานของจีโนมสังเคราะห์จึงจ�าเป็นต้องอาศัยเฉพาะสภาวะและสับสเทรตที่ก�าหนดไว้ และสามารถเลือกการปฏิบัติการของจีโนมสังเคราะห์แบบกึ่งอัตโนมัติก็ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งควรพิจารณาสร้างจีโนมเชิงอุดมคติที่ไม่ควรมีโมดูลหลากหลายฟังก์ชัน/การประยุกตเ์ป็นองค์ประกอบ ถ้าหากไม่พบเส้นทางการสื่อสารระหว่างจีโนมอย่างง่าย ก็ควรพิจารณาออกแบบ/ประดิษฐ์จีโนมสังเคราะห์ที่เหมาะสมใหม่ ซึ่งอาจจะเริ่มจากการสร้างไวรัสต้นแบบซึ่งเป็นจีโนมสังเคราะห์แบบที่ง่ายที่สุด เพื่อทดสอบภาวะของการติดเชื้อ ดังตัวอย่างของการสังเคราะห์ไวรัสอาร์เอ็นเอจากไวรัสดีเอ็นเอ/Poliovirus cDNA หลังการเพิ่มจ�านวนไวรัสสังเคราะห์ในสารสกัดเซลล์ จากนั้นได้ท�าการทดสอบการติดเชื้อไวรัสในหนูทดลอง พบว่าให้ผลลัพธ์เหมือนกับสายพันธุ์ธรรมชาติ หรือดังตัวอย่างความส�าเร็จของของสร้างจีโนมของแบคทีริโอฟาจ/ fX174 bacteriophage genome (5386 bp) และ T7 bacteriophage genome เป็นต้น

ชีววิทยาสังเคราะห์: จีโนมสังเคราะห์

ชื่อ – สกุล/Name ………………………………………..……. ต�ำแหน่ง/Position ……….…….….......................…………

ชื่อบริษัท/Company Name …………………………………………………………………………………................………

เลขที่/Address ……….... หมู่/Moo ………..……. อำคำร/Tower ………………………..……… ชั้น/Floor …………........

ซอย/Soi …………………..……….. ถนน/Road ……………………………… แขวง/Sub-district ………………..…....….

เขต/District ………………..……….. จังหวัด/Province ……………………… รหัสไปรษณีย์/Post Code ………...…........

โทรศัพท์/Tel.No ……………...…… โทรสำร/Fax No ………………....... อีเมล์/E-mail ……………………..……..............

เว็บไซต์/Website……………………………………………………………………………………………………....….……..

สรรสำระเทคโนโลยีชีวภำพ/เดือนกันยำยน 2554

สมำคมเทคโนโลยีชีวภำพแห่งประเทศไทย (Thai Society for Biotechnology/www.biotech.or.th/tsb) 12

หมายเหตุ: จดัส่งไฟล์ข้อมลู/อาร์ตเวร์ิค เพื่อจัดพิมพ์โฆษณาผ่านทาง E-mail: [email protected] และ

กรุณาส่งใบตอบรับพร้อมหลักฐานการช�าระเงินได้ที่ รศ.ดร.วิรัตน ์ วาณิชย ์ศรีรัตนา ศูนย ์วิจัยเทคโนโลยีการหมัก

ชั้น 2 อาคารอุตสาหกรรมเกษตร 5 เลขที่ 50 ถนนงามวงศ์วาน เขตจตุจักร กรุงเทพฯ 10900 โทรศัพท์ 02-562-5074 ต่อ

5347

สนใจลงโฆษณา สรรสาระเทคโนโลยีชีวภาพ

รายละเอียดโฆษณา (สี) อัตราค่าลงโฆษณา

1 ฉบับ / 6 เดือน 2 ฉบับ / 1 ปี

เต็มหน้ำ ปกหน้ำด้ำนใน

½ หน้ำ ปกหน้ำด้ำนใน

¼ หน้ำ ปกหน้ำด้ำนใน

6,000

3,000

1,500

10,200

5,100

2,550

เต็มหน้ำ ปกหลังด้ำนใน

½ หน้ำ ปกหลังด้ำนใน

¼ หน้ำ ปกหลังด้ำนใน

5,700

2,850

1,425

9,690

4,845

2,420

½ หน้ำ ปกหลัง

¼ หน้ำ ปกหลัง

3,000

1,500

5,100

2,550

เต็มหน้ำ เนื้อใน

½ หน้ำ เนื้อใน

¼ หน้ำ เนื้อใน

5,400

2,700

1,350

9,180

4,590

2,295

รายละเอียดการช�าระเงิน

เงินสด จ�ำนวน ………………………………………………………… บำท (น�ำมำช�ำระที่ศูนย์วิจัยเทคโนโลยีกำรหมัก)

โอนเข้ำบัญชีธนำคำรไทยพำณิชย์ จ�ำกัด (มหำชน) สำขำมหำวิทยำลัยเกษตรศำสตร์ (บำงเขน) ประเภทบัญชีเงิน

ฝำกออมทรพัย์ ชือ่บญัช ีนำยประมขุ ภระกลูสขุสถติย์ และ/หรอื นำงสำวสมุลัลกิำ โมรำกลุ เลขทีบ่ญัช ี235-226626-5

Documents

จากบรรณาธิการ - BIOTEC year 1 no2 sep 2554.pdfacid จะมีคว มขมม กว่ alpha-acid ถึง 9 เท่ จึงเทียบได้ว่