ATP จากไฟฟ้า | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

ก้าวกระโดดของวิวัฒนาการและวิทยาการมนุษย์มักมาพร้อมกับการปฏิวัติ “พลังงาน”

ชีวิตแรกบนโลกในปล่องภูเขาไฟใต้ทะเลลึกใช้พลังงานอย่างกระเบียดกระเสียรจากโมเลกุลอนินทรีย์ที่มีจำกัด หลายร้อยล้านปีหลังจากนั้นสาหร่ายเขียวแกมน้ำเงินเริ่มการสังเคราะห์ด้วยแสงและเปิดทางให้ห่วงโซ่อาหารแบบใหม่ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานจากดวงอาทิตย์

ระบบการหายใจแบบใช้ออกซิเจนที่ถือกำเนิดขึ้นหลังจากนั้นช่วยให้เซลล์เผาผลาญอาหารหมดจดสมบูรณ์และเก็บเกี่ยวพลังงานมากกว่าที่เคยได้อีกหลายสิบเท่า

การปฏิวัติการใช้พลังงานเหล่านี้เปลี่ยนโลกจากดาวเคราะห์แล้งร้างไร้ชีวิตเป็นระบบนิเวศน์ที่คึกคักด้วยพืช สัตว์ จุลินทรีย์ และมนุษย์แทบทุกตารางนิ้วตั้งแต่ขั้วโลกอันหนาวเหน็บถึงทุ่งหญ้ากับป่ารกชัฏเขตร้อนและมหาสมุทรกว้างใหญ่

ประมาณกันว่าระบบนิเวศน์ทั้งโลกใช้และสะสมพลังงานปีละกว่า 1,100,000 เทระวัตต์ชั่วโมง (TWh)

ส่วนมนุษย์นอกจากจะใช้พลังงานจากอาหารที่เรากินเข้าไปแล้ว เรายังไปเสาะแสวงหาแหล่งพลังงานอื่นๆ จากลม กระแสน้ำ ถ่านหิน ปิโตรเลียม นิวเคลียร์ ฯลฯ

พลังงานนอกกายพวกนี้ถูกเอามาใช้ขับเคลื่อนกิจกรรมต่างๆ การเกษตร การก่อสร้าง การขนส่ง การสงคราม ฯลฯ

หมุดหมายสำคัญในประวัติศาสตร์อารยธรรมมนุษย์ล้วนแต่เกี่ยวข้องกับเข้าถึง ใช้ประโยชน์และแย่งชิงแหล่งพลังงาน

มนุษย์ทั้งโลกใช้พลังงานรวมกันปีละประมาณ 160,000 TWh และยังคงเพิ่มขึ้นปีละประมาณ 2%

พลังงานมีหลายรูปแบบ ถ้าเปรียบพลังงานเป็นสินทรัพย์ พลังงานบางรูปแบบก็เป็นสินทรัพย์ที่สภาพคล่องสูงเหมือน “เงินสด” ที่ใช้ง่าย เอาไปแลกเปลี่ยนเป็นสินค้า บริการหรือสินทรัพย์อื่นได้ง่าย ขณะที่พลังงานบางรูปแบบมีสภาพคล่องต่ำเหมือนตึกแถว รถยนต์ เครื่องเพชร หรือนาฬิกาหรู แลกเปลี่ยนเป็นสินค้า บริการหรือสินทรัพย์อื่นได้ยากกว่า แต่ก็อาจจะมีจุดเด่นด่านอื่น เช่น เก็บรักษามูลค่าได้ดีกว่า หรือเอาไปใช้งานเฉพาะทางบางอย่างได้

พลังงานที่เปรียบเสมือนเงินสดในโลกของสิ่งมีชีวิตคือพลังงานเคมีในโมเลกุลชื่อ ATP (adenosine triphosphate) ถือว่าเป็นสกุลเงินหลักแทบจะสกุลเดียวของเซลล์ทุกชนิดบนโลกตั้งแต่จุลินทรีย์ไล่ขึ้นมาถึงมนุษย์

เวลาเซลล์เก็บเกี่ยวพลังงานมาได้ ไม่ว่าจะจากการสังเคราะห์ด้วยแสงหรือการเผาผลาญโมเลกุลอาหารก็จะเก็บพลังงานในรูปโมเลกุลนี้

พอเซลล์จะต้องทำกิจกรรมบางอย่างที่ต้องใช้พลังงานอย่างการขยับเขยื้อนเคลื่อนไหว ขนส่งสารเข้าออกเซลล์ หรือสังเคราะห์โมเลกุลไว้ใช้งาน เซลล์ก็จะ “จ่าย” ค่าพลังงานในรูปแบบ ATP

ในหนึ่งวันร่างกายมนุษย์ใช้จ่ายพลังงานในรูป ATP คิดเป็นมวลพอๆ กับน้ำหนักตัว

ส่วนพลังงานที่เปรียบเสมือนเงินสดในสังคมมนุษย์คือพลังงานไฟฟ้า

เราสามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าไม่ว่าจะจากแหล่งกำเนิดไหนเป็นแสงสว่าง ความร้อน หรือแรงกลในแทบทุกเครื่องมือเครื่องใช้รอบตัวเรา

ประสิทธิภาพการเปลี่ยนรูปพลังงานสูง สูญเสียระหว่างทางน้อย ปรับระดับการใช้พลังงานได้ละเอียด เทียบกับพลังงานกล พลังงานความร้อนหรือพลังงานเคมีในเชื้อเพลิง พลังงานไฟฟ้าใช้งานง่ายกว่า มีสภาพคล่องสูงกว่ามาก

ทั้ง ATP และไฟฟ้าไม่ใช่พลังงานที่เก็บเกี่ยวจากธรรมชาติโดยตรง แต่ว่าทำหน้าที่เป็นตัวกลางที่ทำให้เซลล์สิ่งมีชีวิตหรือมนุษย์แปลงพลังงานที่ได้มาจากแหล่งต่างๆ ไปใช้ในงานได้โดยสะดวก

ทีมวิจัยของโทบีเอส เอิร์บ (Tobias Erb) จากสถาบันมักซ์ พลังก์ (Max Plank Institution) ประเทศเยอรมนีคิดต่อไปอีกขั้นว่าเราน่าจะลองหาวิธีแปลงพลังงานไฟฟ้า (เงินสดจากโลกของพลังงานมนุษย์) เป็น ATP (เงินสดในโลกของพลังงานเซลล์) เพื่อใช้ในงานสังเคราะห์ชีวโมเลกุลต่างๆ ที่เราสนใจ

เซลล์สิ่งมีชีวิตสามารถสังเคราะห์โมเลกุลหลากหลายชนิดรวมทั้งสารอาหาร ยา หรือวัสดุพิเศษอื่นๆ ที่เรายังไม่สามารถผลิตอย่างมีประสิทธิภาพด้วยเคมีสังเคราะห์ในปัจจุบัน

ทางเลือกหนึ่งที่ผ่านมาคือการเอาสิ่งมีชีวิตไม่ว่าจะจากธรรมชาติหรือที่ผ่านการปรับแต่งพันธุกรรมแล้วมาเป็นเครื่องมือในการผลิต

เซลล์สิ่งมีชีวิตได้วัตถุดิบและพลังงานจากสารอินทรีย์ต่างๆ ที่เราป้อนให้มันกิน (เช่น เวลาเราเลี้ยงหมูเลี้ยงวัวด้วยหญ้าเพื่อผลิตนมเนื้อ หรือเลี้ยงแบคทีเรียเลี้ยงยีสต์ด้วยกลูโคสให้หมักได้สารเคมีที่เราต้องการ) หรือไม่ก็จากพลังงานแสงและคาร์บอนไดออกไซด์ (เช่น เวลาเราปลูกพืชหรือเพาะสาหร่าย)

การผลิตโดยอาศัยสิ่งมีชีวิตมีข้อดีคือเซลล์สิ่งมีชีวิตดูแลตัวเองได้ แบ่งตัวเพิ่มจำนวน ซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอ และที่สำคัญคือแปลงพลังงานเป็น ATP ไว้ใช้ประโยชน์ (รวมทั้งการสังเคราะห์สารที่เราอยากได้) โดยอัตโนมัติอยู่แล้ว

แต่ก็มีข้อเสียคือเราวิศวกรรมมันได้ยาก เทียบกับงานวิศวกรรมเคมีปกติ นอกจากเราจะต้องหาทางส่งเครื่องมือต่างๆ ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปปรับแก้ยีนข้างในแล้ว เราก็ยังต้องมากังวลว่าการปรับแก้ต่างๆ ที่ทำไปจะส่งผลต่อการอยู่รอดของเซลล์ขนาดไหน อย่างไรเสียเซลล์ก็ต้องแบ่งทรัพยากรส่วนหนึ่งทั้งพลังงานและมวลสารไปใช้กับการเจริญเติบโต สืบพันธุ์ และรักษาสภาพ ไม่สามารถมาทุ่มเทให้กับการสังเคราะห์สารที่เราสนใจได้เต็มที่

ดังนั้น อีกทางเลือกหนึ่งก็คือการสร้างระบบชีวเคมีที่เลียนแบบกลไกต่างๆ ในเซลล์เฉพาะส่วนที่เราต้องใช้งานแต่ว่าไม่ต้องมีเซลล์จริงๆ อยู่ ในวงการชีวสังเคราะห์เรียกระบบแบบนี้ว่า “Cell-free System (CFS)” อาจจะได้จากการแกะเอาแต่ไส้ในของเซลล์มาใช้โดยไม่ต้องเอาเยื่อหุ้มเซลล์มาด้วย หรือไม่ก็ได้จากการเอาเอนไซม์ แร่ธาตุ สารอาหารที่จำเป็นมาประกอบรวมกันเพื่อเลียนแบบสภาวะในเซลล์ ที่ผ่านมาเราสามารถใช้ CFS ในการแสดงออกยีนจากชิ้นดีเอ็นเอ ผลิตโปรตีน เอนไซม์ และสังเคราะห์โมเลกุลหลายๆ อย่างที่เซลล์ทำ เทียบกับการใช้เซลล์เป็นๆ แล้ว ระบบนี้ให้อิสระกับเรามากกว่าในการจะไปปรับเปลี่ยนส่วนประกอบต่างๆ ของปฏิกิริยาสังเคราะห์เพื่อให้ได้ผลผลิตออกมาสูงสุด

แต่ว่าหนึ่งในข้อจำกัดของ CFS ก็คือมันเติมพลังงานให้ตัวเองไม่ได้ เราต้องเติมพลังงานให้มันผ่านการให้สารพลังงานสูงที่ใช้ง่ายๆ อย่าง ATP ซึ่งสารพวกนี้ราคาสูงและความเสถียรต่ำ

ส่วนถ้าจะให้อาหารธรรมดาถูกๆ อย่างกลูโคสให้ไปเผาผลาญเป็น ATP เอง CFS ก็ไม่มีกลไกครบสมบูรณ์พอที่จะทำได้อย่างเซลล์

ทีมวิจัยจากมักซ์พลังก์เสนอไอเดียว่าถ้างั้นเราน่าจะหาทางชาร์ตพลังให้ CFS เรื่อยๆ โดยการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานใน ATP โดยตรง

ถ้าเรานิยามว่าไฟฟ้าคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน การผลิต ATP ส่วนมากในเซลล์ทั่วไปก็ถือได้ว่าใช้พลังงานไฟฟ้ากลายๆ อยู่แล้วโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนบนเยื่อหุ้ม (membrane) อาจจะเป็นเยื่อหุ้มเซลล์หรือเยื่อหุ้มอวัยวะในเซลล์ (เช่น ไมโตคอนเดรียหรือคลอโรพลาส) แล้วแต่ชนิดของเซลล์ ปัญหาคือเป็นเรื่องยากมากที่จะประกอบเยื่อหุ้มแบบนี้ในระบบ CFS ให้มีทั้งเอนไซม์และโมเลกุลต่างๆ ครบถ้วน ปริมาณเหมาะสม จัดเรียงกันถูกตำแหน่ง ฯลฯ ไหนจะต้องคิดเรื่องการเชื่อมต่อแหล่งพลังงานไฟฟ้าภายนอกของกับเยื่อหุ้มอีก

ทีมวิจัยก็เลยต้องไปหากลไกอื่นที่สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากการเคลื่อนที่อิเล็กตรอนในรูป ATP แต่ว่าไม่ต้องอาศัยเยื่อหุ้มในการทำงาน สุดท้ายมาลงเอยที่ระบบสังเคราะห์ชื่อ Acid/Aldehyde ATP Cycle (AAA Cycle) ระบบนี้ประกอบขึ้นจากเอนไซม์สี่ชนิด (AOR, PduP-NP, Pta, TdcD) จากแบคทีเรียสามสปีชีส์ (Aromatoleum aromaticum, Rhodopseudomonas palustris, Escherichia coli) แบคทีเรียพวกนี้อยู่กันคนละที่ และเอนไซม์ที่เอามาใช้ก็ไม่ได้ทำงานด้วยกันเลยตามธรรมชาติ

AAA Cycle มีโมเลกุลรับส่งอิเล็กตรอนหลักเป็นสารกลุ่มแอลดีไฮด์ (propinaldehyde) และกรดอินทรีย์ (propionate) แอลดีไฮด์จ่ายอิเล็กตรอนออกไป คายพลังงานมาระหว่างทางสำหรับสร้าง ATP และได้กรดอินทรีย์เป็นผลผลิต กรดอินทรีย์สามารถไปรับอิเล็กตรอนและพลังงานเพื่อย้อนกลับไปเป็นแอลดีไฮด์อีกรอบเป็นวัฏจักรวนเวียนไป

นอกจาก ATP แล้ววัฏจักรนี้ยังให้ตัวจ่ายอิเล็กตรอนพลังงานสูง (NADPH) ที่ระบบ CFS สามารถจะเอาไปใช้ในการสังเคราะห์สารอื่นๆ อีกด้วย

เอนไซม์ทั้งสี่ตัวทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาแต่ละขั้นตอนในวัฏจักรนี้ บางตัวก็ถูกดัดแปลงหรือใช้งานต่างจากหน้าที่เดิมตามธรรมชาติ อย่างเอนไซม์ AOR (oxidoreductase จาก A. aromaticum) ที่ปกติเปลี่ยนกรดอินทรีย์กลับเป็นแอลดีไฮด์ด้วยอิเล็กตรอนที่รับจากโปรตีนเฟอโรด็อกซิน (ferrodoxin) ก็ถูกให้มารับอิเล็กตรอนจาก hexamethyl viologen (HMV) แทน

สารตัวนี้ปกติถูกใช้เป็นตัวรับส่งอิเล็กตรอนงานเคมีอุตสาหกรรมและสามารถใช้รับส่งอิเล็กตรอนจากขั้วไฟฟ้าโดยตรง

เมื่อทีมวิจัยเชื่อมต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเข้ากับระบบ CFS ที่มี AAA Cycle ก็สามารถผลิต ATP ออกมาได้ต่อเนื่องหลายชั่วโมง (จากสารตั้งต้นพลังงานต่ำ ADP และฟอสเฟสอิสระ) ไม่เพียงเท่านั้นทีมวิจัยยังสามารถเติมเอนไซม์และสารตั้งต้นอื่นๆ ให้ระบบเอา ATP ไปใช้งานต่อ เช่น เติมหมู่ฟอสเฟสให้กลูโคสได้สารพลังงานสูง (glucose-6-phosphate) ที่สามารถเอาไปใช้ต่อในการสังเคราะห์แป้ง หรือให้พลังงานกับกระบวนการถอดและแปรรหัสพันธุกรรม (transcription, translation) จากดีเอ็นเอมาเป็นโปรตีน

ทีมวิจัยประเมินค่าประสิทธิภาพการผลิต ATP ด้วยวิธีนี้ได้ที่ 17% แม้ว่าจะยังห่างชั้นกับการผลิต ATP จากกลูโคสในเซลล์ซึ่งมีค่าประสิทธิภาพอยู่ที่ราวๆ 38% แต่อย่าลืมว่ายังมีอีกหลายส่วนในปฏิกิริยาทั้งชนิดความเข้มข้น และกลไกระดับโมเลกุลของเอนไซม์และสารตั้งต้นที่เรายังอาจจะปรับแก้อัพเกรดให้ดีขึ้นได้อีก

ด้วยความที่ไฟฟ้าคือพลังงานสภาพคล่องสูงฝั่งมนุษย์ และ ATP คือพลังงานสากลฝั่งสิ่งมีชีวิต นั่นแปลว่าต่อไปนี้เราสามารถเชื่อมต่อแหล่งพลังงานไฟฟ้าใดๆ ไม่ว่าจะจากนิวเคลียร์ ลม แสงแดด ถ่านหิน เขื่อน น้ำมัน ฯลฯ สู่การใช้งานสังเคราะทางชีวเคมีใดๆ ที่ขับเคลื่อนได้ด้วย ATP

การปฏิวัติพลังงานสำหรับก้าวกระโดดต่อไปของวิวัฒนาการและวิทยาการมนุษย์อาจจะอยู่ไม่ไกลแล้ว