ไซยาโนแบคทีเรียขนาดจิ๋วแต่ทรงพลังจำนวนหลายสิบล้านตัวในมหาสมุทรสร้างไฮโดรคาร์บอนคล้ายดีเซลในปริมาณมหาศาล ทีมนักวิจัยต้องการทราบว่าเหตุใด
เมื่อพวกมันสืบพันธุ์หรือตาย แบคทีเรียสังเคราะห์แสงที่เรียกว่าไซยาโนแบคทีเรียจะปล่อยไฮโดรคาร์บอนเหลวหลายร้อยล้านตันสู่มหาสมุทรทุกปี โชคดีสำหรับระบบนิเวศที่กว้างขึ้น สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวอื่นๆ สามารถกลืนสารประกอบเหล่านี้ส่วนใหญ่ได้อย่างรวดเร็วก่อนที่จะถึงพื้นผิว
ไฮโดรคาร์บอนเหล่านี้ เรียกว่าอัลเคน มีลักษณะทางเคมีคล้ายกับดีเซล ถ้าแบคทีเรียตัวอื่นไม่กินสารประกอบนี้ ไซยาโนแบคทีเรียจะทำให้เกิดการรั่วไหลของน้ำมันได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างแม่นยำสิ่งที่อัลเคนเหล่านี้ทำในร่างกายของไซยาโนแบคทีเรีย—และเหตุใดไซยาโนแบคทีเรียที่รู้จักทุกสายพันธุ์จึงผลิตพวกมันขึ้นมา—เป็นเรื่องลึกลับ และเป็นหนึ่งในกลุ่มนักวิจัยจากสหสาขาวิชาชีพระดับนานาชาติที่อุทิศตนเพื่อการคลี่คลาย
นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าการดำน้ำลึกในโลกของการผลิตไฮโดรคาร์บอนด้วยกล้องจุลทรรศน์อาจนำไปสู่การผลิตพลาสติกและเชื้อเพลิงชีวภาพที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่เกิดจากแบคทีเรีย ซึ่งจะเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมได้ง่ายกว่าการสกัดเชื้อเพลิงฟอสซิล
David Lea-Smith นักจุลชีววิทยาที่มหาวิทยาลัย East Anglia ในอังกฤษ เป็นผู้นำทีม โครงการนี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาของเขาที่เผยให้เห็นขนาดที่แท้จริงของ การผลิต และการบริโภคไฮโดรคาร์บอนโดยจุลินทรีย์ในทะเล
จากงานวิจัยดังกล่าว ไซยาโนแบคทีเรียที่ผลิตไฮโดรคาร์บอนเป็นหนึ่งในสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้มากที่สุดในโลก ในช่วงเวลาใดก็ตาม มหาสมุทรสามารถกักเก็บProchlorococcus ได้มากถึง 3 octillion และ Synechococcus 700 septillion Lea-Smith กล่าว ไซยาโนแบคทีเรียสองสกุลนี้ผลิตอัลเคนได้ระหว่าง 300 ถึง 800 ล้านตันต่อปี “พวกมันต้องสร้างมันขึ้นมาด้วยเหตุผลสำคัญ” เขากล่าว
นักวิทยาศาสตร์ยังคงหาคำตอบว่าเหตุผลนี้คืออะไร แต่สมมติฐานหลักของพวกเขา ส่วนหนึ่งจากผลงานของสมาชิกในทีมและนักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยโอ๊คแลนด์ เจน อัลลิสัน ก็คืออัลเคนป้องกันไม่ให้ผนังเซลล์ของไซยาโนแบคทีเรียมีขนาดใหญ่และแข็ง ซึ่งทำให้ ยากที่เซลล์จะแตกออกเมื่อถึงเวลาสืบพันธุ์
Allison ได้ข้อสรุปนี้จากการทดลองโดยใช้โปรแกรมสร้างแบบจำลองโมเลกุลที่เรียกว่าGromacsซึ่งช่วยให้เธอทดสอบว่าไฮโดรคาร์บอนและโมเลกุลอื่นๆ ในผนังเซลล์ของไซยาโนแบคทีเรียมีปฏิกิริยาต่อระดับสารเคมีอย่างไร ในชีวิตจริง ปฏิกิริยาเกิดขึ้นภายในสองสามร้อยนาโนวินาทีและในระดับสองสามร้อยนาโนเมตร แต่โปรแกรมทำให้การจำลองเหตุการณ์ทั้งหมดถูกต้องด้วยสายตามนุษย์
“สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งที่คุณไม่สามารถสังเกตได้ แม้แต่ด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่น่าทึ่ง มันเล็กเกินไป” แอลลิสันกล่าว
จนถึงตอนนี้ การสร้างแบบจำลองสนับสนุนสมมติฐานของทีม ดูเหมือนว่าเซลล์จะมีปัญหาในการแยกออกโดยไม่มีอัลเคน
Pauli Kallio นักชีววิทยาพืชระดับโมเลกุลที่มหาวิทยาลัย Turku ในฟินแลนด์ ไม่ต้องสงสัยเลยว่าอัลเคนช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นให้กับเยื่อหุ้มเซลล์ แต่เขาไม่มั่นใจว่านี่คือหน้าที่หลักของพวกเขา เขาเชื่อว่าความยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้นนี้น่าจะเป็นผลข้างเคียงมากกว่าเหตุผล ของไฮโดรคาร์บอน
เนื่องจากไซยาโนแบคทีเรียสังเคราะห์แสงและความซับซ้อนของกระบวนการในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว Kallio เชื่อว่าสารไฮโดรคาร์บอนมีบทบาทในความสามารถของไซยาโนแบคทีเรียในการทำอาหารด้วยตนเอง บางทีอัลเคนอาจจำเป็นสำหรับการรักษาส่วนต่าง ๆ ของเซลล์ที่รับผิดชอบในการสังเคราะห์ด้วยแสง แม้ว่าห้องทดลองของ Kallio ได้ศึกษาแบคทีเรียของลายทางมาหลายปีแล้ว แต่ก็ยังมีสิ่งแปลกปลอมอีกมากมาย เขากล่าว
นอกจากการสำรวจกระบวนการทางเคมีพื้นฐานภายในเซลล์แล้ว แอลลิสันยังใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อทดสอบว่าไซยาโนแบคทีเรียอาจได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอย่างไร เมื่อใช้ Gromacs เธอสามารถปรับปัจจัยแวดล้อม เช่น อุณหภูมิ ความเป็นกรด และความดัน และสังเกตว่าสิ่งมีชีวิตตอบสนองอย่างไร
แบบจำลองนี้แสดงให้เห็นว่าการให้ความร้อนเพียงไม่กี่องศาเซลเซียสสามารถเปลี่ยนเยื่อหุ้มเซลล์ของไซยาโนแบคทีเรีย ซึ่งปกติจะมีความหนืดและเจลาตินัสให้กลายเป็นของเหลวเกือบ ยังไม่ทราบว่าสิ่งนี้จะส่งผลต่อความอยู่รอดของพวกเขาอย่างไร ตัวอย่างเช่น ความเสถียรที่ลดลงอาจทำให้สูญเสียรูปร่างและมีปัญหาในการสืบพันธุ์ อีกทางหนึ่ง ความอบอุ่นและความยืดหยุ่นที่เพิ่มเข้ามาอาจทำให้การสืบพันธุ์ง่ายขึ้น
อย่างไรก็ตาม หากโชคดี การวิจัยเกี่ยวกับแนวโน้มของไซยาโนแบคทีเรียในการผลิตไฮโดรคาร์บอน อาจทำให้คำถามเกี่ยวกับความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับโลกร้อนที่ค่อนข้างจะสงสัย นอกเหนือจากการศึกษาชีววิทยาพื้นฐานของจุลินทรีย์แล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังมองหาวิธีนำพวกมันไปใช้งาน
Viji Sitther นักชีววิทยาจาก Morgan State University ในบัลติมอร์ซึ่งไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับทีมของ Lea-Smith ได้ดัดแปลงพันธุกรรมของไซยาโนแบคทีเรีย (โดยเฉพาะFremyella diplosiphon ) โดยหวังว่าจะสามารถเก็บเกี่ยวไฮโดรคาร์บอนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
การเปลี่ยนไปใช้ทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมนี้เป็นขั้นตอนสำคัญในการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของเชื้อเพลิงฟอสซิล Sitther กล่าว แต่กระบวนการเก็บเกี่ยวไฮโดรคาร์บอนจากไซยาโนแบคทีเรียนั้นต้องการพลังงานจำนวนมาก นอกจากนี้ การปนเปื้อนด้วยสาหร่ายและแบคทีเรียอื่นๆ ทำให้ผลผลิตลดลง การเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเคมีในเยื่อหุ้มเซลล์อาจนำไปสู่วิธีที่สะอาดกว่าและประหยัดพลังงานมากขึ้นในการสกัดอัลเคนที่มีประโยชน์
แม้ว่าอัลเคนที่คล้ายน้ำมันดีเซลจะผลิตโดยไซยาโนแบคทีเรียเท่านั้น แต่ทีมของ Lea-Smith เชื่อว่าจุลินทรีย์อื่นๆ รวมทั้งยีสต์บางชนิด กำลังผลิตไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ อีกเป็นจำนวนมาก ในอนาคต เขาและเพื่อนร่วมงานจะค้นหาการมีอยู่และจุดประสงค์ของสารประกอบเหล่านี้ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวจำนวนมาก
ยังคงเป็นวันแรกสำหรับโครงการ แต่มีแนวโน้มว่างานจะมีการใช้งานทั้งทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมที่ทีมยังไม่ได้คิด เมื่อผลลัพธ์เริ่มไหลเข้ามา ทีมงานของ Lea-Smith จะถ่ายทอดความรู้ของพวกเขาไปยังผู้ที่ทำงานในสาขาที่อาจได้รับประโยชน์จากข้อมูลเชิงลึกของพวกเขาในโลกขนาดเล็กนี้
