จิ๋วแต่แจ๋ว กับจุลินทรีย์สารพัดประโยชน์

ในอดีตคนส่วนใหญ่มักรู้จักจุลินทรีย์ในนามของเชื้อโรคที่ฟังดูน่ากลัวและเป็นอันตรายต่อสุขภาพและชีวิตของมนุษย์ แต่ในอีกแง่หนึ่งเราสามารถใช้ประโยชน์จากจุลินทรีย์ได้ โดยนำมาใช้ในกระบวนการเทคโนโลยีชีวภาพเนื่องจากจุลินทรีย์มีขนาดเล็ก ต้องการพื้นที่ในการเลี้ยงไม่มาก แถมยังเจริญเติบโตและแบ่งตัวได้อย่างรวดเร็ว จึงสามารถนำจุลินทรีย์มาทำเป็นโรงงานผลิตผลิตภัณฑ์ที่มนุษย์ต้องการได้จำนวนมากภายในระยะเวลาอันรวดเร็วและก่อให้เกิดประโยชน์ในด้านต่างๆ มากมาย ไม่ว่าจะเป็นด้านการเกษตร อาหาร การแพทย์ และสิ่งแวดล้อม

จุลินทรีย์ช่วยกำจัดศัตรูพืช

ศัตรูพืชมีทั้งแมลงศัตรูพืช และจุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรค ตัวอย่างแมลงศัตรูพืช เช่น หนอนเจาะสมอฝ้าย หนอนใยผัก และหนอนกออ้อย จุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรคพืชมีทั้งที่เป็นเชื้อราและแบคทีเรีย เช่น เชื้อราที่ทำให้เกิดโรคไหม้ในข้าว และโรคเหี่ยวในมะเขือเทศ เป็นต้น สารเคมีที่ใช้ในการกำจัดศัตรูพืชจึงมีทั้งสารเคมีฆ่าแมลง และสารเคมียับยั้งเชื้อรา โดยทั่วไปในระบบนิเวศวิทยาที่สมดุล ศัตรูพืชมักถูกควบคุมหรือมีศัตรูตามธรรมชาติอยู่แล้ว

ตัวอย่างเช่น หนอนกออ้อยจะถูกควบคุมด้วยแตนเบียน หรือราแมลงซึ่งเป็นเชื้อราที่ทำให้เกิดโรคในแมลงและทำให้แมลงตาย การนำสิ่งมีชีวิตหรือผลิตภัณฑ์จากสิ่งมีชีวิตที่มีอยู่ในธรรมชาติเหล่านี้ มาเพาะเลี้ยงและนำกลับไปใช้ในการควบคุมศัตรูพืช เรียกว่าการใช้ชีวินทรีย์ ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อลดหรือควบคุมประชากรศัตรูพืช ให้อยู่ในระดับที่ไม่ก่อให้เกิดผลกระทบกับพืช

ไข่ไส้เดือนฝอยที่ถูกเชื้อราเข้าทำลาย

ตัวอย่างจุลินทรีย์ที่นำมาใช้ในการกำจัดศัตรูพืช เช่น บาซิลลัส ทูรินเจนสีต (บีที) ซึ่งสามารถสร้างสารพิษหรือผลึกโปรตีนที่มีฤทธิ์ในการทำลายแมลง เมื่อแมลงกินเข้าไปจะทำให้แมลงเกิดอาการชาไม่สามารถขยับเขยื้อนไปหาอาหารได้และตายในที่สุด หรือการใช้เชื้อราเพซิลโลมัยซีส ไลลาซินัส ในการกำจัดไส้เดือนฝอย ซึ่งเป็นศัตรูของพืชเศรษฐกิจที่สำคัญหลายชนิด เช่น มันฝรั่ง มะเขือเทศ ปทุมมา และกล้วยไม้ เชื้อรานี้สามารถเข้าทำลายไข่ไส้เดือนฝอยรากปมได้ดี

นอกจากนี้ยังมีผลิตภัณฑ์แบคทีเรีย Bacillus megaterium ซึ่งเป็นปฏิปักษ์ต่อเชื้อราโรคกาบใบแห้งของข้าวด้วยการสร้างสารปฏิชีวนะที่มีผลยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อราโรคกาบใบแห้ง เป็นต้น

จุลินทรีย์ผู้ช่วยเลี้ยงสัตว์

ประโยชน์ของจุลินทรีย์ทางด้านการเลี้ยงสัตว์นั้น จุลินทรีย์ช่วยในการผลิตอาหารสัตว์ให้มีคุณภาพสม่ำเสมอและสามารถเก็บไว้ใช้ในยามที่ขาดแคลนได้ เช่นการทำหญ้าหมัก ซึ่งเป็นพืชอาหารสัตว์ที่ถูกเก็บเกี่ยวในขณะที่ยังสดและมีความชื้นพอเหมาะเพื่อนำไปหมักโดยแบคทีเรียในสภาพที่ไม่มีอากาศ และเก็บถนอมไว้ในสภาพหมักดอง ช่วยแก้ปัญหาด้านอาหารสัตว์ขาดแคลน โดยเฉพาะในช่วงฤดูแล้ง

นอกจากนี้ยังมีการนำจุลินทรีย์มาใช้ในการพัฒนาสารเสริมชีวนะหรือโปรไบโอติก ซึ่งเป็นสารช่วยเร่งการเจริญเติบโตและสร้างภูมิคุ้มกันโรคในสัตว์ได้ดี ตัวอย่างเช่น การผลิตอาหารเสริมชีวภาพแบบหมักซึ่งมักจะใช้อาหารแข็ง คือธัญพืช อาทิ กากถั่วเหลือง รำข้าว ปลายข้าว และข้าวโพดโม่ มาหมักกับจุลินทรีย์ บาซิลลัส ซับทิลิส

เมื่อนำธัญพืชหมักไปใช้เลี้ยงสุกรพบว่าสุกรมีสุขภาพแข็งแรง ผลผลิตเนื้อสุกรดีขึ้นทั้งด้านปริมาณและคุณภาพ เมื่อเทียบกับสุกรที่กินธัญพืชสด เนื่องจากสารอาหารในธัญพืชหมักอยู่ในรูปที่ถูกย่อยแล้วบางส่วนทำให้สุกรนำไปประโยชน์ใช้ได้ดีขึ้น

จุลินทรีย์กับการแพทย์

อเล็กซานเดอร์ เฟลมมิง เป็นผู้ค้นพบว่าจุลินทรีย์พวกราเพนนิซิลเลียมสร้างสารปฏิชีวนะยังยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย สารปฏิชีวนะที่ค้นพบคือ เพนนิซิลลิน โดยในปี ค.ศ. 1945 (พ.ศ. 2488) เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ ร่วมกับแอร์นส์ บอริส ไชนและโฮเวิร์ด วอลเตอร์ ฟลอรีย์ ในการค้นพบเพนนิซิลลินนี่เอง และในปัจจุบันมีการค้นพบยาปฏิชีวนะมากมายหลายชนิดจากจุลินทรีย์

ซึ่งนอกจากจุลินทรีย์จะถูกนำมาใช้เป็นตัวกลางหรือโรงงานในการผลิตสารที่จำเป็นบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับทางการแพทย์และการรักษาโรคแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังมีความพยายามในการทำวิจัยเพื่อให้เข้าใจการดำรงชีวิตของจุลินทรีย์ที่ก่อโรคหลายชนิด

ภาพแบบโครงสร้างผลึกเอนไซม์ดีเอชเอฟอาร์ในเชื้อพลาสโมเดียม ชนิดฟาลซิปารัม และ ชนิดไวแวกซ์
โดยแสดงการเปรียบเทียบการจับของยาไพริเมธามีนที่ตำแหน่งออกฤทธิ์ของเอนไซม์ ดีเอชเอฟอาร์ของเชื้อพลาสโมเดียม ฟาลซิปารัม ที่กลายพันธุ์จนทำให้จับกันได้ไม่แน่น และเป็นเหตุให้เชื้อดื้อยา ได้พบว่าเชื้อประเภทไวแวกซ์ ก็มีการดื้อยาด้วยกลไกคล้ายคลึงกัน

ตัวอย่างเช่น โรคมาลาเรียหรือโรคไข้จับสั่น ที่เกิดจากเชื้อปรสิตเซลล์เดียวชื่อ พลาสโมเดียม ซึ่ง ศ.ดร.ยงยุทธ ยุทธวงศ์ จากศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ (ไบโอเทค) ร่วมกับคณะวิทยาศาสตร์ และ คณะเวชศาสตร์เขตร้อน มหาวิทยาลัยมหิดล และ มหาวิทยาลัยเอดินเบอร์ก ประเทศอังกฤษ ได้ศึกษาเอนไซม์ไดไฮโดรโฟเลตรีดัคเตส หรือเรียกย่อๆ ว่า ดีเอชเอฟอาร์ ซึ่งมีความสำคัญต่อการดำรงชีวิตของเชื้อมาลาเรีย

รวมทั้งศึกษากลไกและวิวัฒนาการการดื้อยาของเชื้อ พลาสโมเดียม และพบว่าการดื้อยาของเชื้อพลาสโมเดียม เกิดขึ้นเนื่องจากการกลายพันธุ์ของยีนสำหรับสร้างเอนไซม์ดีเอชเอฟอาร์ ส่งผลกระทบต่อการจับระหว่างเอนไซม์กับโมเลกุลของยา ทำให้ประสิทธิภาพของยาไพริเมธามีนในการฆ่าเชื้อมาลาเรียลดลง

ซึ่งการศึกษาโครงสร้างผลึกของเอนไซม์ดีเอชเอฟอาร์ และการพบการเปลี่ยนแปลงตรงบริเวณที่จับกับยาของเชื้อดื้อยานี้ มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะสามารถนำความแตกต่างที่พบนี้ ไปใช้ในการออกแบบยา หรือสารยับยั้งเอนไซม์ เพื่อพัฒนาเป็นยาต้านมาลาเรียชนิดดื้อยาในที่สุด

จุลินทรีย์กับอาหาร

แลกโตบาซิลลัส

มนุษย์ใช้ประโยชน์จากจุลินทรีย์ในการทำอาหารมาเป็นเวลานานกว่า 7000 ปีแล้ว เช่นการใช้ยีสต์ทำไวน์ เบียร์ของชาวบาลิโลเนียนและสุมาเลีย การนำยีสต์มาทำขนมปังของชาติอียิปต์ในสมัยโบราณ และการใช้แบคทีเรียแลคติกถนอมอาหารจำพวกนม ผัก ผลไม้ เป็นต้น

จุลินทรีย์มีบทบาทสำคัญในการเร่งกระบวนการผลิต เพิ่มคุณค่าของอาหาร รวมทั้งการควบคุมคุณภาพให้ได้ตามมาตรฐาน นักวิทยาศาสตร์จึงพัฒนาวิธีการผลิตต้นเชื้อจุลินทรีย์ที่มีประโยชน์ให้ได้ปริมาณมากโดยใช้อาหารเลี้ยงราคาถูก และใช้เทคโนโลยีการผลิตที่ทำให้ได้ต้นเชื้อจุลินทรีย์ที่สะดวกต่อการใช้งาน สามารถเก็บไว้ได้นาน

ตัวอย่างเช่น การทำแหนม ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์อาหารหมักพื้นบ้าน การผลิตแหนมโดยทั่วไปอาศัยจุลินทรีย์ที่ติดมากับวัตถุดิบ จึงใช้เวลาผลิตค่อนข้างนาน คุณภาพของผลิตภัณฑ์ไม่สม่ำเสมอ และมีความเสี่ยงจากจุลินทรีย์ก่อโรคชนิดต่างๆ นักวิทยาศาสตร์จึงพัฒนาสูตรต้นเชื้อจุลินทรีย์เพื่อใช้ในกระบวนการหมักแหนมให้มีคุณภาพด้านสี กลิ่น รสที่ดี และมีความปลอดภัยต่อผู้บริโภค ช่วยให้ผลิตผลิตภัณฑ์แหนมได้อย่างสม่ำเสมอและปลอดภัย ใช้เวลาผลิตสั้นลง

อีกตัวอย่างของการใช้ประโยชน์จากจุลินทรีย์ในการผลิตอาหารคือ อูมามิ (Umami) ซึ่งเป็นสารให้รสชาติจากธรรมชาติ ใช้เป็นสารปรุงแต่งในอาหาร ช่วยกระตุ้นประสาทสัมผัสทําให้รู้สึกว่าอาหารอร่อย จัดอยู่ในกลุ่มสารประกอบไรโบนิวคลีโอไทด์ พบในธรรมชาติเช่น เนื้อสัตว์ ผัก และผลไม้

อูมามิมีรสชาติเป็นที่ยอมรับในวงการอาหารระดับสากลว่ามีเอกลักษณ์พิเศษจากรสอื่น ๆ นอกเหนือจากรสเปรี้ยว หวาน เค็ม และขม ซึ่งทำให้อาหารมีรสชาติอร่อยยิ่งขึ้น นักวิจัยจากศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ (ไบโอเทค) ร่วมกับภาคเอกชน ได้พัฒนากระบวนการผลิตสารปรุงรสอูมามิ จากการหมักถั่วเหลืองด้วยภูมิปัญญาไทย โดยพัฒนาการผลิตสารปรุงรสอูมามิจากการหมักถั่วเหลืองแบบกึ่งแห้ง (Solid state fermentation) ซึ่งใช้จุลินทรีย์สายพันธุ์ภายในประเทศและการอบแห้ง โดยพัฒนากระบวนการผลิตในระดับโรงงานต้นแบบ ผลิตภัณฑ์อูมามิที่ได้มีกลิ่นดี มีปริมาณกลูตาเมตสูง และต้นทุนการผลิตต่ำกว่าการผลิตแบบอาหารเหลว ในขณะที่คุณภาพของผลิตภัณฑ์เป็นที่ยอมรับของผู้บริโภค เหมาะสำหรับใช้เป็นเครื่องปรุงรสในผลิตภัณฑ์อาหารแปรรูปอื่นๆ ต่อไป

นอกจากประโยชน์ของจุลินทรีย์ที่กล่าวมาข้างต้น ไม่ว่าจะเป็นประโยชน์ในเรื่องการกำจัดศัตรูพืช การเลี้ยงสัตว์ การแพทย์ และการทำอาหาร จุลินทรีย์ยังมีบทบาทสำคัญในการรักษาสิ่งแวดล้อม เช่นจุลินทรีย์กำจัดคราบน้ำมัน จุลินทรีย์กำจัดขยะ จุลินทรีย์ผลิตปุ๋ยหมัก จุลินทรีย์ผลิตพลาสติกชีวภาพ หรือแม้แต่การผลิตพลังงานชีวภาพ ซึ่งเราจะเห็นว่าจุลินทรีย์สิ่งมีชีวิตเล็กๆ เหล่านี้มีประโยชน์ต่อมนุษย์มากมายมหาศาล สมกับคำว่าจุลินทรีย์ จิ๋วแต่แจ๋วจริงๆ