นักวิทยาศาสตร์ไขความลับแบคทีเรียที่ว่ายน้ำได้โดยไม่ต้องใช้หาง

การว่ายน้ำอาจไม่ใช่เรื่องแปลก แบคทีเรียและสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินอื่นๆ ก็ว่ายน้ำได้โดยการสะบัดระยางค์คล้ายหางที่เรียกว่า "flagellum" แต่ Synechococcus ไม่มีหาง ไม่มีแขน ไม่มีขา ไม่มีระยางค์อะไรเลย ลองจินตนาการเทียบว่าพรุ่งนี้คุณไปว่ายน้ำที่สระข้างบ้านแล้วภาพที่อยู่ตรง หน้าคุณคือ คนแขนขาด้วนว่ายน้ำด้วยความเร็ว 25 เมตรต่อวินาที (90 กม./ชม.) เต็มทั้งสระ! คิดดูว่ามันน่าแปลกใจขนาดไหน?
(ผมมีแขนขาครบยังว่ายน้ำไม่เป็นเลย ยังไม่มีแฟนด้วย --- ไม่เกี่ยวกับข่าวเท่าไร แค่อยากบอก)

เพื่อที่จะไขความลับของ Synechococcus ทีมวิจัยที่นำโดย George Oster แห่ง University of California ใน Berkeley และ Kurt Ehlers แห่ง Truckee Meadows Community College ได้หันความสนใจไปที่แบคทีเรียอีกชนิดที่ชื่อว่า Myxococcus xanthus

Myxococcus xanthus เป็นแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในดิน แม้ว่ามันจะไม่ต้องว่ายน้ำ (เพราะไม่มีน้ำให้ว่าย) แต่มันก็สามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยการไถลไปตามพื้นผิวโดยไม่ใช้ flagellum (เพราะว่ามันไม่มี flagellum)

การไถลของ Myxococcus xanthus อาศัยแรงผลักที่เกิดจากการบิดของเกลียวโปรตีนที่อยู่ข้างในเซลล์ เกลียวโปรตีนที่ว่าวางตัวเป็นแนวยาวตลอดความยาวของเซลล์ (คล้ายกับแท่งเกลียวหมุนๆ ที่วางอยู่หน้าร้านตัดผม) พอจะเคลื่อนที่ Myxococcus xanthus ก็จะผลักมอเตอร์โปรตีนขนาดเล็กๆ ที่วางอยู่ระหว่างเกลียวโปรตีนกับผนังเซลล์ชั้นใน ทำให้เกลียวโปรตีนหมุน และการหมุนนี้เองที่ส่งผลให้เกิดคลื่นบนผนังเซลล์ชั้นนอก วิ่งจากหัวเซลล์ไปท้ายเซลล์ สร้างเป็นแรงผลักดันตัวแบคทีเรียไปข้างหน้า (doi:10.1073/pnas.1018556108)

นักวิจัยสันนิษฐานว่า Synechococcus ก็คงว่ายน้ำด้วยวิธีที่คล้ายกับการไถลของ Myxococcus xanthus เนื่องจากมีงานวิจัยก่อนหน้าแสดงให้เห็นว่า Synechococcus ว่ายน้ำไม่ได้เมื่อเอาโปรตีน SwmA ที่อยู่บนผนังเซลล์ชั้นนอกออก (J. Molec. Microbiol. Biotechnol. (1999) 1(1): 59-62)

พวกเขาจึงลองสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ขึ้นมาดูว่า เซลล์ทรงกระบอกขนาดเท่าๆ กับ Synechococcus จะต้องหมุนเกลียวที่อยู่ข้างในด้วยความเร็วเท่าไรถึงจะเกิดแรงผลักเพียงพอให้มันว่ายน้ำได้

ผลจากแบบจำลองสรุปได้ว่า Synechococcus สามารถว่ายน้ำได้ด้วยการหมุนเกลียวโปรตีนเพียง 186 รอบต่อวินาทีเท่านั้น ตรงนี้อาจจะฟังดูเหมือนเยอะแต่มอเตอร์โปรตีนของ flagellum ในแบคทีเรียสามารถหมุน 200-300 รอบได้สบายๆ เคยมีรายงานว่าหมุนได้ถึง 1,700 รอบต่อวินาทีด้วยซ้ำ (doi:10.1038/371752b0) ฉะนั้นแล้ว 186 รอบต่อวินาทีก็คงไม่ใช่เรื่องยากอะไรนัก

เกลียวที่หมุนด้วยความเร็ว 186 รอบต่อวินาทีจะทำให้เกิดคลื่นที่มีความเร็ว 73 ไมโครเมตรต่อวินาทีและแอมพลิจูด 0.05 ไมโครเมตรบนผนังเซลล์ชั้นนอก แรงขับที่เกิดจากคลื่นนี้มากพอที่จะดันให้ตัว Synechococcus เคลื่อนที่แหวกผ่านน้ำไปข้างหน้าได้อย่างต่อเนื่อง

สิ่งที่ค้นพบจากแบบจำลองนี้สอดคล้องกับความจำเป็นของโปรตีน SwmA อย่างที่นักวิทยาศาสตร์เคยสังเกตเห็น เนื่องจากโครงสร้างของ SwmA ประกอบกันเป็นชั้นคล้ายแผ่นกระเบื้องที่วางเป็นมุม 60 องศากับระนาบของผนังเซลล์ มุมเฉียงๆ ของแผ่น SwmA นี้อาจทำหน้าที่ช่วยขยายแรงขับจากคลื่นบนผนังเซลล์ให้มากขึ้นทวีคูณได้

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน PLoS One DOI: 10.1371/journal.pone.0036081

ที่มา - New Scientist