กาวชีวภาพที่มีชีวิต

กาวชีวภาพที่มีชีวิต

ดร.จินตมัย สุวรรณประทีป ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค)

กาวนั้นมีประโยชน์ในการนำไปใช้เชื่อมติดวัสดุหรือชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน โดยทั่วไปแล้วมักจะผลิตขึ้นมาจากสารสังเคราะห์ เช่น กาวไซยาโนอะคริเลตที่เรารู้จักกันดีในชื่อของกาวตราช้าง ถึงแม้ว่ากาวสังเคราะห์จะมีแรงยึดเกาะที่ดี แต่ก็มีความเป็นพิษต่อเซลล์และเนื้อเยื่อสูงเช่นกัน และมีประสิทธิภาพในการยึดติดที่ต่ำในสภาพพื้นผิวที่เปียกหรือเมื่อใช้งานภายใต้ของเหลว เมื่อไม่นานมานี้ทีมนักวิทยาศาสตร์กลุ่มต่าง ๆ จากหลายประเทศได้เริ่มให้ความสนใจที่จะพัฒนากาวที่เลียนแบบสารยึดเกาะของสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ ไม่ว่าจะเป็น ตุ๊กแก หอยแมลงภู่ เพรียง กบ ทาก หนอนแซนด์แคสเซิล เป็นต้น นอกจากสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่แล้ว ก่อนหน้านี้มีแนวความคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ที่จะใช้ประโยชน์จากสมบัติของเชื้อแบคทีเรียในการผลิตเป็นกาวชีวภาพสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ที่มีประสิทธิภาพสูง สามารถนำไปใช้งานได้หลากหลายไม่ว่าจะเป็นทางด้านอุตสาหกรรมหรือทางการแพทย์ โดยเฉพาะในสภาพที่เปียก เนื่องจากพบว่าเชื้อแบคทีเรียมีความสามารถในการยึดเกาะกับพื้นผิวต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นสิ่งมีชีวิตหรือไม่มีชีวิตได้ดีมากแม้จะอยู่ในสภาพที่เปียก และจะพบว่าเป็นการยากมากที่จะขจัดคราบแบคทีเรียออกจากพื้นผิวที่มันยึดเกาะอยู่

ทีมนักวิจัยจากประเทศจีนและสหรัฐอเมริกาได้ร่วมกันพัฒนากาวชนิดใหม่ขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีทางด้านวิศวพันธุกรรมและวัสดุศาสตร์ในการที่จะเปลี่ยนไบโอฟิล์มให้เป็นกาวที่มีความเหนียวสูงและมีชีวิต โดยการปรับแต่งและปรับเปลี่ยนองค์ประกอบภายในของไบโอฟิล์มดังกล่าว ทั้งนี้ไบโอฟิล์มเป็นการรวมตัวกันของเชื้อแบคทีเรียแล้วมีการแบ่งตัวและมีการสร้างสารเหนียวขึ้นมาเพื่อช่วยในการยึดเกาะและป้องกันตัวเอง ซึ่งไบโอฟิล์มนี้จะช่วยป้องกันแบคทีเรียภายในจากการทำลายด้วยยาปฏิชีวนะต่าง ๆ โดยนักวิจัยได้เลือกไบโอฟิล์มของเชื้อแบคทีเรียรูปทรงแท่งชนิด แบซิลลัส ซับทิลิส (B. subtilis) มาเป็นต้นแบบ เนื่องจากว่ามีลักษณะเฉพาะที่เหมาะสมคือ มีผนังเซลล์เพียงชั้นเดียว จากนั้นทำการควบรวมลักษณะสมบัติการยึดเกาะของเพรียง หอยแมลงภู่ และหนอนแซนด์แคสเซิลเข้าไป

ภาพแสดงเชื้อแบคทีเรียรูปทรงแท่งชนิด B. subtilis ที่ใช้ต้นแบบของการพัฒนากาวชีวภาพที่มีชีวิต[1]

หนอนแซนด์แคสเซิล เพรียง และหอยแมลงภู่ ที่ความสามารถในการยึดเกาะถูกใช้งานในการควบรวมเข้ากับไบโอฟิล์มของเชื้อแบคทีเรียชนิด B. subtilis[2-4]

            โดยทีมวิจัยได้ทำการนำเอาโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการยึดเกาะของหอยแมลงภู่ใส่เข้าไปในส่วนของโปรตีนอะมัยลอยด์ที่อยู่ด้านในของไบโอฟิล์มเพื่อเพิ่มความสามารถในการยึดเกาะให้มากขึ้น จากนั้นก็เพิ่มส่วนของเปปไทด์เข้าไปยังโปรตีนที่บริเวณชั้นพื้นผิวของไบโอฟิล์มเพื่อเพิ่มความสามารถในการป้องกันการซึมผ่านของน้ำเข้ามายังไบโอฟิล์มได้ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะที่พบได้ในลักษณะการยึดเกาะของเพรียง และท้ายที่สุดทีมวิจัยไปพัฒนาเทคนิคการบ่มตัวให้เป็นของแข็งของไบโอฟิล์มที่มีการปรับแต่งนี้ด้วยอิออนของโลหะในกลุ่มของแคลเซียม แมกนีเซียม และเหล็ก ซึ่งเป็นลักษณะของกาวที่ผลิตขึ้นโดยหนอนแซนด์แคสเซิลที่ประกอบด้วยโปรตีนที่มีความเป็นกรดหรือมีประจุลบ และที่มีความเป็นเบสหรือมีประจุบวก ซึ่งเมื่อผสมเข้าด้วยกันก็จะเกิดการแข็งตัวกลายเป็นของแข็งและยึดติดวัตถุที่สัมผัสเข้าด้วยกันได้อย่างรวดเร็ว

ภาพแสดงแนวความคิดของการพัฒนากาวชีวภาพที่มีชีวิตจากไบโอฟิล์มของเชื้อแบคทีเรียรูปทรงแท่งชนิด B. subtilis[5]

ภาพแสดงตัวอย่างการใช้งานของกาวชีวภาพที่มีชีวิตโดยการทาหรือฉีดกาวเหลวลงไปในบริเวณที่ต้องการ หลังจากนั้นเติมสารละลายเหล็กคลอไรด์ลงไปเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเป็นกาวแข็ง[5]        

            ทีมวิจัยได้ทดสอบความแข็งแรงของการยึดเกาะของกาวชีวภาพที่มีชีวิตพบว่าอยู่ในช่วงประมาณ 50-250 กิโลปาสคาล ซึ่งจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของกาวที่ปรับเปลี่ยนไป นอกจากนี้เมื่อนำไปทดสอบในสภาวะแวดล้อมที่มีค่าความชื้นสัมพัทธ์ 90% พบว่ายังสามารถคงความแข็งแรงของการยึดเกาะได้ประมาณ 60% ของค่าเริ่มต้น หรือแม้แต่แช่ในของเหลวประเภทต่าง ๆ เช่น สารทำความสะอาด หรือตัวทำละลายอินทรีย์ต่าง ๆ เช่น เมทานอล กรดไฮโดรคลอริก และโซเดียมไฮดรอกไซด์ ก็พบว่ายังสามารถคงความแข็งแรงของการยึดเกาะไว้ได้ แต่จะมีค่าลดลงตามความรุนแรงของสภาพแวดล้อม เช่น มีค่าลดลงประมาณ 20% เมื่อแช่ในสารทำความสะอาด ในขณะที่จะลดลงประมาณ 59-64% เมื่อแช่ในตัวทำละลายอินทรีย์เนื่องจากมีฤทธิ์ในการทำละลายหรือกัดกร่อนที่มากกว่า

ภาพแสดงความทนทานต่อสภาพแวดล้อมของกาวชีวภาพที่มีชีวิตโดยการแช่ในเมทานอล กรดไฮโดรคลอริก และโซเดียมไฮดรอกไซด์เป็นเวลา 10 ชั่วโมง ซึ่งพบว่ายังคงสามารถยึดติดได้อยู่ แต่มีค่าความแข็งแรงของการยึดเกาะลดลงประมาณ 59-64%[5]

งานวิจัยนี้ถือได้ว่าเป็นครั้งแรกที่แสดงให้เห็นถึงการพัฒนากาวชีวภาพที่มีชีวิตซึ่งมีความแข็งแรงในการยึดเกาะได้เมื่อเปียกหรืออยู่ภายใต้ของเหลว ทนทานต่อสภาพแวดล้อม และมีความสามารถในการสร้างขึ้นใหม่ได้ นอกจากนี้เนื่องจากผลิตขึ้นมาจากไบโอฟิล์มที่มีชีวิต กาวชีวภาพนี้จะยังคงมีชีวิตอยู่เช่นเดียวกัน ซึ่งทำให้สามารถควบคุมให้มีความสามารถในการปรับเปลี่ยนหรือวิวัฒน์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกาวชีวภาพนี้ให้สามารถตอบสนองได้อย่างเหมาะสมต่อสภาพแวดล้อมเฉพาะต่าง ๆ อย่างไรก็ตาม ค่าความแข็งของการยึดเกาะของกาวชีวภาพต้นแบบนี้ยังคงมีค่าไม่สูงมากนัก และจะต้องมีการพัฒนาต่อไปเพื่อให้มีประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้นในอนาคตสำหรับการนำไปใช้งานทางอุตสาหกรรมหรือแม้แต่ทางการแพทย์

เอกสารอ้างอิง

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_subtilis
  2. http://www.nytimes.com/2010/04/13/science/13adhesive.html
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Barnacle
  4. https://www.sciencefocus.com/nature/how-do-mussels-stick-to-wet-rocks/
  5. Zhang et. al. (2019), Mater. Today, In press.