ChottiwattJ

Microorganisms tested in space จุลชีพที่ถูกนำไปทดลองในอวกาศ

March 13, 2020

ในปัจจุบันการทดลองนำสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก (microbes) หรือจุลชีพขึ้นไปทดลองในอวกาศเป็นสิ่งหนึ่งที่ถูกให้ความสำคัญเป็นอย่างมาก ซึ่งการทดลองดังกล่าวเป็นการทดสอบปฎิกิริยาของจุลชีพต่อสภาวะต่าง ๆ ในอวกาศ เช่น สภาวะไร้น้ำหนัก สภาวะสุญญากาศ และสภาวะที่โดนรังสี UV จากดวงอาทิตย์นอกอวกาศ โดยการศึกษาเหล่านี้ประโยชน์อย่างมากต่อ crewed mission ในอนาคต เช่น การเดินทางไปดาวอังคาร ในปี 1960 ดาวเทียมของรัสเซียได้ทดลองส่งแบคทีเรีย Escherichia coli, Staphylococcus และ Enterobacter aerogenes ไปไว้ในวงโคจรด้วย 

MVP Cell-02 การทดลองจุลชีพบน ISS

MVP Cell-02 หรือ Mutation, Selection and Population Dynamics เป็นการทดลองการ population หรือการเพิ่มจำนวนประชากรของแบคทีเรียชื่อ Bacillus subtillis ซึ่งการทดลองนี้มีจุดประสงค์เพื่อศึกษาว่าแบคทีเรียจะปรับตัวอย่างไรเมื่อต้องอยู่ในอวกาศเป็นเวลานาน

เนื่องจากแบคทีเรีย Bacillus subtillis มี growth rate หรืออัตราการเติบโตสูงทำให้มันมีอัตราการวิวัฒนาการสูงเช่นกัน ซึ่งสามารถนำมาใช้เปรียบเทียบการวิวัฒนาการของแบคทีเรีย generation ต่อ generation ได้ว่าเปลี่ยนแปลงไปเพื่อความอยู่รอดอย่างไร โดยการทดลองนี้จะใช้อุปกรณ์ชื่อว่า Multi-use Variable-g Platform (MVP) บน ISS

ISSMVP
Multi-use Variable-g Platform (MVP) ซึ่งจะมี carousels เพื่อแยกชุดตัวอย่างเป็นสองตลับดังที่งเห็นในภาพ – ที่มา Techshot, Inc.

ซึ่งเจ้า MVP ถูกส่งขึ้นไปบน ISS ด้วยจรวด CRS-14 ของ SpaceX ซึ่งเมื่อนำไปไว้บน ISS เจ้า MVP จะทำหน้าที่เป็นเครื่องปั่นเหวี่ยงหรือ centrifuge ที่สามารถจำลองได้ตั้งแต่สถาวะไร้น้ำหนักไปจนถึง maximum g ที่ 2 g ในส่วนของ centrifuge สามารถแบ่งได้เป็นสอง carousels ซึ่งแต่ละ carousels จะสามารถบรจจุตัวอย่างในการทดลองได้ 6 ตัวอย่าง เมื่อรวมทั้ง 2 carousels เข้าด้วยกัน อุปกรณ์ MVP นี้ก็จะสามารถทดลองได้สูงสุด 12 ตัวอย่าง

อ้าวแล้วไอ MVP มันสำคัญยังไง? MVP สำคัญต่อการทดลองด้านจุลชีววิทยาบน ISS เป็นอย่างมากเพราะมันสามารถ centrifuge แต่ละ carousel ที่ความเร็วในการหมุนต่างกันได้ นั้นหมายถึงสามารถทดลองแต่ละ carousel ที่ gravitational force หรือ g-force ต่างกันได้และเมื่อเสร็จสิ้นการทดลองก็สามารถนำแต่ละ carousel ที่บรรจุตัวอย่างแบคทีเรียไว้ 6 ตัวอย่างออกมาเปรียบเทียบกับอีก 6 ตัวอย่างในอีก carousel ที่ตัวแปรต้น (g-force) ต่างกันได้

โมดูลการทดลอง MVP (Multi-use Variable-g Platform) – ที่มา NASA

ซึ่งการทดลองแบบนี้มันดีกว่าการแยกการทดลองโดยการใช้ centrifuge machine แบบเดิมที่สามารถทดลองชุดตัวอย่างได้เพียงชุดเดียว ซึ่งมีโอกาสเกิดความคลาดเคลื่อนในการทดลองได้ เพราะว่าในขณะที่กำลังสับเปลี่ยนการทดลอง ชุดตัวอย่างแรกอาจเกิด error จากการที่นำออกมานอกสภาวะที่ไม่ได้ควบคุมแล้ว (uncontrolled environment)

Dr. Craig Everroad หัวหน้างานวิจัย ขณะกำลังเตรียมตัวอย่างแบคทีเรีย B. Subtillis – ที่มา NASA/Fathi Karouia

เมื่ออยู่บน ISS ที่ Low Earth Orbit ตัวอย่างของแบคทีเรีย B. Subtillis ที่ถูกเตรียมมาจากโลกจาก Payload บน Dragon Capsule ในภารกิจ CRS-18 ของ SpaceX จะถูกนำไปใส่ไว้บนผิวของ medium หรืออาหารเลี้ยงเชื้อเพื่อให้ตัวแบคทีเรียแบ่งตัว และเนื่องจาก B. Subtillis เป็นแบคทีเรียที่ยอมรับชิ้นส่วน DNA (Competent Bacteria) นักบินอวกาศสามารถลองใส่ชิ้นส่วนของ DNA ลงไปในอาหารเลี้ยงเชื้อเพื่อทดสอบว่า DNA sequence แบบไหนที่มีประโยชน์ต่อการเจริญเติบโตและวิวัฒนาการของ B. Subtillis โดยที่นักวิทยาศาสตร์จะสามารถ monitor การเติบโตผ่านกล้องใน MVP ได้โดยที่ไม่ต้องแงะตัวอย่างออกมาดูเองเพื่อป้องกันการปนเปื้อน

MVP-2 Carousel มีที่ใส่ชุดตัวอย่างแบคทีเรียพร้อมกล้องสำหรับการติดตามการเจริญเติบโต – ที่มา Techshot, Inc.

นักบินอวกาศจะทำการทดลองทั้งหมด 84 ตัวอย่างแบ่งเป็น 42 ตัวอย่างที่สถาวะไร้น้ำหนัก อีก 42 ที่ 1 g ใน MVP และอีก 42 ที่นักวิทยาศาสตร์บนโลกจะทำแบบเดียวกันแต่ทำบนโลก หลังจาก 3 สัปดาห์ แบคทีเรียจะ propagate (แบ่งตัว) จนไม่สามารถแบ่งได้อีกและกลายสภาพเป็น bacteria spore ที่ไม่สามารถโตได้อีกแล้ว ตัวอย่างเหล่านีจะถูกแช่แข็งเพื่อรอส่งกลับโลก

ในการทดลองนี้ยังมีอีกหนึ่งอย่างที่น่าสนใจนั่นก็คือ ทางทีมนักวิจัยต้องการที่จะให้แบคทีเรียมี “ความเครียด” ใช่แล้วฟังไม่ผิด ความเครียด พวกเค้าต้องการให้แบคทีเรียเจอแรงกดดันที่ทำให้พวกมันไม่สามารถแบ่งตัวและเจริญเติบโตได้ตามที่ควร ทำได้โดยการใช้ wax ทาบน Hydrophilic filter membrane ด้านนึง ทำให้เจ้า Hydrophilic filter membrane นี้กลายสภาพเป็นแผ่น membrane ที่ด้านนึงชอบน้ำด้านนึงไม่ชอบน้ำ คล้ายกับ Phospholipid bilayer ใน cell membrane ที่เรียนกันในวิชาชีววิทยา ม. ปลาย แล้วเอาไปแปะไว้ระหว่างแบคทีเรียกับอาหารเลี้ยงเชื้อ นี่จะทำให้แบคทีเรียประสบปัญหาในการดึงเอาสารอาหารที่อยู่อีกฝั่งของ filter เพราะว่าในกรณีนี้มันไม่ใช่เยื่อเลือกผ่าน (semipermeable membrane) เนื่องจากมันไม่มี channel สำหรับการย้ายสาร

สิ่งที่พวกเค้าสร้างด้วยการทา wax บน Hydrophilic filter membrane เพื่อขัดขวางการเติบโตของแบคทีเรียก็คือการทำให้แบคทีเรียโตแบบ linear growth หรือการเจริญเติบโตแบบเส้นตรง ซึ่งปกติ bacteria จะเจริญเติบโตแบบเท่าตัวหรือ exponential growth เป็นการแบ่งตัวให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ซึ่งการแบ่งตัวแบบนั้นอาจก่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการทดลอง

นักบินอวกาศ Anne McClain ขณะกำลังติดตั้งโมดูล MVP-2 เข้าไปใน Express Rack 4 บน ISS – ที่มา NASA

เมื่อสิ้นสุดการทดลอง Module การทดลองทั้งหมดจะถูกส่งกลับโลกเพื่อนำไปตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงทางด้านพันธุกรรม generation ต่อ generation ว่าวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อต้องอยู่ในอวกาศที่สภาวะแตกต่างกันไปในแต่ละกรณีซึ่งข้อมูลเหล่านี้มีประโยชน์มากต่อการสำรวจอวกาศในอนาคต เพราะว่าเราไม่รู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากยานอวกาศดันปนเปื้อนเอาเชื้อโรคที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ไปด้วย แต่แบคทีเรียบางชนิดก็สามารถนำไปใช้เป็นเครื่องพยุงชีพได้เช่นกัน

การป้องกันการปนเปื้อนบน ISS

แน่นอนว่าเมื่อมีการทดลองอะไรแบบนี้ เช่น การทดลองเพาะเชื้อแบคทีเรียโดยเฉพาะเชื้อที่อาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์มีความเสี่ยงสูง และส่วนใหญ่แบคทีเรียเหล่านี้มันไม่ได้อยู่ ๆ ก็ spawn มาแต่มันมากับ Resupply module ที่มาเติมเสบียงให้ ISS อย่างเช่นยาน Dragon ซึ่งเมื่อยานทำการเชื่อมต่อกับ ISS Payload ส่วนใหญ่ก็จะถูก transfer มาไว้ใน ISS ซึ่งแน่นอนว่าต้องมีการปนเปื้อนไม่มากก็น้อย

Bacteria ที่เพาะมาจากพื้นบน ISS – ที่มา NASA

โดยปกติแล้ว Payload ทุกอย่างจะถูกฆ่าเชื้อก่อนปล่อยขึ้นสู่อวกาศแต่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนได้ 100 เปอร์เซนต์ ทำได้เพียงแต่ลดความเสี่ยงที่จะมี bacteria ชนิดอันตรายติดขึ้นไปด้วย ด้วยเหตุนี้บน ISS จึงต้องมีระบบกรองสิ่งแปลกปลอมภายในอากาศ ระบบกรองอากาศภายใน ISS ใช้แผ่นกรองที่เรียกว่า HEPA Filter หรือ High Efficiency Particulate Air Filter ซึ่งเจ้า HEPA นี่สามารถกรองได้แม้กระทั่งฝุ่นที่เล็กกว่า PM2.5 ทำให้แทบจะไม่มีอะไรหลุดการกรองนี่มาได้เลย

บน ISS ยังมีเครื่องที่เรียกว่า Microbial Air Sampler ซึ่งใช้สำหรับการ culture หรือเพาะแบคทีเรียที่ลอยไปลอยมาในอากาศ ซึ่งเจ้าเครื่องนี้จุดประสงค์หลักคือเอาไว้เก็บข้อมูลการทดลอง Bacteria ที่ค้นพบในอากาศของ ISS

นักบินอวกาศ Joe Acaba กับเครื่อง Mircrobial Air Sampler – ที่มา NASA

ส่วนใหญ่ petri dish หรือเพลทที่เพาะเชื้อแบคทีเรียได้จากเครื่อง Microbial Air Sampler จะถูกนำไปตรวจกับเครื่อง DNA Sequencer เพื่อเอาไว้หาลำดับของนิวคลีโอไทด์ในโมเลกุล DNA ซึ่งก่อนหน้านี้จะต้องส่งกลับโลกเพื่อนำไปตรวจสอบเพราะยังไม่มีเครื่อง DNA Sequencer บน ISS

เพลทสำหรับการเพาะเชื้อแบคทีเรียด้วยเครื่อง Microbial Air Sampler – ที่มา NASA

Extraterrestrial mining เมื่อนักวิทยาศาสตร์นำจุลชีพมาใช้ทำเหมืองแร่

ในอนาคต การตั้งถื่นฐานบนดาวเคราะห์ดวงอื่นอย่างดาวอังคาร การที่จะหาแร่มาเป็นวัสดุในการก่อสร้างไม่สามารถทำได้โดยการขนส่งจากโลก แต่ต้องเป็นการหาจากดาวที่ตั้งถื่นฐานนั้น ๆ นักวิทยาศาสตร์บน ISS ทำการทดลองที่ชื่อว่า BioRock ซึ่งเป็นการทดลองนำ Biofilm ที่มีแบคทีเรียมาไว้บนผิวของหิน โดยมีจุดประสงค์เพื่อทดสอบว่าแบคทีเรียมีการเปลี่ยนแปลงสันฐานวิทยาหรือไม่ กล่าวคือเปลี่ยนแปลงด้านการเจริญเติบโตอย่างไร รวมถึงทดสอบการเปลี่ยนแปลงของรหัสพันธุกรรมของแบคทีเรีย

ภาพ Fluorescence microscopy ของแบคทีเรีย Spingomonas desiccabilis บน Biofilm ที่กำลังเติบโตในช่องวางของหินบะซอลต์ – ที่มา ESA

แบคทีเรียที่ถูกนำมาทดสอบในการทดลองนี้มีความสามารถในการ extract หรือแยกแร่ธาตุจำเพาะที่อยู่ใกล้ ๆ มันออกมาเพื่อใช้ในเซลล์ได้ได้ ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า Biomining และเมื่อนำแบคทีเรียเหล่านี้มาใส่ในพื้นที่จำกัดอย่างหิน มันก็จะสามารถดึงแร่ธาตุจำเพาะเช่นเหล็กออกมาได้ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถดักจับแร่ที่แบคทีเรียเหล่านี้แยกออกมาจากหินเพื่อนำมาสังเคราะห์เป็นวัสดุที่ใช้ประโยชน์ได้

Microbial Biofilm ที่กำลังเจริญเติบโตบนหินบะซอลต์ – ที่มา Rosa Santomartino, UK Centre for Astrobiology/University of Edinburgh

แต่การทำ Biomining ในอวกาศและบนสภาวะอย่างดาวอังคารยังคงต้องศึกษาต่อไป เพราะสภาวะที่เปลี่ยนแปลงไปจากโลกทั้งเรื่องของน้ำหนัก ความดันอากาศ อุณหภูมิ ล้วนมีผลต่อประสิทธิภาพของแบคทีเรียในการ extract แร่ออกมาจากหิน นักวิทยาศาสตร์ได้ลองทดสอบการ propagate ของแบคทีเรียที่แรง g เท่ากับดาวอังคารแล้วพบว่าผลแตกต่างออกไปจากการทดลองที่สภาวะไร้น้ำหนักมาก

Biomining Reactor 6 ตัว ที่ถูกส่งขึ้นไปบน ISS สำหรับจำลองสภาวะที่เหมาะสมแก่การ extract แร่ของแบคทีเรีย ส่วนหนึ่งของการทดลอง BioRock – ที่มา Rosa Santomartino, UK Centre for Astrobiology/University of Edinburgh

การทดลอง BioRock จะยังคงดำเนินต่อไปเพื่อศึกษาและเปรียบเทียบข้อมูลทั้งเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณในสภาวะที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการ Biomining ที่สูงที่สุด และนำไปเป็นต้นแบบของแบคทีเรีย Biomining สำหรับการไปตั้งถื่นฐานบนดาวอังคารในอนาคต ข้างล่างเป็นวีดีโอการอธิบายคร่าว ๆ เกี่ยวกับกระบวนการ Biomining ที่จะถูกนำไปใช้ในการตั้งถื่นฐานนอกโลก

สุดท้ายนี้เราก็หวังว่าจะได้เห็นการนำเทคโนโลยีเหล่านี้ไปใช้ในการตั้งถื่นฐานนอกโลกในอนาคตและรวมถึงนำมาใช้บนโลกและเป็นกำลังใจให้นักวิทยาศาสตร์ด้านจุลชีววิทยาที่กำลังศึกษาด้านนี้อย่างจริงจัง เพราะ Microorganism ในอวกาศยังเป็นเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีข้อมูลการทดลองมากมายจึงเป็นการทดลองที่น่าสนใจและน่าติดตามมาก ๆ เพราะว่าเมื่อมนุษย์ไปที่ไหน จุลชีพพวกนี้จะตามไปด้วยเสมอ เราขาดมันไม่ได้

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Harnessing the power of microbes for mining in space

Microbiology 101: Where People Go, Microbes Follow

Experiments in space: How will bacteria adapt in microgravity

MVP Cell-02 Experiment Details

MVP Cell-02 (SpaceX-18)

Spinning Science: Multi-use Variable-g Platform Arrives at the Space Station





Read More

บทความอื่น ๆ ที่ควรอ่านต่อ



In Coversation

เรื่องราวน่าสนใจที่กำลังเป็นบทสนทนา