สาหร่ายคือโรงงานอเนกประสงค์

บนพื้นที่แห่งหนึ่งทางภาคใต้ของจีน มีท่อสีแดงเรียงเป็นแถวยาวสุดลูกหูลูกตา ดูไกลๆ คล้ายท่อบรรจุไวน์มากกว่า ระบบอุตสาหกรรมระดับสุดยอด แต่ถ้าดูลึกลงไป ในระดับโมเลกุลจะพบโรงงานชีวภาพขนาดจิ๋วที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็นกำลังทำงานเต็มกำลัง

โรงงานสาหร่ายขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ซึ่งตั้งอยู่ในมณฑลยูนนานแห่งนี้ บริหารงานโดยกลุ่มบริษัท ปักกิ่ง จิงโกะ กรุ๊ป (Beijing Gingko Group) ซึ่งจัดสรรพื้นที่ 4 หมื่น ตร.ม. ไว้เพาะเลี้ยงสาหร่ายสีแดง (Haematococcus pluvialis) การเพาะเลี้ยงทำในถังปฏิกรณ์ชีวภาพชนิดท่อแบบให้แสง โดยสาหร่ายจะไหลเวียนในท่อแก้ว เพื่อให้ทุกเซลล์ได้รับแสงและคาร์บอนไดออกไซด์ ในระดับที่เหมาะสมสำหรับการผลิตแอสตาแซนธินในปริมาณสูงสุด ซึ่งแอสตาแซนธิน ที่ได้จะนำไปทำผลิตภัณฑ์เสริมอาหารและส่วนผสมในครีมบำรุงผิว

นี่เป็นแค่จุดเริ่มต้น อีกไม่นานเภสัชกรจะถูกสาหร่ายแย่งงาน สาหร่ายเหล่านี้จะใช้แสงแดดเป็นพลังงานในการผลิตยาที่มีคุณค่าต่อมนุษย์

ดัดแปลงสาหร่ายเพื่อผลิตยา

สาหร่าย คือ สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่อาศัยอยู่ในมหาสมุทรเป็นส่วนใหญ่และสังเคราะห์แสงได้ ซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญที่สุดอย่างหนึ่งต่อชีวิตบนโลก การสังเคราะห์แสง คือ กระบวนการแปลง แสงแดดและคาร์บอนไดออกไซด์ให้กับสิ่งมีชีวิต ดังนั้นตลอด 100 ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์จึงทุ่มเทศึกษาสาหร่ายและกระบวนการสังเคราะห์แสง จนได้ความรู้อย่างละเอียดเกี่ยวกับกลไกในระดับโมเลกุลและนำมาตั้งโปรแกรมสาหร่ายให้ใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์ผลิตสารหายากและมีค่าหลายๆ ชนิดได้เป็นปริมาณมหาศาล

นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคโนโลยีชีวภาพขั้นสูงตัดต่อใส่ใหม่ลงไปในสาหร่ายเพื่อให้ผลิตสารที่มีอยู่จำกัดในธรรมชาติในปริมาณสูงๆ และสารที่พวกเขาสนใจเป็นพิเศษ ก็คือ เทอร์ปีนอยด์ (Terpenoids) ที่ฆ่าเซลล์มะเร็งได้

สาหร่ายสู้มะเร็ง

โมเลกุลของเทอร์ปีนอยด์มีโครงสร้างซับซ้อนมาก การสังเคราะห์ในห้องแล็บจึงทำได้ยาก และใช้เวลานาน แต่ถ้าใส่รหัสพันธุกรรมที่กำกับการสร้างเทอร์ปีนอยด์ลงในนิวเคลียสของเซลล์ สาหร่ายก็จะผลิต
เทอร์ปีนอยด์ได้ครั้งละมากๆ

สารประกอบเทอร์ปีนอยด์ชนิดที่เรียกว่า อินจินอล-3-แอนเจเลต (Ingenol-3-angelate) สามารถสู้กับมะเร็งผิวหนังได้ แต่สารชนิดนี้พบได้ในยางของต้นยูฟอร์เบีย เพ็พพลัส (Euphorbia peplus) เท่านั้น นักวิทยาศาสตร์จึงศึกษาเพื่อระบุยีนของต้นไม้นั้นที่เป็นตัวกำกับการสร้างอินจินอล-3-แอนเจเลต แล้วตัดต่อยีนดังกล่าวใส่ในสาหร่าย โดยหวังว่าวิธีนี้จะช่วยผลิตยารักษามะเร็งผิวหนังได้เร็วขึ้นและในปริมาณมากขึ้น

แต่ก่อนจะทำเช่นนั้นได้ก็ต้องตั้งโปรแกรมให้สาหร่ายได้ถูกต้องเสียก่อน วิธีตั้งโปรแกรมก็เหมือนที่ใช้กับสารเทอร์ปีนอยด์ชนิดอื่นๆ แต่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่พบวิธีที่ดีที่สุดเพื่อทำให้สาหร่ายแต่ละเซลล์ผลิตอินจินอล-3-แอนเจเลตได้ปริมาณมากที่สุด รวมถึงวิธีสกัดที่ได้ผลดีที่สุด

ทางเลือกที่เป็นมิตรกับระบบนิเวศ

แม้ว่าขณะนี้นักวิทยาศาสตร์จะมุ่งผลิตยารักษามะเร็งเป็นหลัก แต่ศักยภาพของสาหร่ายนั้นเรียกได้ว่าไร้ขีดจำกัด ยาฟอร์สโกลิน (Forskolin) ซึ่งสกัดจากรากของต้นโคเลียส ฟอร์สโกลี (Coleus forskohlii) และใช้เป็นยาลดน้ำหนัก ก็เป็นสารในกลุ่มเทอร์ปีนอยด์ชนิดหนึ่ง ปัจจุบันผลิตได้แล้วโดยโรงงานสาหร่ายที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ ส่วนอาร์เทมิซินิน (Artemisinin) ยารักษามาลาเรียที่ตลาดต้องการมากและได้จากต้นโกฐจุฬาลัมพา (Artemisia annua) ก็เป็นสารประกอบจำพวกเทอร์ปีนอยด์อีกชนิดหนึ่ง อีกไม่นานสาหร่ายจะผลิตได้ในปริมาณมาก การปลูกต้นโกฐจุฬาลัมพาจำนวนมากเป็นเรื่องยาก เพราะนอกจากอาร์เทมิซินินจะเป็นยาปราบพยาธิมาลาเรียได้ชะงัดแล้ว ยังเป็นยาฆ่าแมลงที่ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมมากพอๆ กับสารเคมีที่ถูกห้ามใช้กันหลายชนิด การผลิตอาร์เทมิซินินในสาหร่ายจึงเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า

ดวงอาทิตย์คือแหล่งพลังงาน

สาหร่ายก็เหมือนกับพืช คือมีคลอโรพลาสต์คอยสะสมพลังงานจากแสงอาทิตย์ และกระตุ้นให้เกิดการสังเคราะห์แสง เมื่อแสงอาทิตย์ส่องกระทบคลอโรพลาสต์อิเล็กตรอนจะทำงานกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมี แปลงพลังงานจากแสงให้เป็นพลังงานเคมีในรูปน้ำตาล

ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์พบวิธีทำให้อิเล็กตรอนที่ทำงานเมื่อได้รับแสงไปกระตุ้นเอนไซม์ให้ผลิตตัวยา แต่เอนไซม์ดังกล่าวเดิมมีอยู่แต่ในพืชไม่มีในสาหร่าย ความท้าทายยิ่งใหญ่อย่างหนึ่งที่ต้องเผชิญก็คือ การหาวิธีใส่เอนไซม์ในคลอโรพลาสต์ของสาหร่าย และให้เอนไซม์ร่วมกระบวนการสังเคราะห์แสง แต่ในที่สุดก็เอาชนะความท้าทายที่ว่านี้ได้ ด้วยการใส่ลำดับที่ส่งสัญญาณ (Signal Sequence) เข้าไปในเอนไซม์

สาหร่ายให้พลังงานขับเคลื่อนรถ

สาหร่ายยังมีประโยชน์ในการผลิตเชิงอุตสาหกรรม เช่น การผลิตเครื่องสำอางและเชื้อเพลิงชีวภาพ ในทางทฤษฎีสาหร่ายคือสุดยอดแหล่งพลังงานสีเขียว เพราะได้พลังงานจากแสงอาทิตย์โดยตรง และขจัดคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ

แสงแดดคือเชื้อเพลิง

สาหร่ายซึ่งเปรียบเสมือนโรงงานนั้นประกอบด้วยคลอโรพลาสต์ การตัดต่อใส่เอนไซม์เข้าไปใน เซลล์สาหร่ายจะทำให้สาหร่ายผลิตสารหายากได้ โดยใช้แสงแดดเป็นพลังงานในการผลิต หากจะทำให้สาหร่ายผลิตสารในกลุ่มเทอร์ปีนอยด์ซึ่งมีฤทธิ์ต้านมะเร็งหรือสารอื่นๆ ได้ สาหร่ายต้องรู้วิธีการสร้างสารนั้นๆ

โดยปกติสารในกลุ่มเทอร์ปีนอยด์จะพบได้ในจำนวนเพียงเล็กน้อยในพืชสมุนไพรบางชนิด การที่เซลล์สาหร่ายจะผลิตสารเหล่านี้เป็นปริมาณมากได้นั้น นิวเคลียส ซึ่งเปรียบได้กับคอมพิวเตอร์หลักประจำเซลล์จำเป็นต้องได้รับยีนซึ่งเปรียบเสมือนสูตรการผลิต ยีนที่ว่านี้เข้ารหัสสำหรับเอนไซม์พิเศษที่เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับกลไกทางชีวเคมีของสาหร่ายจะกระตุ้นให้เกิดการผลิตสารในกลุ่มเทอร์ปีนอยด์ที่พบได้ยากในธรรมชาติ