ทีมนักวิจัยค้นพบวงจรควบคุมรูปร่างแบบนำตัวเองในเซลล์เดี่ยวของจุลินทรีย์นักล่า Podophrya collini ซึ่งเป็นจุลินทรีย์เซลล์เดียวประเภท Suctorian ciliate โดยพบว่ามีระบบตอบสนองกลับ (Feedback) ทางชีววิทยาที่สามารถปรับเปลี่ยนจำนวนและความยาวของหนวดสูบเหยื่อ (Feeding tentacles) ให้สอดคล้องกับปริมาณเหยื่อในสิ่งแวดล้อมได้อย่างแม่นยำ เพื่อสร้างประสิทธิภาพการจับเหยื่อสูงสุด
นวัตกรรมวิเคราะห์รูปทรงเซลล์ 3 มิติ และกลไกจัดสรรทรัพยากร
คณะวิจัยได้พัฒนาระบบวิเคราะห์รูปทรงเซลล์แบบอัตโนมัติด้วยเทคโนโลยีดียิปเลิร์นนิง (Deep-learning pipeline) YOLOv7 ร่วมกับซอฟต์แวร์ suctorian-viewer เพื่อแปลงภาพเซลล์ live-cell แบบ 3 มิติเป็นข้อมูลดิจิทัลจำนวนหลายหมื่นเซลล์ ผลการวิจัยพบว่า P. collini จัดสรรทรัพยากรการสร้างหนวดในลักษณะเน้นเพิ่ม “จำนวนหนวด” มากกว่า “ความยาวหนวด” โดยความยาวหนวดจะถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 15 ถึง 35 ไมโครเมตร ขณะที่จำนวนหนวดสามารถขยายได้ตั้งแต่ 1 เส้นไปจนถึงมากกว่า 20 เส้น
การจำลองแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และการคำนวณปริมาตรการค้นหา (Search volume) ยืนยันว่า โครงสร้างหนวดที่เน้นการเพิ่มจำนวนหนวดช่วยกระจายขอบเขตการตรวจจับเหยื่อทรงกลมขนาดเท่า Tetrahymena ได้ครอบคลุมพื้นที่มากที่สุด ลดการซ้อนทับของปลายสัมผัส ส่งผลให้เซลล์ประหยัดพลังงานแต่ได้ผลลัพธ์การจับเหยื่อดีที่สุด
การปรับตัวระดับเซลล์เดี่ยวและการแยกกลไกการสร้าง
จากการติดตามเซลล์เดี่ยวในไมโครแชมเบอร์ฐานวุ้น (Agar-based microchamber) พบว่าเมื่อ P. collini จับเหยื่อได้สำเร็จ เซลล์จะทำการยกสังคายนาโครงสร้างหนวดทันที โดยความยาวหนวดจะยืดออกอย่างรวดเร็วภายใน 100 นาที ขณะที่การงอกหนวดใหม่จะเริ่มเกิดขึ้นตามมาและคงที่ในเวลาประมาณ 9 ชั่วโมง ในทางกลับกัน หากอยู่ในภาวะอดอาหาร เซลล์จะค่อยๆ ตัดทอนจำนวนหนวดลงจนเหลือเพียง 1-2 เส้น
การทดสอบด้วยสารยับยั้งการสร้างโปรตีน (Cycloheximide) และสารยับยั้งการคัดลอกรหัสพันธุกรรม (Actinomycin D) ร่วมกับการวิเคราะห์โปรทีโอมิกส์ (Proteomics) และทรานสคริปโทมิกส์ (Transcriptomics) เผยให้เห็นว่า การรักษาขนาดหนวดเดิมต้องอาศัยการสังเคราะห์โปรตีนอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่การงอกหนวดใหม่ (Tentacle biogenesis) จำเป็นต้องมีทั้งการสร้างโปรตีนและการเปิดใช้โปรแกรมการคัดลอกรหัสพันธุกรรมชุดใหม่
เมื่อส่องสำรวจโครงสร้างขั้นสูงด้วยกล้องจุลทรรศน์ขยายอัลตราสตรัคเจอร์ (U-EXM) พบว่าหนวดแต่ละเส้นประกอบด้วยวงไมโครทูบูล (Microtubules) ที่มีโครงสร้างวงแหวนโปรตีนเซนทริน (Centrin-like collar) รัดอยู่ที่ฐานเซลล์ และมีโครงสร้างปลายหนวดทรงหัวเปาะ (Centrin-rich tip) ที่สามารถบานออกเพื่อเปิดช่องสูบไซโทพลาซึมของเหยื่อขณะกินอาหารได้
Scott M. Coyle รองศาสตราจารย์ด้านชีวเคมี มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-เมดิสัน และหัวหน้าทีมวิจัย กล่าวว่า “การศึกษาครั้งนี้ทำให้เราค้นพบวงจรควบคุมรูปร่างระดับเซลล์เดี่ยวแบบนำตัวเอง ซึ่งใช้ตอบสนองต่อปริมาณทรัพยากรในสิ่งแวดล้อม วงจรนี้ไม่เพียงอธิบายความหลากหลายของโครงสร้างหนวดในจุลินทรีย์กลุ่ม Suctorian ชนิดอื่นๆ เท่านั้น แต่ยังมอบตรรกะการควบคุมสเกลขนาดและจำนวนวัตถุที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับการออกแบบระบบชีววิทยาสังเคราะห์ (Synthetic biology) และการวิศวกรรมโครงสร้างระดับเซลล์ในอนาคตได้อีกด้วย”
ทั้งนี้ ผลงานวิจัยดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ Current Biology ฉบับประจำวันที่ 20 กรกฎาคม 2569
#PodophryaCollini #CellBiology #Microbiology #ResearchNews #CurrentBiology
