ฝากถอนไม่มีขั้นต่ำจุลชีววิทยา: กฎม็อบ

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 นักชีววิทยาระดับโมเลกุล 

ซิดนีย์ เบรนเนอร์ฝากถอนไม่มีขั้นต่ำ กล่าวสุนทรพจน์ในเมืองเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ โดยเขาได้ให้ความสำคัญกับการจัดลำดับจีโนมมนุษย์เพื่อกำหนดลักษณะ “ชุดยีน” ของมนุษย์อย่างเต็มที่ หลายปีต่อมา ในปี 2544 ลำดับร่างแรกของจีโนมมนุษย์ได้รับการเผยแพร่ สันนิษฐานว่ารูปร่างของมนุษย์ การทำงานและความผิดปกติจะลดลงเป็นปัญหาที่จำกัดและติดตามได้ เมื่อเวลาผ่านไป วิสัยทัศน์นี้ถูกกัดกร่อนโดยการค้นพบระดับความซับซ้อนของข้อมูลและกฎระเบียบที่คล้ายตุ๊กตารัสเซียอย่างต่อเนื่อง ตั้งแต่อีพีเจเนติกส์ไปจนถึงไมโครอาร์เอ็นเอ ยีนเข้ารหัสโปรตีนจีโนมอาจเป็นตัวแทนของปัญหาที่ลึกกว่ามาก

แบคทีเรียแลคโตบาซิลลัสช่วยทำให้ลำไส้ของมนุษย์เป็นศัตรูกับเชื้อโรค เครดิต: SPL

การจู่โจมครั้งล่าสุดเกี่ยวกับรูปแบบและการทำงานของสิ่งมีชีวิตของเบรนเนอร์มาจากไตรมาสที่ไม่คาดคิด ดูเหมือนว่า แทนที่เนื้อหาของชุดยีนมนุษย์จะถูกเสริมอย่างไม่เห็นแก่ตัวด้วยส่วนประกอบภายนอกมากมายเหลือเฟือ ความร่ำรวยเหล่านี้มาจากโลกของจุลชีพที่ปั่นป่วน ซิมไบโอนต์ซึ่งมีผลิตภัณฑ์มากมายรวมอยู่ในคอลเลกชั่นที่เรียบง่ายกว่าซึ่งตกแต่งโดยเจ้าภาพ มีการสำรวจความหมายของมิติข้อมูลพิเศษนี้และวิธีที่มันผสมผสานกับยีนของเราในหนังสือเล่มใหม่สี่เล่ม

ในหนังสือ I Contain Multitudes ที่น่าสนใจของเขา Ed Yong นักเขียนด้านวิทยาศาสตร์ได้กระโจนเข้าสู่โลกเงาของ Alice in Wonderland ของจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในและบนตัวเรา ในขณะที่เขาเตือนเราว่า 30 ล้านล้านเซลล์ในร่างกายมนุษย์มีจำนวนมากกว่า 39 ล้านล้านเซลล์จุลินทรีย์ที่แฝงตัวอยู่ภายในร่างกาย จีโนมของเรารวบรวมยีนเข้ารหัสโปรตีน 20,000 ยีน แขกที่ไม่ได้รับเชิญของเราอาจรวบรวมผลงานที่น่าประทับใจ 10 ล้านคน เราทราบสิ่งนี้ด้วยการใช้เมทาเจโนมิกส์ ซึ่งเป็นวิธีการจัดลำดับอาร์เอ็นเอแบบสั้นๆ ที่เจาะจงสปีชีส์ ซึ่งบุกเบิกโดยนักชีวฟิสิกส์ Carl Woese ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ซึ่งช่วยในการกำหนดสถาปัตยกรรมจีโนมของชุมชนจุลินทรีย์ของเรา

แบคทีเรียมอบคุณสมบัติพิเศษให้กับโฮสต์ของพวกมัน ยีนรวมของพวกมัน และความสามารถในการวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วด้วยอัตราการกลายพันธุ์ที่สูง การถ่ายโอนยีนในแนวนอน และการจำลองแบบรวดเร็ว ทำให้พวกมันเป็นผู้เชี่ยวชาญทางชีวเคมี สิ่งนี้ทำให้สิ่งมีชีวิตมีความเก่งกาจเหนือกว่ายีนของตัวเอง ตัวอย่างเช่น เพลี้ยอ่อนต้องพึ่งพาแบคทีเรียสายพันธุ์ Buchnera เพื่อผลิตกรดอะมิโนที่จำเป็นซึ่งขาดจากน้ำนมซึ่งเป็นอาหารของแมลง ความสัมพันธ์ดังกล่าวทำให้ Ivan Wallin นักชีววิทยาชาวอเมริกันในปี 1927 อธิบายว่าการอยู่ร่วมกันแบบพึ่งพาอาศัยกัน (symbiosis) เป็นกลไกของความแปลกใหม่ที่ช่วยให้แบคทีเรียเปลี่ยนสายพันธุ์ของโฮสต์ได้

ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์จาก Louis Pasteur 

ผู้บุกเบิกทฤษฎีเกี่ยวกับเชื้อโรคไปจนถึง Howard Florey ผู้พัฒนายาเพนนิซิลินได้สอนให้เรากลัวจุลินทรีย์ ยงโต้แย้งว่าเราต้องเลี้ยงดูพวกมัน โดยชื่นชมว่าพวกเขาอาจช่วยให้เราพัฒนาเป็นสิ่งที่เราเป็นได้ ไมโครไบโอมของมนุษย์ควรถูกมองว่าเป็นอวัยวะที่กระจายตัว ซึ่งทำหน้าที่สำคัญพอๆ กับการทำงานของตับ ปอด หรือไตของเรา

ยงให้เหตุผลที่น่าสนใจว่าเซลล์ภูมิคุ้มกันของมนุษย์นั้นคล้ายกับเจ้าหน้าที่พิทักษ์ป่ามากกว่าคนต่างชาติ พยายามโต้เถียงกันอย่างระมัดระวังในสวนสัตว์จุลินทรีย์ ปรับพลวัตของประชากร และตอบสนองต่อเสียงพูดคุยของพวกมัน ความเสื่อมโทรมและการพังทลายของแนวปะการังในน่านน้ำอุ่นที่เป็นกรด ไม่เพียงแต่เป็นผลโดยตรงจากภาวะโลกร้อนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการหยุดชะงักของความสัมพันธ์ในชุมชนจุลินทรีย์ด้วย ในทำนองเดียวกัน ยงแนะนำว่าโรคบางชนิดในมนุษย์เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของพลวัตของชุมชนแบคทีเรีย ทำให้เกิดความผิดปกติในนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ภายในและความร่วมมือ ตัวอย่างของกรณีนี้คือโรคอ้วน ซึ่งส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากความไม่สมดุลของจุลินทรีย์ในลำไส้ คนอ้วนมีแบคทีเรียจากไฟลัม Firmicutes และแบคทีเรียในสกุล Bacteroides น้อยกว่าแบคทีเรียไม่ติดมัน และขาด Akkermansia muciniphila มันแสดงให้เห็นในปี 2013 ว่าจุลินทรีย์จากหนูที่ไม่ติดมันสามารถทำให้หนูที่เป็นโรคอ้วนลดน้ำหนักได้ (A. Everard et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 110, 9066–9071; 2013)

ยงอธิบายต่อไปว่าบทสนทนาระหว่างเซลล์และจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่อาจส่งผลต่อการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตอย่างไร ปลาหมึกหางสั้นฮาวาย (Euprymna scolopes) ใช้รูปแบบที่โตเต็มที่เฉพาะเมื่อมีแบคทีเรียเรืองแสง Vibrio fischeri ซึ่งตั้งรกรากอยู่ในอวัยวะแสงของปลาหมึก นมแม่มีโอลิโกแซ็กคาไรด์ที่ย่อยไม่ได้ ซึ่งเป็นอาหารยอดนิยมของ Bifidobacterium longum infantis ซึ่งปล่อยกรดไขมันสายสั้นที่ส่งผลต่อการซึมผ่านของเซลล์ลำไส้ของทารก

ใน The Human Superorganism นักภูมิคุ้มกันวิทยา Rodney Dietert ได้ทำต่อไปโดยยืนยันว่า Homo sapiens เป็น superorganism ที่มีจุลินทรีย์หลายพันชนิด เขาให้เหตุผลว่าในที่สุดชีววิทยาของจุลินทรีย์จะท้าทายมุมมองของเราเกี่ยวกับความหมายของการเป็นมนุษย์ และนำไปสู่การระบุตัวยารักษาโรค ในวิสัยทัศน์ของเขา มนุษย์เป็น “เครื่องกักเก็บจุลินทรีย์” ที่ออกแบบมาเพื่อส่งต่อจุลินทรีย์ไปสู่คนรุ่นต่อไป “จีโนมที่สอง” ของเรา — ยีนที่เข้ารหัสโดยไมโครไบโอมของเรา — อาศัยอยู่ในชุมชนแบคทีเรียที่เจริญรุ่งเรืองซึ่งเขาคฝากถอนไม่มีขั้นต่ำ