สารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากไซยาโนแบคทีเรีย

เขียนโดย biology เมื่อ . หัวข้อ frontpage, Uncategorized, ชีววิทยา, บทความปี 2558

สารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากไซยาโนแบคทีเรีย

อ.ดร.อินทิรา ขูดแก้ว

สาขาวิชาพฤกษศาสตร์ ภาควิชาวิทยาศาสตร์

คณะศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกำแพงแสน

          จุลินทรีย์ หรือ microorganisms จัดเป็นสิ่งมีชีวิตรุ่นแรกที่เกิดขึ้นบนโลก และเป็นบรรพบุรุษของสิ่งมีชีวิตต่างๆ ที่พบในปัจจุบัน หนึ่งในสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่มีความสำคัญต่อระบบนิเวศคือ ไซยาโนแบคทีเรีย (cyanobacteria) ไซยาโนแบคทีเรียจัดเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส แบบ prokaryote อยู่ในอาณาจักรมอเนอรา (Kingdom Monera)  มีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน (blue green algae) ที่ได้รับชื่อนี้เนื่องจากสิ่งมีชีวิตกลุ่มนี้มีสารสี (pigment) ที่สำคัญในกลุ่ม phycobilin ซึ่งเป็นสารสีที่ให้สีน้ำเงินหรือน้ำเงินแกมเขียว นอกจากนี้ยังมีสารสีอื่นเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ allophycocyanin  phycoerythin  chlorophyll a และ carotenoid ทำให้ไซยาโนแบคทีเรียสามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้ จึงจัดเป็นผู้ผลิตที่สำคัญในระบบนิเวศ

          นอกจากเป็นผู้ผลิตแล้ว ไซยาโนแบคทีเรียยังมีความสำคัญต่อวัฏจักรไนโตรเจน (nitrogen cycle)  เนื่องจากมีเซลล์พิเศษที่เรียกว่า heterocyst ที่ภายในมีเอนไซม์ nitrogenase เป็นเอนไซม์สำคัญที่ใช้ในการตรึง N2 จากชั้นบรรยากาศและเปลี่ยนไปเป็น NH3 หรือ NH4+ ซึ่งเป็นรูปของไนโตรเจนที่พืชสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ จากสมบัตินี้ ปัจจุบันจึงมีการนำไซยาโนแบคทีเรียมาใช้ประโยชน์ในการเพิ่มธาตุอาหารแก่พืช เช่น การนำแหนแดงที่มีไซยาโนแบคทีเรีย Anabaena azollae (ภาพที่ 1) อาศัยอยู่แบบพึ่งพามาเลี้ยงในนาข้าว เพื่อช่วยเพิ่มปุ๋ยไนโตรเจนแก่ต้นข้าว

photo 1 Koi

ภาพที่ 1 A. azollae ที่มี heterocyst ซึ่งเป็นเซลล์ที่มีขนาดใหญ่กว่าเซลล์ข้างเคียง ผนังหนา

          ไซยาโนแบคทีเรียพบอยู่บนโลกนี้มามากกว่า 3,000 ล้านปี จนถึงปัจจุบันพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงทางด้านสัณฐานวิทยาน้อยมาก และมีถิ่นอาศัยตั้งแต่บนพื้นดิน ในน้ำจืด น้ำเค็ม และในสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสมต่อการดำรงชีวิต (extreme environment) เช่น บริเวณที่เป็นกรดสูง หรือบ่อน้ำพุร้อนที่มีอุณหภูมิสูง เป็นต้น จากหลักฐานที่ไซยาโนแบคทีเรียมีการสืบพันธุ์มาอย่างยาวนาน จึงมีข้อสันนิษฐานว่า ไซยาโนแบคทีเรียน่าจะมีการสร้างเอนไซม์รวมถึงการผลิตสารประกอบทุติยภูมิ (secondary metabolites) ซึ่งมีประโยชน์ในการปรับตัวเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมจากอดีตจนถึงปัจจุบัน และป้องกันตนเองจากสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นได้ดี ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษาค้นคว้าสารประกอบต่างๆ ที่ไซยาโนแบคทีเรียหลายชนิดที่ผลิตขึ้นมา เพื่อนำมาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ และเนื่องจากไซยาโนแบคทีเรียสามารถเพาะเลี้ยงและขยายพันธุ์ได้ง่ายในห้องปฏิบัติการ รวมถึงปริมาณสารประกอบต่อน้ำหนักแห้งของไซยาโนแบคทีเรียมีค่อนข้างสูง เมื่อเทียบกับสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นๆ ปัจจุบันจึงมีการศึกษาเกี่ยวกับไซยาโนแบคทีเรียกันอย่างแพร่หลาย

          ไซยาโนแบคทีเรียหลายชนิดมีการผลิตสารประกอบทุติยภูมิที่เป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตอื่น เช่น Microcystis มีการผลิตสารกลุ่ม microcystin ซึ่งมีความเป็นพิษสูงต่อสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น จึงมีการศึกษาเพื่อนำสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ไซยาโนแบคทีเรียผลิตขึ้นมาใช้เป็นสารยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อรา แบคทีเรีย หรือสาหร่าย  ดังเช่นการศึกษาของ Ghasemi และคณะ รายงานว่า Fisherella และ Stigonema มีความสามารถในการผลิตสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ใช้ในการฆ่าเชื้อจุลินทรีย์ได้ และนำมาศึกษาในการเป็นสารควบคุมศัตรูพืชและวัชพืช นอกจากนี้สารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ผลิตจาก Hapalosiphon (ภาพที่ 2) ยังถูกนำมาศึกษาเพื่อพัฒนาเป็นสารกำจัดวัชพืชอีกด้วย

photo 2 Koiภาพที่ 2 Hapalosiphon sp. (กำลังขยาย 400 เท่า) มีลักษณะเป็นแบบเส้นสายที่มีการแตกแขนง (filamentous true-branched cyanobacterium) จัดอยู่ในวงศ์ Stigonemataceae อันดับ Stigonematales

          Hapalosiphon มีการผลิตสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพหลายชนิด อาทิ H. fontinalis มีการผลิตสารในกลุ่ม hapalindole ซึ่งมีฤทธิ์ในการฆ่าเชื้อจุลินทรีย์ และสารสกัดหยาบ (crude extract) ด้วยน้ำจาก H. fontinalis  มีศักยภาพในการยับยั้งการเจริญเติบโตของไมยราบยักษ์ในระดับเรือนทดลองได้ โดยมีฤทธิ์ในการทำให้เกิดอนุมูลอิสระ (free radical) ในต้นพืช ทำให้เกิดความเป็นพิษในพืช และส่งผลให้ปริมาณคลอโรฟิลล์ลดลง ซึ่งจะส่งผลต่อเนื่องทำให้กระบวนการสร้างอาหารของพืชลดลงด้วย พืชจึงมีการเติบโตที่ลดลง นอกจากนี้ยังพบว่าสารสกัดหยาบด้วยเมทานอลจาก Hapalosiphon sp. มีผลยับยั้งการเติบโตของพืชหลายชนิด โดยพบสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เป็นพิษต่อพืช (phytotoxic) ได้แก่ ambiguine D isonitrile และ hapalocyclamide ดังภาพที่ 3 ซึ่งมีฤทธิ์ยับยั้งการเติบโตของผักกาดหอม โดยส่งผลให้เกิดอนุมูลอิสระในต้นพืช ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์เสียหาย รวมถึงมีผลยับยั้งการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส อันส่งผลให้การเจริญเติบโตของต้นพืชลดลง

photo 3 Koi                ภาพที่ 3 สารประกอบทุติยภูมิ ก. Ambiguine D isonitrile ข. hapalocyclamide ที่ผลิตจาก Hapalosiphon sp. ที่มีฤทธิ์ยับยั้งการเจริญเติบโตของพืชได้

          จากตัวอย่างดังกล่าว จะเห็นได้ว่าไซยาโนแบคทีเรียมีการผลิตสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่สามารถยับยั้งการเติบโตของพืชและวัชพืชได้ จึงมีความเป็นไปได้ที่จะพัฒนาเพื่อนำสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากไซยาโนแบคทีเรียมาเป็นสารควบคุมวัชพืชหรือกำจัดวัชพืช และทดแทนการใช้สารสังเคราะห์ เนื่องจากปัจจุบันประสบปัญหาสารสังเคราะห์ที่ใช้ในการกำจัดวัชพืชตกค้างในสิ่งแวดล้อมเป็นอันมาก ซึ่งส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายรวมถึงมนุษย์ ดังนั้นหากมีการนำสารจากธรรมชาติมาทดแทนสารสังเคราะห์ได้ จะเป็นการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืน

 

เอกสารอ้างอิง

Desikachary, T.V. Cyanophyta. Indian Agricultural Research Council, New Delhi. 1959.

Ghasemi, Y., Yazdi, T.M., Shokravi, S., Soltani, N. and Zarrini, G. 2003. Antifungal and antibacterial activity of paddy-fields cyanobacteria from the north of Iran. J. Sci. I. R. Iran. 14, 203-209.

Hagmann, L. and Jüttner, F. 1996. Fischerellin A, a novel photosystem-II-inhibiting allelochemical of the cyanobacterium Fischerella muscicola with antifungal and herbicide activity. Tetrahedron Lett. 37, 6539-6542.

Knoll, A. H. 2008. Cyanobacteria and earth history. pp. 1-20. In  Herrero, A. and Flores, E. (Eds), The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genetics and Evolution. Caister Academic Press, Norfolk.

Koodkaew, I., Matsuyama, S., Sunohara, Y. and Matsumoto, H. 2012. Hapalocyclamide: a novel phytotoxic hexapeptide of the cyanobacterium Hapalosiphon sp. Tetrahedron Lett. 53, 977-979.

Koodkaew, I., S., Sunohara, Matsuyama, Y. and Matsumoto, H. 2012. Isolation of ambiguine D isonitrile from Hapalosiphon sp. and characterization of its phytotoxic activity. Plant Growth Regul. 68, 141-150.

Koodkaew, I., S., Sunohara, Matsuyama, Y. and Matsumoto, H. 2012. Phytotoxic action mechanism of hapalocyclamide in lettuce seedling. Plant Physiol. Biochem. 58, 23-28.

Moore, R.E., Cheuk, C. and Patterson, G.M.L. 1984. Hapalindoles: new alkaloids from the blue-green alga Hapalosiphon fontinalis. J. Am. Chem. Soc. 106, 6456-6457.

Van Den Hoek, C., Mann, D.C., Jahns, H.M. Algae: An Introduction to Phycology. Cambridge University Press, New York. 1995.

 

5,410 total views, 0 views today