การศึกษาคุณสมบัติทางชีวเคมีและการจับกันระหว่างโมเลกุลและการจำลองพลวัตเชิงโมเลกุลในการเกิดอันตรกริยาเพื่อพัฒนาเอนไซม์ไกลโคไซไฮโดรเลส แฟมิลี่ 10 และ 11 ต่อการย่อยไซแลนสำหรับผลิตพรีไบโอติกไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์

พรีไบโอติกส์ หรือ อาหาร/สารที่ร่างกายไม่สามารถย่อยและดูดซึมได้ที่ลำไส้เล็ก และสามารถเคลื่อนเข้าสู่ลำไส้ใหญ่ได้โดยโครงสร้างไม่เปลี่ยนแปลง โดยจุลินทรีย์กลุ่มโพรไบโอติกส์ที่ลำไส้ใหญ่สามารถย่อยและนำไปใช้ได้และสร้างสารที่ช่วยกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน และปรับสมดุลลำไส้ ปัจจุบันองค์กรระดับนานาชาติคือ International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) ได้ให้นิยามของพรีไบโอติกส์ไว้ว่า the prebiotic term refers to “a substrate that is selectively utilized by host microorganisms conferring a health benefit” (Gibson et al., 2017). Frequently, prebiotics are referred to as low molecular weight carbohydrates non-digested by human digestive enzymes and which regulate positively the composition and activity of the intestinal microbiota (Mohanty et al., 2018) จากข้อดีดังกล่าวอุตสาหกรรมอาหารจึงมีการนำพรีไบโอติกส์มาใช้เป็น functional ingredients อย่างแพร่หลาย พรีไบโอติกส์ที่รู้จักกันดีได้แก่ ฟรุกโตโอลิโกแซ็กคาไรด์ (Fructooligosaccharide, FOS) ซึ่งสามารถสกัดแยกได้จากอินนูลิน หัวชิโครี (Chicory) ซึ่งมีลักษณะปรากฎเป็นผงสีขาว มีความหวานเพียงเล็กน้อย มีคุณสมบัติเป็นใยอาหารชนิดละลายน้ำที่ร่างกายไม่สามารถย่อยได้ มีความเป็นพรีไบโอติกที่เป็นอาหารของจุลินทรีย์ชนิดดีในลำไส้ของมนุษย์ ช่วยเพิ่มปริมาณของกากอาหารในลำไส้ซึ่งกระตุ้นการบีบตัวของลำไส้ ทำให้ขับถ่ายได้ดีขึ้น ลดอาการท้องผูก ช่วยป้องกันการติดเชื้อในลำไส้ และเพิ่มภูมิคุ้มกันให้กับร่างกาย ดังนั้นตลาดของพรีไบโอติกส์โอลิโกแซ็กคาไรด์มีแนวโน้มสูงขึ้นเรื่อย ๆ

ปัจจุบันมีรายงานวิจัยแสดงให้เห็นว่า โอลิโกแซ็กคาไรด์ที่เตรียมจากพอลิแซ็กคาไรด์ต่างชนิดกันจะได้โอลิโกแซ็กคาไรด์ที่กระตุ้นการเจริญของโพรไบโอติกส์คนละกลุ่ม (Genus หรือ species ต่างกัน) ขึ้นอยู่กับความสามารถในการนำน้ำตาลไปใช้ของจุลินทรีย์ (Amorim et. al., 2019) ไซแลนซึ่งเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ของน้ำตาลไซโลสซึ่งเป็นน้ำตาลที่มี 5 คาร์บอน และมีน้ำตาลชนิดอื่น ๆ เช่น อะราบิโนส กลูโคโรนิกมาเกาะ ไซแลนจึงเป็นวันตุดิบที่น่าสนใจในการนำมาผลิตเป็นพรีไบโอติกส์โอลิโกแซ็กคาไรด์ เนื่องจากมีคุณสมบัติต่างจากฟรุกโตโอลิโกแซ็กคาไรด์ ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ของฟรุคโตสซึ่งมี 6 คาร์บอน จึงคาดว่าน่าจะกระตุ้นการเจริญของโพรไบโอติกส์ได้อย่างจำเพาะ นอกจากนี้ไซแลนยังพบมาก (ประมาณ 20-30%) ในวัตถุดิบเหลือทิ้งทางการเกษตร เช่น เปลือกและซังข้าวโพด ชานอ้อย เป็นต้น จึงมีศักยภาพในการนำมาเป็นวัตถุดิบในการผลิต เนื่องจากมีราคาถูกและมีปริมาณมาก

แม้ว่าปัจจุบันจะมีการผลิตโอลิโกแซ็กคาไรด์จากไซแลน เรียกว่า ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ บ้างแล้ว แต่เทคโนโลยีที่ใช้ได้แก่ hydrothermal treatment หรือ autohydrolysis treatment มักได้ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ ที่มีขนาด (degree of polymerization) หลากหลาย จึงยากต่อการนำไปใช้ อีกทั้งยังมีสารอื่นปนเปื้อน เช่น soluble lignin ซึ่งแยกออกจากกันได้ยาก และยังเป็นกระบวนการที่ใช้อุณหภูมิและความดันสูง จึงใช้พลังงานมากและมีค่าใช้จ่ายที่สูง ทำให้การผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์อาจยังไม่คุ้มทุนมากนัก

ไซแลนเนสเป็นเอนไซม์เร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของไซแลนซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีของผนังเซลล์พืช ไซแลนเนสสามารถแบ่งกลุ่มหรือแฟมิลี่ (family) ได้ตามความคล้ายของกรดอะมิโนที่บริเวณเร่ง (amino acid sequence similarity of catalytic module) ไซแลนเนสส่วนใหญ่ถูกจัดอยู่ในไกลโคไซไฮโดรเลส (glycoside hydrolase) แฟมิลี่ (GH) 10 และ 11 และพบบ้างในแฟมิลี่ GH 5, 7, 8, 16, 26, 43, 52 และ 62 (Collins et al. 2005; Motta et al. 2013) (รูปที่ 3) อย่างไรก็ตาม เอนไซม์ที่ได้จากจุลินทรีย์ในธรรมชาติ มักทำงานได้ไม่ดีในช่วง pH หรืออุณหภูมิตามที่อุตสาหกรรมใช้ เช่น การทำงานในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและมีด่างสูง (Beg et al. 2001; Berrin et al. 2007) ที่จำกัด นอกจากนี้ ความจำเพาะของเอนไซม์ต่อการจับกับซับสเตรตเป็นอีกปัจจัยที่สำคัญยิ่งในการเร่งปฏิกิริยา จึงมีความจำเป็นยิ่งที่จะต้องศึกษาข้อมูลพื้นฐานทางโครงสร้างโปรตีน เพื่ออธิบายปฏิกิริยาระหว่างเอนไซม์และซับสเตรต และการปรับปรุงการจับและการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ให้ผลิตผลิตภัณฑ์ได้อย่างจำเพาะเพิ่มขึ้นได้ ซึ่งความรู้ความเข้าใจดังกล่าวจะช่วยต่อยอดการผลิต tailor-made enzyme for tailor-made product ได้ในอนาคต และเป็นอีกทางเลือกในการใช้เอนไซม์เนื่องจากเอนไซม์ทางการค้ามักมีช่วงการทำงาน pH และอุณหภูมิ) ที่แคบและให้ผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายยากต่อการนำไปใช้

ผู้วิจัยได้ทำการโคลนและผลิตรีคอมบิแนนท์ของเอนไซม์ไซแลนเนส จากเชื้อ C. alkalicellulosi ซึ่งคัดแยกมาจากทะเลสาบ (soda lake มีค่า pH ~ 10) ในเมือง Verkhnee Boloe ประเทศรัสเซีย C. alkalicellulosi เป็นแบคทีเรียที่เจริญเติบโตแบบไม่ใช้อากาศ เจริญได้ดีในสภาวะที่เป็นด่าง ไซแลนและพืช เช่น Nardus strass และชีวมวลสาหร่าย Cladophora sivashensis ได้ดี โดยปัจจุบันพบว่ายังไม่มีงานศึกษาคุณสมบัติเอนไซม์จากเชื้อสายพันธุ์นี้ และจากการศึกษาเบื้องต้นในห้องปฏิบัติการลิกนินเทคโนโลยีและนวัตกรรม พบว่าเอนไซม์ที่เชื้อผลิตขึ้นมีคุณสมบัติทนด่าง และสามารถผลิตน้ำโอลิโกแซ็กคาไรด์ และมีรูปแบบของน้ำตาลที่เกิดต่างจากรายงานทั่วไป จึงควรศึกษาถึงกลไกเชิงลึกเพื่อหาคำอธิบายในเชิงกลไล (mechanism) และต่อยอดปรับปรุงเอนไซม์ในอนาคต

ดังนั้นงานวิจัยนี้ จะศึกษาการจำลองแบบโปรตีนของเอนไซม์ไซแลนเนส GH10 และ GH11 ซึ่งคณะผู้วิจัยมีข้อมูล amino acid sequence และจีโนม โดยพบว่า amino acid sequence ของไซแลนเนสทั้ง GH10 และ GH 11 มีความแตกต่างจาก sequence ของเอนไซม์ที่มีรายงานอยู่ในปัจจุบัน จึงคาดว่า เอนไซม์ไซแลนเนส GH10 และ GH11 จากเชื้อ C. alkalicellulosi น่าจะมีคุณสมบัติใหม่ จึงมีความจำเป็นที่ต้องทำการโคลนและ express protein เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางชีวเคมี ทำการออกแบบซับสเตรตเพื่อจำลองการจับกันระหว่างโมเลกุลเพื่อดูความสามารถในการจับกันระหว่างเอนไซม์ที่สนใจกับซับสเตรตเป้าหมาย (molecular docking) ควบคู่กับการจำลองพลวัตเชิงโมเลกุลในการเกิดอันตรกริยา (molecular dynamics) เพื่อประเมินวิธีการออกแบบหรือพัฒนาคุณสมบัติเอนไซม์ที่จำเพาะต่อการผลิตน้ำตาลหรือโอลิโกแซ็กคาไรด์ และศึกษาคุณสมบัติทางชีวเคมีเอนไซม์เพื่ออธิบายและดูความสัมพันธ์ร่วมกันกับการใช้วิธีทางโปรแกรมคอมพิวเตอร์ เพื่อสร้างองค์ความรู้ และการต่อยอดการพัฒนาหรือปรับปรุงคุณสมบัติของเอนไซม์ให้เหมาะสมต่อการนำไปใช้ในอุตสาหกรรม เช่น การผลิตพรีไบโอติกโอลิโกแซ็กคาไรด์จากไซแลนในเปลือกข้าวโพดและชานอ้อย  เป็นต้น