Deciphering the effectiveness of carbon and nitrogen utilization metabolism of Arthrospira platensis C1 for sustainable and environmental-friendly production of this high-value functional food using flux balance analysis approach

การเปลี่ยนแปลงในสภาพภูมิอากาศของโลก รวมทั้งในประเทศไทยมีแนวโน้มรุนแรงมากขึ้น และกำลังส่งผลกระทบต่อผลผลิตของอาหาร เป็นสาเหตุให้เกิดปัญหาการขาดแคลนอาหารและทรัพยากรธรรมชาติที่ทวีความรุนแรงยิ่งขึ้น จากจำนวนประชากรที่เพิ่มขึ้นและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศต่อความมั่นคงทางด้านอาหารในอนาคต ดังนั้นจึงจำเป็นต้องลดผลกระทบดังกล่าวด้วยการพัฒนาและเพิ่มศักยภาพการผลิต หรือการแสวงหาแหล่งอาหารชนิดอื่นมาทดแทนบนพื้นฐานการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรอย่างยั่งยืน ความปลอดภัย และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

สาหร่ายขนาดเล็กเป็นสิ่งมีชีวิตที่ได้รับความสนใจในการนำมาใช้ประโยชน์ในการเป็นอาหารฟังก์ชั่น (functional food) โดยเฉพาะอย่างยิ่งสไปรูลิน่า (Spirulina) ที่เป็นชื่อเรียกรวม ๆ ของกลุ่มสาหร่ายขาดเล็กกลุ่ม Arthrospira sp.  เพราะมีปริมาณโปรตีนสูง อีกทั้งยังมีกรดไขมันจำเป็นชนิดกรดไขมันไม่อิ่มตัว แร่ธาตุและวิตามินต่าง ๆ ที่สำคัญ โดยสไปรูลิน่าได้ถูกนำมาใช้เป็นแหล่งโปรตีนและสารสีน้ำเงินจากธรรมชาติ นอกจากนี้ยังนำมาใช้ประโยชน์ด้านเภสัชกรรม เช่นสร้างเสริมระบบภูมิคุ้มกัน (immunomodulatory effects) การต้านอนุมูลอิสระ (antioxidant effects) การต้านการอักเสบ (anti-inflammatory effects) การต้านมะเร็ง (anti-cancer effects) และการต้านไวรัส (antiviral effects) ตลอดจนมีกรดไขมันไม่อิ่มตัวชนิดที่จำเป็นต่อมนุษย์เช่นกรดไขมันแกมม่าลิโนเลนิค (γ-linolenic acid, GLA) อยู่มาก รวมทั้งอุดมไปด้วยสารรงควัตถุที่มีคุณสมบัติเป็นสารต่อต้านอนุมูลอิสระ วิตามินบี 12  และเกลือแร่ต่าง ๆ (Ciferri, 1983)

แต่การใช้สไปรูลิน่าเพื่อเป็นแหล่งโปรตีน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการนำมาใช้เป็นแหล่งโปรตีนในอาหารสัตว์ยังคงมีราคาสูง ดังนั้นเพื่อให้การผลิตสาหร่ายมีความยั่งยืน และสามารถแข่งขันได้ จึงจำเป็นต้องบูรณาการองค์ความรู้และเทคโนโลยีด้านต่าง ๆ มาพัฒนากระบวนการผลิตเพื่อเพิ่มศักยภาพและประสิทธิภาพ และลดต้นทุนการผลิต

ทั้งนี้มีการประเมินว่าต้นทุนด้านอาหารที่ใช้ในการเพาะเลี้ยงสไปรูลิน่าเป็นค่าใช้จ่ายหลักอันดับสองรองจากค่าแรงงานที่มีผลกระทบต่อต้นทุนการผลิตชีวมวล (Vonshak, 1997)  ในกระบวนการเพาะเลี้ยงสาหร่ายมักจะใช้ปริมาณสารอาหารในการเพาะเลี้ยงที่เกินความต้องการของสาหร่าย ทำให้เมื่อสิ้นสุดการเพาะเลี้ยงจะยังคงมีสารอาหารเหลือในระบบ ทั้งนี้ชนิดและปริมาณของสารอาหาร และสภาวะแวดล้อม เช่น อุณหภูมิ ส่งผลต่อความสา-มารถของสาหร่ายในการใช้สารอาหาร ดังนั้นการพัฒนาการจัดการให้สารอาหารที่มีประสิทธิภาพและแม่นยำ ร่วมกับการใช้สารเคมีที่มีอยู่ในประเทศทดแทนจะนำไปสู่การลดต้นทุน และใช้ทรัพยากรอย่างคุ้มค่าจึงเป็นสิ่งจำเป็น

ด้วยเทคโนโลยี high-throughput ต่าง ๆ ที่ได้รับการพัฒนาขึ้นมาอย่างมากมายในปัจจุบัน การศึกษาวิจัยทางด้านชีววิทยาระบบและชีวสารสนเทศสามารถทำได้ง่ายขึ้น และได้รับประโยชน์โดยตรงจากข้อมูลทางด้าน “omics” แขนงต่าง ๆ ที่ทำการวิเคราะห์ตรวจหาส่วนประกอบต่าง ๆ ของเซลล์ หลากหลายระดับและความละเอียดของการวัด ตั้งแต่ระดับการหาปริมาณของ mRNA transcript ไปจนถึงการตรวจวัดปริมาณของสารเมตาบอไลต์ต่าง ๆ ดังนั้นการนำข้อมูลการศึกษาสไปรูลิน่าในระดับขนาดต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นระดับ genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics หรือ fluxomics นั้นมาบูรณาการเข้าด้วยกันจะทำให้ได้ข้อมูลที่ละเอียดและสามารถตอบโจทย์ได้หลากหลายมุมยิ่งขึ้นและจะทำให้เราเข้าใจการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ ภายในเซลล์ได้ดียิ่งขึ้น โดยเฉพาะภายใต้สภาวะการเลี้ยง ความเครียด หรือสภาวะแวดล้อมในขณะนั้น ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการเพาะเลี้ยง ไม่ว่าจะเป็นการจัดการทางด้านสภาวะการเลี้ยง แหล่งของคาร์บอนและไนโตรเจนและระดับที่เหมาะสม ตลอดจนการใช้สารอาหารที่มีประสิทธิภาพเพื่อเป็นการส่งเสริมการผลิตชีวมวลและสารมูลค่าสูงต่าง ๆ ให้ได้เพิ่มขึ้น และสามารถลดต้นทุนได้ การบูรณาการข้อมูลเหล่านั้นเข้าด้วยกันเพื่อสร้างองค์ความรู้ที่เพิ่มขึ้น และสร้างเครื่องมือที่สามารถทำนายการเจริญเติบโตของสไปรูลิน่าในระดับเมตาบอลิซึมของเซลล์ได้อย่างแม่นยำเพิ่มขึ้น เพื่อประโยชน์ในการออกแบบการเพาะเลี้ยงที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ดังนั้นการวิจัยนี้จะเป็นการนำแบบจำลองเมตาบอลิซึมระดับจีโนมของสไปรูลิน่า (GSMM) ที่ได้จากโครงการวิจัย FF 65 ของกลุ่มวิจัยที่กำลังดำเนินการอยู่นี้ ที่เป็นการนำผลสำเร็จจากงานวิจัยทางด้านทรานสคริปโทม (การแสดงออกของยีนในการตอบสนองของ Spirulina ต่ออุณหภูมิสูงและสภาวะขาดไนโตรเจน) มาบูรณาการเข้ากับ GSMM ของสไปรูลิน่าที่มีการพัฒนาขึ้นในกลุ่มวิจัยที่ สรบ. การใช้ข้อมูลจีโนมของสไปรูลิน่าในการพัฒนาแบบจำลองเมตาบอลิซึมระดับจีโนมของสาหร่ายนี้ และการเพาะเลี้ยงด้วยสูตรอาหารที่มีราคาถูก ตลอดจนเทคโนโลยีชีวสารสนเทศของสไปรูลิน่าของกลุ่มวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพสาหร่าย และกลุ่มวิจัยชีววิทยาระบบและชีวสารสนเทศ ภายใต้ความร่วมมือระหว่าง สถาบันพัฒนาและฝึกอบรมโรงงานต้นแบบคณะทรัพยากรชีวภาพและเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี และศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ มาต่อยอดงานวิจัยในครั้งนี้ เพื่อนำไปสู่การพัฒนาระบบการจัดการให้สารอาหารในกระบวนการเพาะเลี้ยงสาหร่ายที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น มีความคุ้มค่าในการใช้ทรัพยากร  และลดต้นทุนการผลิต สามารถถ่ายทอดองค์ความรู้และแนวทางการจัดการสารอาหารให้แก่เกษตรกรและผู้ประกอบการเพาะเลี้ยงสาหร่ายเพื่อนำไปต่อยอดพัฒนาในการเพาะเลี้ยงสาหร่าย ส่งผลให้เกิดการผลิตสไปรูลิน่าให้เป็นแหล่งอาหารอย่างยั่งยืน และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและเหมาะสมกับประเทศไทย

โดยสมมติฐานของการวิจัยนี้เชื่อว่า การใช้ข้อมูลในระดับ -omics ต่าง ๆ ที่กลุ่มวิจัยมีอยู่ มาบูรณาการเข้าด้วยกัน เพื่อสร้างเครื่องมือทางด้านวิศวกรรมเมตาบอลิกให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น จะทำให้การทำนายและวิเคราะห์หาระบบการจัดการการเลี้ยงและสูตรอาหารเลี้ยงเชื้อ ที่จะนำมาซึ่งการใช้คาร์บอนและไนโตรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น เพื่อที่จะนำความรู้ที่ได้นี้ไปประยุกต์ใช้กับการเพาะเลี้ยงสไปรูลิน่าและสาหร่ายขนาดเล็กในระดับบ่อทดลองที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ที่จะเป็นการช่วยทำให้เกิดนวัตกรรมการเพาะเลี้ยงที่มีการลดต้นทุนและลดการปล่อยของเสีย เพื่อการเพาะเลี้ยงอย่างยั่งยืนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ตลอดจนนำความรู้นี้ไปต่อยอดในโครงการวิจัยอื่น ๆ ต่อไปในอนาคต เช่นการปรับปรุงสายพันธุ์ที่ให้ผลผลิตสูง เป็นต้น