การศึกษาวิจัยในครั้งนี้ประสพความสาเร็จเป็นอย่างดีในการวิเคราะห์บทบาทความเป็นพิษของไอออนโลหะแคดเมียมที่มีต่อจุลชีพ รวมถึงการศึกษาการตอบสนองของจุลชีพที่มีต่อไอออนเหล่านั้นโดยอาศัยเทคนิคทางโปรตีโอมิกส์ โดยโมเดลที่ใช้ในการศึกษาในระยะแรก คือ การศึกษารูปแบบการแสดงออกของโปรตีนในเซลล์แบคทีเรีย Escherichia coli (E. coli) ในสภาวะที่มีไอออนของโลหะแคดเมียมความเข้มข้น 0.2 มิลลิโมล่าร์ นอกจากนั้น เพื่อเป็นการศึกษาเปรียบเทียบกลไกการตอบสนองในเชิงลึก ในงานวิจัยครั้งนี้ ได้มีการใช้เซลล์ E. coli ที่มีการดัดแปลงให้แสดงออกเปปไทด์ที่มีคุณสมบัติในการจับกับไอออนโลหะที่มีส่วนประกอบของกรดอะมิโนชนิดฮิสทีดีน ทั้งในลักษณะที่แสดงออกบนผิวเซลล์ (Outer membrane protein) หรือแสดงออกในไซโตพลาสม (Cytoplasmic protein) โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ในการดักจับไอออนไว้บริเวณผิวเซลล์เพื่อลดการผ่านเข้าสู่เซลล์ หรือใช้ในการจับกับไอออนของโลหะในลักษณะสารประกอบเชิงซ้อนภายในไซโตพลาสม ตามลาดับ จากผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า มีการเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของโปรตีนหลายชนิด อาทิ aconitase, elongation factor-Ts, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase และ protein-disulfide isomerase ในเซลล์ควบคุมและเซลล์ที่ดัดแปลง ซึ่งพบว่า เซลล์ที่มีเปปไทด์ฮิสทีดีนบนผิวเซลล์ลดการแสดงออกของโปรตีนที่ชื่อว่า H+-transporting ATPase, succinate dehydrogenase และ glycerol kinase และมีการเพิ่มการแสดงออกของเอนไซม์ Mn-SOD ในขณะที่ พบมีการลดการแสดงออกของเอนไซม์ชนิดนี้ ร่วมกับ succinyl-Co-A synthetase และ outer membrane protein และมีการเพิ่มการแสดงออกของเอนไซม์ glycerol kinase ในเซลล์ที่แสดงออกเปปไทด์ในไซโตพลาสม โดยกระบวนการปรับตัวและการตอบสนองของเซลล์เหล่านี้ ถูกวิเคราะห์และสรุปผลเพื่อนาไปใช้ในการศึกษาเปรียบเทียบกับการตอบสนองของแบคทีเรียที่แยกได้จากสิ่งแวดล้อม โดยในงานวิจัยชิ้นนี้มีการแยกแบคทีเรียจาก 41 แหล่งและชนิดของแบคทีเรียเหล่านี้ถูกนามาวิเคราะห์ด้วย MALDI-Biotypers ซึ่งพบว่ามีแบคทีเรียจานวน 4 ชนิดที่มีความสามารถในการทนต่อพิษของไอออนแคดเมียมในปริมาณที่สูง ดังนี้ Morganella morganii และ Pseudomonas aeruginosa ทนได้ถึง 1.6 มิลลิโมล่าร์ ในขณะที่ Enterobacter cloacae และ Aeromonas hydrophila ทนได้ที่ 0.8 มิลลิโมล่าร์ และเมื่อทาการนาเชื้อ Enterobacter cloacae มาศึกษากลไกการตอบสนองต่อโลหะแคดเมียมในรายละเอียดทั้งการศึกษารูปแบบการเจริญเติบโต และศักยภาพในการดูดซับไอออนโลหะแคดเมียม (Cadmium accumulation) โดยเป็นการวิเคราะห์ปริมาณไอออนของแคดเมียมที่ถูกดูดซับและเก็บไว้ภายในเซลล์โดยใช้เทคนิค Atomic Absorption Spectrophotometry ภายหลังเวลา 1 ชั่วโมงในสภาวะที่มีความเข้มข้นของไอออนแคดเมียมที่ 0.02 และ 0.2 มิลลิโมล่าร์ จากผลการวิจัยพบว่า ศักยภาพในการดูดซับโลหะของเชื้อที่แยกได้จากสิ่งแวดล้อมสูงกว่าเชื้อที่เป็นสายพันธุ์ควบคุม และจากผลการวิเคราะห์ทางโปรตีโอมิกส์แสดงให้เห็นว่า มีกลไกหลายชนิดที่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการตอบสนองของเซลล์ ได้แก่ โปรตีนที่เกี่ยวกับกระบวนการม้วนตัว (protein folding), protein synthesis, energy metabolism pathway และ transportation นอกจากนั้น ยังพบมีการเพิ่มการแสดงออกของโปรตีนที่มีคุณสมบัติในการจับกับไอออนโลหะแคดเมียม (Cadmium-binding proteins) ในเชื้อ Enterobacter cloacae สายพันธุ์ EN01 ที่มีความสามารถในการดูดซับโลหะได้สูงที่สุด ซึ่งโปรตีนเหล่านี้ ถูกนามาวิเคราะห์จาแนกชนิดเพื่อประเมินศักยภาพและความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้ในลักษณะเป็นตัวบ่งชี้ทางชีวภาพ (Biomarkers) การปนเปื้อนไอออนของโลหะ รวมไปถึงการใช้เซลล์เหล่านี้ในการบาบัดสิ่งแวดล้อมในอนาคตต่อไป Mechanisms of cadmium ions toxicity in microorganisms and their responses have successfully been investigated. Proteomic profiles of Escherichia coli (E. coli) upon exposure to 0.2 mM cadmium ions were studied. In parallel, engineered cells expressing polyhistidine on the outer membrane or cytoplasmic polyhistidine were applied to prove the roles of reduction of metal uptake or intracellular metal complexation. Changes of aconitase, elongation factor-Ts, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase and protein-disulfide isomerase were found in both control and engineered E. coli. Meanwhile, expression of polyhistidine on the membrane mediated down-regulation of H+-transporting ATPase, succinate dehydrogenase and glycerol kinase and up-regulation of Mn-SOD. Expression of cytoplasmic polyhistidine led to decreasing of Mn-SOD, succinyl-Co-A synthetase and outer membrane protein together with increased expression of glycerol kinase. Such adaptations were concluded and further compared with environmental bacteria. Bacteria from 41 sites were isolated and identified by MALDI-Biotypers. Four kinds of bacteria demonstrated high resistance against cadmium ions as follows: Morganella morganii (1.6 mM) ~ Pseudomonas aeruginosa (1.6 mM) > Enterobacter cloacae (0.8 mM) ~ Aeromonas hydrophila (0.8 mM). Enterobacter cloacae was selected to study the mechanism of cells in response to cadmium. Growth curves and cadmium accumulation capability of the isolated bacteria were subsequently investigated and compared with the control laboratory strains. Intracellular cadmium contents after 1-hour incubation with subtoxic doses of cadmium ions at 0.02 and 0.2 mM were determined by atomic absorption spectrophotometry. Cadmium accumulations in environmental strains were higher than those of the lab stain. 2-DE showed that many pathways e.g protein folding, protein synthesis, energy metabolism pathway and transportation were accounted for bacterial adaptation in response to cadmium. Up-regulation of the cadmium-binding proteins were observed in the highest cadmium-accumulated strain of Enterobacter cloacae EN01. Moreover, metal-responsive proteins were also identified and proposed as candidate biomarkers for metal monitoring and bioremediation in the future.