INTERCRYSTALLAR ศาสตร์แห่งผลึก ทะลุอณูกู้โลก

หมายเหตุ : คำว่า Intercrystallar เป็นคำที่บทความนี้ประดิษฐ์ขึ้นใช้เอง โดยย่อจากคำว่า International Year of Crystallography และเพื่อเลียนแบบชื่อภาพยนตร์ Interstellar มิใช่ศัพท์ทางวิชาการแต่อย่างใด

ดร. ป๋วย อุ่นใจ
ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

ตอนเราเป็นเด็กน้อย ๆ ถ้าหากเราอยากรู้ว่าของเล่นชิ้นหนึ่งทำงานได้อย่างไร วิธีการง่ายที่สุดและแน่นอนที่สุดที่เราจะได้คำตอบ คือถามคุณพ่อคุณแม่ หรือคุณครู

แต่ถ้าเราไม่ได้คำตอบ หรือไม่มีใครตอบเราได้ล่ะ เราจะทำอย่างไรกันดี ?

ตอนผมเป็นเด็ก ผมแกะมันออกมาดูครับ  โครงสร้างต่าง ๆ ในของเล่นชิ้นนั้นจะบอกเราว่ามันมีกลไกการทำงานอย่างไร  (แต่ปัญหาข้อเดียวคือผมประกอบกลับไปให้มันเหมือนเดิมไม่ได้ ก็เท่านั้นเอง)

ในทางวิทยาศาสตร์ก็เช่นกัน โครงสร้างของทุกสิ่งทุกอย่าง โดยเฉพาะลึกลงไปในระดับอะตอมและโมเลกุล ถือเป็นสิ่งสำคัญที่ทำให้เราเข้าใจกระบวนการต่าง ๆ ในธรรมชาติ เช่น ทำไมน้ำจึงเป็นของเหลว ทำไมผลึกหิมะจึงมีหกแฉก ทำไมเลือดจึงเป็นสีแดง แล้วทำไมช็อกโกแลตราคาแพงถึงได้รสชาติกลมกล่อมนัก ฯลฯ

แต่อนิจจา ในอดีตนักวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งนักเคมี นักชีวเคมี และนักชีวฟิสิกส์ พวกเขาต้อง “มโน” โครงสร้างของโมเลกุลขึ้นมาในสมอง ทำการทดลอง แล้วค่อย ๆ คิดสมการต่าง ๆ ซึ่งส่วนใหญ่จะเต็มไปด้วยตัวแปรแปลก ๆ ที่ดูเหมือนภาษาต่างดาวมากกว่าภาษามนุษย์ เพื่อมาอธิบายสมบัติของโมเลกุลอย่างเป็นตุเป็นตะ

ทว่าสมการอันซับซ้อนชวนปวดเศียรเวียนเกล้าเหล่านั้นก็เพียงอธิบายกระบวนการต่าง ๆ ในธรรมชาติได้อย่างผิวเผิน

ถ้าให้เปรียบก็คงไม่ต่างจากสุภาษิตไทยว่า “ตาบอดคลำช้าง”

ปัญหาสำคัญที่สุดก็คือ นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้ว่าเกิดอะไรขึ้นจริง ๆ กับโมเลกุล !!

 

(๑) หนึ่งภาพมีความหมายมากกว่าถ้อยคำนับร้อยนับพัน

“มันเป็นเรื่องง่ายมากที่จะวิเคราะห์สารเคมีอันซับซ้อนสักอย่างหนึ่ง  สิ่งที่คุณต้องทำคือพินิจให้ละเอียดว่าอะตอมของมันอยู่ตรงไหนบ้าง ก็เท่านั้น”

ศาสตราจารย์ริชาร์ด ไฟน์แมนน์
นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลประจำปี ค.ศ. ๑๙๖๕

ใน ค.ศ. ๑๙๕๙ ที่งานประชุมประจำปีของสมาคมฟิสิกส์-อเมริกัน (American Physical Society) การบรรยายที่หลายคนรอคอยนั้นเพิ่งจบลงไปพร้อมกับเสียงปรบมือดังกึกก้องไม่ขาดสาย  รอยยิ้มปรากฏบนใบหน้าของ ริชาร์ด ไฟน์แมนน์ (Richard P. Feynman) นักวิทยาศาสตร์หนุ่มใหญ่ที่ได้สร้างแรงบันดาลให้แก่นักฟิสิกส์นับพันนับหมื่นทั่วโลก

นี่เป็นการบรรยายที่ได้รับการกล่าวขวัญมากที่สุดของเขา “There’s plenty of room at the bottom” จุดประกายไอเดียบรรเจิดถึงโลกที่มนุษย์สามารถบริหารจัดการ “อะตอม” – หน่วยย่อยที่เล็กที่สุดซึ่งแบ่งแยกไม่ได้แล้วในทางเคมี – ได้ดังใจฝัน

จินตนาการสุดอลังการงานสร้างนี้ก่อให้เกิดศาสตร์สาขาใหม่ “นาโนเทคโนโลยี” (nanotechnology) ที่เชื่อกันว่าจะส่งอิทธิพลถึงขั้นวิวัฒน์พลิกโฉมสังคมมนุษย์ไปอย่างสิ้นเชิง มิต่างไปจากการเปลี่ยนแปลงในยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม

นาโนเทคโนโลยีมุ่งควบคุมและจัดการสรรพสิ่งที่ความละเอียดสูงในระดับนาโนเมตร (๑ ในพันล้านเมตร, ๑๐-๙ เมตร) ซึ่งก็คือ “อะตอม” และ “โมเลกุล”  แต่มีปัญหาสำคัญอยู่หนึ่งข้อ คือนักวิทยาศาสตร์ต้องเข้าใจเสียก่อนว่าอะตอมและโมเลกุลนั้นจัดเรียงตัวกันอย่างไร และจะจัดการกับมันได้อย่างไร  แต่ความซับซ้อนและรายละเอียดที่เล็กจิ๋วของระดับนาโนนั้นยากจะเข้าถึง ด้วยดวงตามนุษย์จำกัดความละเอียดอยู่ที่ประมาณ ๐.๑ มิลลิ-เมตรเท่านั้น ยังห่างไกลจากระดับนาโนถึง ๑ แสนเท่า

แล้วเราจะมองเห็นภาพอะตอมในระดับนาโนได้อย่างไรกันเล่า ?

ผมยังจำได้ดีถึงภาพเงาจาง ๆ ของปลายดินสอที่ผมตวัดไปมาอย่างเชื่องช้า มองเห็นจากกล้องจุลทรรศน์ที่ผมใช้จนเคยชินในช่วงทำวิจัยซีเนียร์โปรเจกต์ระดับปริญญาตรี  ระบบทัศนูปกรณ์ของแท่นคาเมราลูซิดา (Camera Lucida) ที่สะท้อนเงาของปลายดินสอเข้ามาในกล้อง ช่วยให้ผมสามารถลอกลายเส้นตามขอบโครงสร้างของเชื้อราก่อโรคในผลไม้ไทย บางเส้นอาจเบี้ยวบูดไปบ้างตามมือที่สั่นไหว แม้จะทรมานกับการใช้งานคาเมราลูซิดาและกล้องจุลทรรศน์ใช้แสงจนปวดตาปวดมือบ้างเพราะต้องจ้องมองผ่านกล้องพร้อมกับเกร็งมือวาดอยู่ตลอดเวลา แต่ก็ถือเป็นหนึ่งในอุปกรณ์คลาสสิกที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษาโครงสร้างขนาดจิ๋วของสิ่งมีชีวิตในระดับที่ตามองไม่เห็น

กล้องฟิล์มสมัยคุณพ่อคุณแม่ยังวัยรุ่นถูกประกอบเข้ากับเลนส์มาโครขนาดใหญ่ เพื่อถ่ายภาพสปอร์ของเชื้อราบันทึกไว้บนแผ่นฟิล์ม  แม้เลนส์มาโครจะมีกำลังขยายไม่กี่สิบเท่า แต่เมื่อรวมกับภาพวาดจากคาเมราลูซิดา ก็เพียงพอที่ผมจะใช้จำแนกชนิดของราแต่ละสายพันธุ์  แต่ทั้งภาพถ่ายมาโครและภาพวาดลายเส้นจากคาเมราลูซิดาก็ไม่อาจแสดงถึงโครงสร้างหรือกลไกทางชีวภาพใด ๆ ภายในเซลล์ของเชื้อรานั้นเลยแม้แต่น้อย

เพื่อจะข้ามขีดจำกัด นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเทคโนโลยีทางทัศนศาสตร์ (optics) ขึ้นมามากมาย ไม่ว่าจะเป็นกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ที่ใช้สีฟลูออเรสเซนต์มาช่วยให้ตัวอย่างเรืองแสงสีต่าง ๆ เพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาวิจัย ไปจนถึงกล้อง
จุลทรรศน์ใช้แสงที่ถ่ายทะลุขีดจำกัดทางฟิสิกส์ของแสง (ระดับ ๒๕๐ นาโนเมตร) อย่างกล้องจุลทรรศน์ใช้แสงแบบซูเปอร์เรโซลูชัน (Super-resolution Light Microscopy) ที่ช่วยให้เราติดตามการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในเซลล์ที่ยังมีชีวิตอยู่ได้อย่างแม่นยำ อีกทั้งไม่เป็นอันตรายต่อเซลล์ด้วย

ทว่าความละเอียดที่ว่าสูงจนทะลุขีดจำกัดของแสงนั้นก็ยังห่างไกลคำว่าละเอียดมากนักเมื่อเทียบกับภาพที่ได้จากเทคนิค “ผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์” (X-ray crystallography) ที่บอกรายละเอียดถึงตำแหน่งของแต่ละอะตอมในโมเลกุล !!

(๒) ผลึก-ผลิกศาสตร์

Crystal – ผลึก
Crystallography – “ผลิกศาสตร์” อ่านว่า “ผะ-ลิ-กะ-สาด”
(ผลิก แปลว่า ผลึก) หมายถึงศาสตร์ที่ว่าด้วยการศึกษาโครงสร้างและการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึก

ศัพท์บัญญัติโดยราชบัณฑิตยสถาน

ไม่ต้องตกใจถ้าคำว่า “ผลิกศาสตร์” ไม่ใช่ศัพท์ที่คุณฟังแล้วคุ้นหู เพราะถ้าลองสุ่มถามผู้คนที่เดินไปเดินมาตามท้องถนนดูว่า “คุณรู้ไหมว่า ผลิกศาสตร์คืออะไร”  คำตอบที่คุณอาจได้กลับมาก็คือสายตาที่มองคุณด้วยความรู้สึกแปลกประหลาด

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๒ เมื่อกองทัพนาซีกำลังรุกรานเข้าประเทศเดนมาร์ก  เพื่อป้องกันการถูกปล้นสะดมโดยนาซี นักเคมีชาวฮังการี จอร์จ เดอ เฮอเวอซี (George de Hevesy) ได้นำเหรียญทองคำสองเหรียญใส่ในสารละลายกรดเข้มข้นเพื่อให้ทองคำหลอมละลายแล้วซ่อนไว้อย่างมิดชิดบนชั้นวางในห้องแล็บของเขาที่สถาบันวิจัยนีลส์บอร์ในประเทศเดนมาร์ก

ภายหลังสงครามยุติ เฮอเวอซีกลับมาที่สถาบันฯ เขาสกัดทองคำออกจากสารละลายแล้วมอบให้แก่สมาคมโนเบล (Nobel Society) เพื่อนำทองคำไปรีไซเคิลกลับมาเป็นเหรียญทองคำสองเหรียญอีกครั้งเพื่อส่งคืนให้แก่เจ้าของเหรียญ เหรียญแรกคือเหรียญทองรางวัลโนเบล ค.ศ. ๑๙๒๕ สาขาฟิสิกส์ของ เจมส์ ฟรังก์ (James Franck) และอีกเหรียญคือเหรียญทองรางวัลโนเบล ค.ศ. ๑๙๑๔ สาขาฟิสิกส์ของ ดร. มักซ์ ฟอน เลาเอ (Max von Laue)

เมื่อ ๑๐๐ ปีก่อน ดร. มักซ์ ฟอน เลาเอ ค้นพบว่าถ้ายิงรังสีเอกซ์ผ่านผลึก รังสีเอกซ์จะเลี้ยวเบนและกระเจิงด้วยแบบแผนที่จำเพาะ  อันที่จริงแล้วการกระเจิงของรังสีเอกซ์ผ่านผลึกนั้นก็ไม่ต่างอะไรนักกับการกระเจิงของแสงผ่านเกรตติง (grating)
หรือแผ่นฟิล์มที่มีช่องแคบเล็ก ๆ เรียงแถวอย่างเป็นระเบียบ ซึ่งเมื่อแสงส่องผ่านช่องของเกรตติงก็จะเลี้ยวเบนเปลี่ยนทิศทาง เกิดการแทรกสอดจนแยกออกเป็นสีหรือแถบสีต่าง ๆ กันด้วยแบบแผนที่ชัดเจน  การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ผ่านผลึกก็เช่นกัน  เนื่องจากแสงและรังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งคู่ และด้วยผลึกก็เป็นโครงสร้างที่อะตอมแต่ละอะตอมจัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ  รังสีเอกซ์ที่ส่องผ่านเข้าไปในผลึกก็เกิดรูปแบบการกระเจิงของรังสีเอกซ์ (X-ray Diffraction Pattern) ที่มีความสัมพันธ์กับตำแหน่งของอะตอมที่เรียงตัวกันเป็นระเบียบอยู่ในผลึก ซึ่งอธิบายได้ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ที่ค้นพบโดยสองพ่อลูกอัจฉริยะ เซอร์วิลเลียม เฮนรี แบร็กก์ (Sir William Henry Bragg) และเซอร์วิลเลียม ลอว์เรนซ์ แบร็กก์ (Sir William Lawrence Bragg) หลังจากทั้งคู่ได้วิเคราะห์แบบแผนการกระเจิงดังกล่าวอย่างถึงกึ๋น  สมการดังกล่าวได้รับการตั้งชื่อว่า กฎของแบร็กก์ (Bragg’s Law) และทำให้พ่อลูกตระกูลแบร็กก์ได้รางวัลโนเบลไปใน ค.ศ. ๑๙๑๕

การค้นพบของฟอน เลาเอ และสองพ่อลูกตระกูลแบร็กก์ ถือได้ว่าเป็นต้นกำเนิดของเทคโนโลยีผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์ (X-ray crystallography) ที่เปรียบเสมือนกับ “ตาวิเศษ” ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองเห็นภาพของสรรพสิ่งลึกซึ้งทะลุถึงระดับอะตอม  จนเกิดความเข้าใจในระบบและกระบวนการในธรรมชาติ ไม่ว่าจะเป็นกลไกการก่อโรคของเชื้อจุลินทรีย์ ปัจจัยที่กำหนดความแข็งแกร่งของโลหะ ความยืดหยุ่นของสารพอลิเมอร์ กระบวนการสร้างสารพันธุกรรมที่ถ่ายทอดสู่ลูกหลาน จนไปถึงการออกแบบยาใหม่ ๆ ที่ต่อสู้กับโรคที่ยังไม่อาจรักษา จนองค์การการศึกษา วิทยาศาสตร์ และวัฒนธรรมแห่งสหประชาชาติ (UNESCO) ยกย่องเทคนิคนี้ว่าเป็น “หนึ่งในเทคโนโลยีที่เจ๋งที่สุดในศตวรรษที่ ๒๐”

นอกจากฟอน เลาเอ และสองพ่อลูกแบร็กก์แล้ว จำนวนนักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีผลิกศาสตร์นี้ก็นับเป็นดัชนีชี้วัดความเจ๋งของเทคโนโลยีนี้ได้เป็นอย่างดี เพราะในช่วงศตวรรษที่ผ่านมามีนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานกับศาสตร์นี้พิชิตรางวัลอันทรงเกียรติมาครองถึง ๔๕ ครั้ง

แม้คุณูปการของมันที่มีต่อมวลมนุษยชาตินั้นจะมากมายมหาศาล และเปลี่ยนวิถีชีวิตของเราไปอย่างคาดไม่ถึง แต่คนทั่วไปก็แทบไม่รู้จักมันเลย

ปี ค.ศ. ๒๐๑๔ องค์การยูเนสโกและสหภาพสากลแห่งผลิกศาสตร์ (International Union of Crystallography, IUCr) จึงขนานนามให้เป็นปีผลิกศาสตร์สากล (International Year of Crystallography) เพื่อเฉลิมฉลองการครบรอบ ๑ ศตวรรษแห่งการถือกำเนิดขึ้นของผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์จากการค้นพบของ ดร. มักซ์ ฟอน เลาเอ และการค้นพบวิธีวิเคราะห์ตำแหน่งของอะตอมในโครงสร้างผลึกจากแบบแผนการกระเจิงของรังสีเอกซ์โดยพ่อลูกตระกูลแบร็กก์

นอกจากนี้ยังครบรอบ ๕๐ ปีที่ ศ. ดร. โดโรที ฮอดจ์กิน(Dorothy Hodgkin) ได้รับรางวัลโนเบล (ค.ศ. ๑๙๖๔) จากการใช้ผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์ ค้นพบโครงสร้างของวิตามินบี ๑๒ ซึ่งเป็นวิตามินที่มีความสำคัญมากต่อการทำงานของเซลล์ และยาเพนิซิลลิน ยาปฏิชีวนะตัวแรกของโลกที่เป็นปริศนาว่ามีโครงสร้างอย่างไรแน่  นับเป็นการเปิดเผยโครงสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อนมากโมเลกุลหนึ่งเท่าที่เคยมีมาจากข้อมูลที่ได้จากรังสีเอกซ์

การค้นพบโครงสร้างของยาเพนิซิลลินช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเคราะห์ยาปฏิชีวนะตัวอื่น ๆ ขึ้นมาในภายหลัง และนั่นหมายถึงความสามารถที่จะรักษาชีวิตของคนทั่วโลก – แน่นอน รวมถึงผมและคุณด้วย

(๓) ทำไมเพชรจึงแข็งกว่าไส้ดินสอ

“อะตอมสีแดงคือออกซิเจน และสีขาวก็คือไฮโดรเจน อะตอมไฮโดรเจนทั้งสองจะสร้างพันธะเคมียึดติดกับอะตอมออกซิเจนเป็นรูปร่างคล้ายหัวมิกกีเมาส์  อะตอมไฮโดรเจนทั้งสองนี้จะทำมุมกันราว ๆ ๑๐๔.๕ องศา ประกอบกันเป็นโมเลกุลของน้ำ”

โมเดลโครงสร้างอะตอมพลาสติกสีสดใสถูกพลิกไปมา พร้อมกับเสียงอธิบายดังเจื้อยแจ้ว

“ที่อุณหภูมิห้อง น้ำจะเป็นของเหลวที่เปลี่ยนรูปร่างไปตามภาชนะที่บรรจุ เพราะพันธะหรือแรงยึดระหว่างโมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลนั้นจับกันแบบหลวม ๆ  แต่เมื่อได้รับความร้อนมาก ๆ พันธะที่จับกันหลวม ๆ นั้นก็จะแตกสลาย  โมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลก็จะแยกออกจากกันกลายเป็นไอน้ำลอยละล่องไป เปลี่ยนไปอยู่ในสถานะของก๊าซ  แต่ถ้าอุณหภูมิลดต่ำลง พันธะอ่อน ๆ หลวม ๆ นั้นจะเริ่มแข็งแกร่งขึ้น  โมเลกุลน้ำก็จะยึดติดกันเป็นแผงเรียงแถวอย่างเป็นระเบียบรูปหกเหลี่ยม กลายเป็นผลึกน้ำแข็ง”

โครงสร้างโมเลกุลที่จับกันเป็นรูปหกเหลี่ยมในผลึกน้ำแข็งนี้เองที่เป็นคำตอบว่าทำไมเกล็ดหิมะอันงดงามและน่าพิศวงนั้นจึงมีหกแฉก

กลไกการเยือกแข็งของน้ำ การเกิดเกล็ดหิมะ ความแตกต่างระหว่างผลึกเกลือกับผลึกน้ำตาล ฯลฯ โครงสร้างของผลึกทางกายภาพต่าง ๆ เหล่านี้ ล้วนถูกศึกษาด้วยเทคโนโลยีผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์อย่างแพร่หลายในยุคแรก ๆ ช่วยให้เราเข้าใจกระบวนการในธรรมชาติเพิ่มขึ้นอย่างมากมาย เพราะโครงสร้างของโมเลกุลที่ต่างกันของสสารที่ต่างกันนั้น ก่อให้เกิดสมบัติที่แตกต่างกัน

มาลองดูตัวอย่างหนึ่งคือผลึกของคาร์บอนที่มีสองอัญรูป “เพชร” กับ “แกรไฟต์” หรือไส้ดินสอดำ

“เพชร” เป็นอัญมณีอันเลอค่า ทั้งแวววาว สดใส แข็งแกร่ง และทนทาน  ขณะที่แกรไฟต์ซึ่งก็เป็นผลึกของคาร์บอนเหมือนกัน กลับไร้ซึ่งความงดงาม ทั้งดำ ทึบแสง แถมยังเปราะบางและแตกหักง่าย ทั้งที่สสารทั้งสองนั้นประกอบขึ้นจากคาร์บอนเหมือนกัน แต่ทำไมคุณสมบัติจึงแตกต่างกันได้ขนาดนั้นเล่า ?

คำถามนี้คงตอบได้ยาก หากไม่รู้ว่าเหล่าอะตอมคาร์บอนที่ประกอบตัวกันขึ้นมาเป็นผลึกของเพชรและแกรไฟต์นั้นเรียงตัวกันอย่างไร

และเทคนิคการกระเจิงรังสีเอกซ์ก็เข้ามาช่วยบ่งชี้ตำแหน่งของคาร์บอนแต่ละอะตอม ทำให้มองเห็นถึงโครงสร้างการเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนในทั้งสองอัญรูป และช่วยอธิบายคุณสมบัติของเพชรและแกรไฟต์ได้อย่างน่าอัศจรรย์

อะตอมคาร์บอนในเพชรนั้นจับตัวกันเป็นผลึกด้วยพันธะทางเคมีที่เชื่อมโยงกันเป็นโครงข่ายที่หนาแน่นในทั้งสามมิติ ทำให้เพชรแข็งแกร่งอย่างไม่มีธาตุใดจะเทียบได้  ขณะที่แกรไฟต์มีพันธะทางเคมียึดอะตอมคาร์บอนเป็นแผ่นสองมิติ (เรียกว่า แกรฟีน) ที่มีความแข็งแกร่งและทนทานไม่ต่างจากเพชร ทว่าระหว่างแกรฟีนแต่ละแผ่นที่เรียงซ้อนกันเป็นชั้น ๆ จนเป็นแท่งแกรไฟต์สามมิตินั้น ไร้พันธะทางเคมีที่เชื่อมพวกมันเข้าไว้ด้วยกัน จึงทำให้มันเปราะบางและแตกหักง่าย

ด้วยเหตุนี้วงการวิศวกรรมเหมืองแร่จึงนิยมใช้การกระเจิงรังสีเอกซ์ผ่านผลึกศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของหินแร่ ทั้งในแง่ของชนิด การก่อตัวและโครงสร้างของชั้นหิน ซึ่งเป็นความรู้ที่มีความสำคัญยิ่งยวดต่อการทำเหมืองแร่และการขุดเจาะเหมือง

ไม่แต่ในโลกของเรา องค์การนาซาได้ติดตั้งมาตรวัดการกระเจิงแสง (diffractometer) บนยานสำรวจ คิวริโอซิตี (Curiousity) ซึ่งเดินทางไปถึงดาวอังคารเมื่อ ๒ ปีก่อน (ค.ศ. ๒๐๑๒) เพื่อศึกษาวิเคราะห์ลักษณะและสมบัติของดิน หิน แร่บนดาวอังคารด้วยเทคนิคทางผลิกศาสตร์อีกด้วย

ที่สำคัญคือความรู้เกี่ยวกับดินหินบนดาวอังคารอาจให้คำตอบว่า มีชีวิตบนดาวอังคารหรือไม่

ผลคือ ผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์ที่ค้นพบบนโลกเมื่อ ๑๐๐ ปีก่อน ได้บอกถึงสิ่งที่ยานสำรวจ คิวริโอซิตี สำรวจพบบนดาวอังคาร ว่าเป็นดินที่มีลักษณะของดินเหนียว นั่นหมายถึงว่าพื้นที่นั้นอาจเคยเป็นลำธารหรือทะเลสาบเก่าเมื่อหลายพันล้านปีก่อน

และถ้ามีน้ำ ดาวอังคารก็อาจเคยมีสิ่งมีชีวิต ?

(๔) ความพยายามอยู่ที่ไหน ความสำเร็จอยู่ที่นั่น

ด้วยความเพียรพยายามถึงกว่า ๓๕ ปีของ ศ. ดร. โดโรที ฮอดจ์กิน ในที่สุดโลกก็ได้ยลโฉมโครงสร้างโมเลกุลของหนึ่งในสารชีวโมเลกุลที่สำคัญที่สุดในวงการแพทย์ที่เรียกว่า “ฮอร์โมนอินซูลิน” จากการต่อสู้อย่างไม่ยอมลดละของนักวิทยาศาสตร์หญิงเหล็กผู้นี้

กลไกการทำงานและบทบาทของอินซูลินในการควบคุมการเผาผลาญสารอาหารจำพวกคาร์โบไฮเดรต เริ่มแจ่มชัดขึ้นเมื่อเราเข้าใจโครงสร้างของอินซูลิน และความผิดปรกติของผู้ป่วยโรคเบาหวานก็เป็นที่เข้าใจอย่างละเอียด พร้อมกับการชี้ให้เห็นถึงกลวิธีใหม่ ๆ ในการรักษาโรคเบาหวาน โรคประจำตัวของคนในสังคมสมัยใหม่

ตอนค้นพบนั้นเธออายุได้ ๕๙ ปีแล้ว แต่ตั้งแต่เธออายุ ๒๔ ปี สาวน้อยโดโรทีก็ต้องทนทุกข์ทรมานเจ็บปวดจากการบวมและอักเสบตามข้อ บางครั้งเจ็บปวดจนมือของเธอแทบจะใช้การไม่ได้เลยทีเดียว  แพทย์วินิจฉัยว่า เธอเป็นโรคข้อรูมาตอยด์ และทำนายไว้ว่าอีกไม่นานเธอจะเดินไม่ได้  แต่สาวน้อยโดโรทีมุ่งมั่นอย่างยิ่งที่จะเป็นนักผลิกศาสตร์  และด้วยแรงบันดาลใจอันเต็มเปี่ยมจากอาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ของเธอคือ ศ. ดร. จอห์น เดสมอนด์ เบอร์นัล (John Desmond Bernal) ลูกศิษย์หัวแก้วหัวแหวนของเซอร์วิลเลียม เฮนรี แบร็กก์ ผู้โด่งดัง  โดโรทีและอาจารย์ของเธอ เจ. ดี. เบอร์นัล คือสองนักวิทยาศาสตร์ผู้ริเริ่มนำเทคโนโลยีการกระเจิงรังสีเอกซ์มาประยุกต์ใช้กับสารชีวโมเลกุล โดยเริ่มต้นจากการศึกษาโครงสร้างของเอนไซม์ที่ใช้ย่อยโปรตีนในกระเพาะอาหาร นามว่า เพปซิน (pepsin)

แม้จะป่วยด้วยโรคข้อเรื้อรังตลอดเวลาหลายสิบปี โดโรทีก็ยังสนุกกับงานที่เธอรัก นั่นคือการใช้ผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์เพื่อค้นหาโครงสร้างของสารชีวโมเลกุลที่สำคัญมากมาย

คอเลสเตอรอล ไวรัสใบยาสูบ วิตามินบี ๑๒ และยาปฏิชีวนะเพนิซิลลิน  หากไม่มีเธอ โครงสร้างของสารชีวโมเลกุลเหล่านี้ก็อาจจะยังคงเป็นปริศนา

จากบทบาทสำคัญของโดโรทีที่มีต่อวงการผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์ และผลงานวิจัยทางชีววิทยาเชิงโครงสร้างระดับสุดยอดของเธอที่ได้รับการยอมรับอย่างสูงและคุณูปการใหญ่หลวงที่มีต่อวงการแพทย์  ชื่อของ โดโรที ฮอดจ์กิน จึงขึ้นแท่นติดอยู่บน Hall of Fame ในฐานะผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาเคมีเมื่อ ค.ศ. ๑๙๖๔

เธอคือหนึ่งบทพิสูจน์ของสุภาษิตที่ว่า “ความพยายามอยู่ที่ไหน ความสำเร็จอยู่ที่นั่น” อย่างแท้จริง !

…

ขณะที่แล็บของฮอดจ์กินกำลังสนุกสนานกับการค้นหาโครงสร้างของสารชีวโมเลกุลขนาดเล็ก อีกมุมหนึ่งของเคมบริดจ์ นักวิทยาศาสตร์หนุ่ม แมกซ์ เพอรุตซ์ (Max Perutz) กำลังตามล่าไล่ฝันอยู่เช่นกัน – โปรตีน “เฮโมโกลบิน” (hemoglobin)
สารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญของการขนส่งออกซิเจนในกระแสเลือดไปสู่เซลล์ทุกเซลล์ในร่างกาย และทำให้เลือดมีสีแดงสด

๒๒ ปีแห่งความหวังและความมุ่งมั่น เพอรุตซ์ลองผิดลองถูกแบบเลือดตาแทบกระเด็น พัฒนาเทคโนโลยีต่าง ๆ ขึ้นมามากมาย จนบรรลุเป้าหมายคือ “โครงสร้างสามมิติของโปรตีนแห่งเลือด” ได้สำเร็จ

ปี ค.ศ. นั้นคือ ๑๙๕๙ และเขาเริ่มต้นศึกษามันตั้งแต่ ๑๙๓๗  จากหนุ่มน้อยวัย ๒๓ ถึงหนุ่มใหญ่ในวัย ๔๕

ต่อหน้าช่างภาพและสื่อมวลชน เพอรุตซ์ตั้งท่าเคียงข้างแบบจำลองโครงสร้างเฮโมโกลบินหน้าตาคล้ายตัวต่อเลโก้ที่ทำจากไม้บัลซา ใบหน้าเอิบอิ่มด้วยรอยยิ้มแห่งชัยชนะ

“ในที่สุดผมก็ได้เห็นสิ่งที่ผมเฝ้าค้นคว้ามากว่า ๒๒ ปี ผมรู้สึกเหมือนกับได้พิชิตยอดเขาหลังจากปีนขึ้นไปอย่างยากลำบาก และผมก็ตกหลุมรักไปด้วยในเวลาเดียวกัน เต็มเปี่ยมไปด้วยความปลื้มปีติ  บางทีความรู้สึกเช่นนี้อาจเกิดขึ้นเฉพาะในวงการวิทยาศาสตร์ เมื่อธรรมชาติได้เผยความลับอันยิ่งใหญ่ออกมา”

จากโครงสร้างของเฮโมโกลบิน ความลับของเลือดก็ได้รับการเปิดเผยเช่นกัน ! – ต้องขอบคุณแมกซ์

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์อธิบายได้แล้วว่า เลือดขนส่งออกซิเจนไปยังส่วนต่าง ๆ ร่างกายได้อย่างไร สีแดงของเลือดนั้นมาจากไหน  แล้วโรคที่เกิดจากความผิดปรกติของโปรตีนเฮโมโกลบินนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร เหตุใดจึงไม่สามารถขนส่งออกซิเจนได้ตามปรกติ  โครงสร้างของเฮโมโกลบินช่วยให้เราเข้าใจกลไกการเกิดโรคเลือดหลายชนิด เช่น ภาวะเลือดจางทาลัสซีเมีย โรคทางพันธุกรรมที่พบมากในประชากรแถบเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ โดยเฉพาะประเทศไทยมีผู้ป่วยโรคนี้ถึงร้อยละ ๑ ของประชากร

องค์ความรู้ในเชิงโครงสร้างนี้ช่วยให้แพทย์และนักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาวิธีการรักษาและบำบัดโรคเลือดต่าง ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โครงสร้างสามมิติของเฮโมโกลบินถือเป็นผลงานชิ้นเอกของ แมกซ์ เพอรุตซ์  ขณะที่เทคนิคและกระบวนการต่าง ๆ ที่เขาพัฒนาขึ้นมาเพื่อใช้หาโครงสร้างของเฮโมโกลบินนั้นกลับมีอิทธิพลยิ่งกว่าต่อการศึกษาเชิงอณูชีววิทยา (molecular biology) จนตัวเขาได้รับการขนานนามว่าเป็น “เดอะก๊อดฟาเทอร์” ของวงการอณูชีววิทยาเลยทีเดียว

แต่ทำไมหนอการค้นหาโครงสร้างของสารสักตัวหนึ่งจึงต้องใช้เวลาเนิ่นนานนัก…

๓๕ ปีของฮอร์โมนอินซูลิน และ ๒๒ ปีของโปรตีนเฮโมโกลบิน

ก็แค่ตกผลึกแล้วนำไปส่องด้วยรังสีเอกซ์เท่านั้นมิใช่หรือ ?

(๕) ตกผลึก !

ยังจำการทดลองในวัยเด็กได้ไหมครับ

ใส่น้ำในถ้วยแล้วนำไปอุ่นให้ร้อน ละลายเกลือแกงหรือโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ลงไปจนอิ่มตัว ปล่อยให้สารละลายเกลือแกงเข้มข้นนั้นเย็นตัวลงอย่างช้า ๆ แล้วผลึกเกลือรูปสี่เหลี่ยมลูกบาศก์จะปรากฏขึ้นอย่างมากมายที่ก้นถ้วย

จากการจับกันอย่างมีระเบียบของโมเลกุลโซเดียมคลอไรด์เพียงไม่กี่โมเลกุล กลายเป็นจุดศูนย์กลางการก่อตัวอย่างเป็นระเบียบของผลึกที่อุบัติขึ้นอย่างเชื่องช้า  เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง อัตราการละลายของเกลือก็ลดลงตามไปด้วย  โมเลกุลโซเดียม-คลอไรด์ส่วนเกินที่ละลายไม่ได้ก็จะเริ่มหลุดออกมาจากสารละลายที่อิ่มตัว แล้วไปสะสมที่ผลึก ยิ่งสะสมมากขึ้นเท่าใด ผลึกจะค่อย ๆ เติบโตขยายขนาดใหญ่มากขึ้นเท่านั้น  ครั้นโมเลกุลของเกลือที่มาประกอบกันเป็นผลึกมีจำนวนมากพอ ผลึกก็จะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

สาเหตุที่เกลือตกผลึกง่ายก็เพราะเกลือมีโครงสร้างที่เรียบง่าย ประกอบด้วยอะตอมเพียงสองชนิดคือ “โซเดียม” และ “คลอไรด์” และอะตอมทั้งสองก็มีความเสถียรแบบสุด ๆ แม้จะต้มจนเดือดปุดๆ ก็ไม่บุบสลาย ความร้อนไม่อาจส่งผลกระทบใด ๆ จึงไม่ยากที่อะตอมของโซเดียมและคลอไรด์จะรวมตัวกันใหม่เป็นผลึกที่มีระเบียบเรียบร้อยและสวยงาม

แต่สำหรับสารชีวโมเลกุลนั้น สถานการณ์ไม่ได้ง่ายดายเหมือนกับเกลือ

สารชีวโมเลกุลส่วนใหญ่ เช่น โปรตีน อาร์เอ็นเอ หรือว่าดีเอ็นเอ เป็นสารพวกพอลิเมอร์ (โมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยหน่วยโมเลกุลเล็ก ๆ เชื่อมต่อกัน) สายยาวที่ขดพับพันกันเป็นรูปแบบชัดเจน และซับซ้อนตามแต่ชนิดของสารชีวโมเลกุล

การผลิตผลึกของสารชีวโมเลกุลพวกนี้ทำได้ยากมาก และมักกินงบประมาณสูงลิบลิ่ว  โครงสร้างอันซับซ้อนมักทำให้พวกมันไม่ค่อยเสถียร และส่วนใหญ่จะละลายในสารละลายที่เหมาะสมเท่านั้น

เมื่อสภาวะนั้นถูกเปลี่ยนเพื่อลดอัตราการละลายด้วยหวังจะให้มันค่อย ๆ ออกมาจากสารละลายแล้วจับตัวกันเป็นผลึกที่สวยงามเฉกเช่นผลึกเกลือ  แต่ในความเป็นจริงโชคชะตามักเล่นตลกกับนักผลิกศาสตร์เสมอ เพราะพอสภาวะเปลี่ยน สาร
ชีวโมเลกุลที่เฝ้าอดทนเตรียมมานานนับเดือนก็จะเริ่มบิดเบี้ยวเสียสภาพ แล้วจับกันเป็นก้อน ตกลงมากลายเป็นตะกอนขยะให้นักวิทยาศาสตร์ช้ำใจ

นักผลิกศาสตร์มักต้องเฟ้นหาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการตกผลึก ผ่านการทดลองนับหมื่นนับแสนครั้ง !

นี่คือสาเหตุซึ่งทำให้การหาสภาวะเหมาะสมที่จะตกผลึกสารชีวโมเลกุลตัวใดตัวหนึ่งนั้นกินเวลาเนิ่นนานนับหลายปี

บางครั้งสารชีวโมเลกุลที่สนใจก็ตกผลึกออกมาให้เราชื่นใจ แต่กลับเป็นผลึกที่ไร้ระเบียบ เมื่อนำไปกระเจิงรังสีเอกซ์แล้วไม่อาจให้รายละเอียดในระดับอะตอมได้ก็มี  แบบนี้ก็ต้องทำใจ ค่อย ๆ เริ่มหาสภาวะที่เหมาะสมกันใหม่

แม้หนทางจะเต็มไปด้วยขวากหนาม แต่ด้วยความมุ่งมั่นและความพร้อมที่จะฟันฝ่าอุปสรรค เส้นทางที่โรยด้วยหนามกุหลาบจะเลือนหายไป เหลือเพียงขอบฟ้าอันสดใสที่ปลายทาง

อย่างที่ แมกซ์ เพอรุตซ์ ผู้เปิดเผยความลับของโมเลกุลเฮโมโกลบินเคยประสบมา…

(๖) ไดอะรีเกลียวคู่

“‘ชีวิตคืออะไร ?’ น่าจะเป็นคำถามที่นักชีววิทยามากมายพยายามทำความเข้าใจในหลายระดับ เราก็พยายามด้วยวิธีการอันหลากหลาย และบีบให้เหลือแค่ส่วนประกอบที่จำเป็นเท่านั้น  ตั้งแต่การหารหัสของจีโนมมนุษย์ เราได้ดิจิไทซ์ข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตมาราว ๆ ๒๐ ปี มันคือการพลิกโฉมโลกอะนาล็อกของชีววิทยาไปสู่โลกดิจิทัลในคอมพิวเตอร์  แต่ตอนนี้คำถามที่ยังเหลืออยู่คือ ‘เราจะสร้างชีวิตขึ้นมาได้ไหม หรือเป็นไปได้ไหมที่เราจะสรรค์สร้างชีวิตชนิดใหม่ขึ้นมาจากเอกภพแห่งดิจิทัล ?’”

ดร. เครก เวนเทอร์
นักวิทยาศาสตร์ผู้อยู่เบื้องหลังความสำเร็จของโครงการถอดรหัสพันธุกรรมมนุษย์

ใน ค.ศ. ๒๐๑๐ นักธุรกิจและนักชีววิทยานามอุโฆษ ดร. เครก เวนเทอร์ (J. Craig Venter) ตีพิมพ์ผลงานวิจัยสุดช็อกในวารสาร Science  ด้วยเทคโนโลยีโครโมโซมสังเคราะห์ เขาได้ออกแบบวิธีการเปลี่ยนแบคทีเรียในธรรมชาติ Mycoplasma
capricolum ให้กลายเป็นแบคทีเรียชนิดใหม่ที่เขาออกแบบเองและตั้งชื่อมันว่า Mycoplasma laboratorium

ชัดเลย นักวิทยาศาสตร์สติเฟื่องกำลังพยายามเล่นบทพระเจ้า แล้วทำสำเร็จด้วยสิ !

ข้อมูลรหัสพันธุกรรมจากโครงการถอดรหัสจีโนม (genome สารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต) ช่วยให้ทีมวิจัยของ ดร. เครก เวนเทอร์ สามารถพัฒนาวิธีการออกแบบโครโมโซมสังเคราะห์ได้อย่างแม่นยำ ทว่าชีวิตใหม่ที่เขาพยายามรังสรรค์ขึ้นมานี้จะเกิดขึ้นไม่ได้เลย หากเราไม่เข้าใจกระบวนการถ่ายทอดทางพันธุกรรมอย่างถ่องแท้

และนั่นหมายถึงต้องเข้าใจก่อนว่าโครงสร้างของดีเอ็นเอ (DNA) มีลักษณะอย่างไร

ทุกวันนี้เรารู้แล้วว่าดีเอ็นเอมีโครงสร้างเป็นสายบันไดเวียนที่บิดเป็นเกลียวคู่ เป็นหนึ่งในภาพมาสคอต (mascot) ยอดนิยมของวงการชีววิทยา และได้รับสมญาว่าเป็นหนึ่งในโครงสร้างโมเลกุลที่ “ทรงคุณค่าที่สุด” ในวงการวิทยาศาสตร์

โครงสร้างสามมิติของดีเอ็นเอนี้ค้นพบโดย เจมส์ ดี. วัตสัน (James D. Watson) และ ฟรานซิส คริก (Francis Crick)  โดยวัตสันบันทึกการค้นพบและแนวคิดต่าง ๆ ของเขาในช่วงเวลาแห่งประวัติศาสตร์ไว้ในสมุดไดอะรีอย่างละเอียด

ในช่วงต้นของทศวรรษที่ ๑๙๕๐ วัตสันเพิ่งย้ายมาอยู่ที่ประเทศอังกฤษ ขณะที่งานวิจัยดีเอ็นเอกำลังโด่งดัง สังคมวิทยาศาสตร์ทั่วโลกเริ่มให้ความสนใจแก่การหาโครงสร้างของดีเอ็นเอ รวมถึงนักผลิกศาสตร์มือฉมังอย่าง โรซาลินด์ แฟรงกลิน
(Rosalind Franklin) และ มอริซ วิลคินส์ (Maurice Wilkins) ทั้งคู่คือยอดฝีมือผู้บันทึกแบบแผนของการกระเจิงรังสีเอกซ์ของดีเอ็นเอไว้ได้อย่างชัดเจนและสวยงาม  แต่อนิจจา พวกเขาไม่สามารถตีความฟิล์มเอกซเรย์ที่สวยงามเพื่ออธิบายโครงสร้างของดีเอ็นเอให้สอดคล้องสมเหตุสมผลได้ดั่งใจปรารถนา  โครงการของพวกเขาจึงถึงทางตัน

แล้วพระเอกขี่ม้าขาวก็ปรากฏ วัตสัน นักวิจัยหลังปริญญาเอกจากเคมบริดจ์ ผู้มีไอเดียสุดบรรเจิดและเป็นอัจฉริยะที่อยู่ถูกที่ถูกเวลา เพราะเพียงเขาเห็นฟิล์มเอกซเรย์ของโรซาลินด์แค่ครั้งเดียว เขาก็คาดเดาได้ทันทีว่า แบบแผนการกระเจิงรังสีเอกซ์ของดีเอ็นเอนั้นต้องมาจากโครงสร้างบันไดเวียนเป็นเกลียวแน่นอน

วัตสันนำไอเดียของเขาไปหารืออย่างตื่นเต้นกับเพื่อนชื่อ ฟรานซิส คริก ซึ่งยังเป็นนักศึกษาระดับดุษฎีบัณฑิตอยู่ ทั้งคู่เขียนบทความเสนอโมเดลแบบจำลองสามมิติของดีเอ็นเอ ส่งไปลงตีพิมพ์ในวารสาร Nature ใน ค.ศ. ๑๙๕๓  ปัจจุบันบทความดังกล่าวถือเป็น “บทความตัวอย่างของงานวิจัยทางชีวฟิสิกส์” ที่คลาสสิกสุด ๆ และทำให้ทั้ง วัตสัน คริก และวิลคินส์ ได้รางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาและการแพทย์ไปครองใน ค.ศ. ๑๙๖๒

สมุดไดอะรีของวัตสันได้รับการจัดพิมพ์เป็นหนังสือแห่งประวัติศาสตร์ชื่อ เกลียวคู่ (The Double Helix) บอกเล่าถึงประวัติการค้นพบโครงสร้างดีเอ็นเอไว้อย่างมีชีวิตชีวา และเป็นแรงบันดาลใจให้นักศึกษาวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่มากมายหันมาสนใจวิชาชีววิทยาและพันธุศาสตร์อีกด้วย

นอกจากความสวยงามในเชิงโครงสร้าง เกลียวคู่สามมิติของดีเอ็นเอยังแฝงด้วยนัยแห่งกลไกชีวิตอันเป็นศูนย์กลางของกิจกรรมต่าง ๆ ของเซลล์  การคลายสายเกลียวคู่และข้อมูลการจับคู่อย่างจำเพาะของบันไดแต่ละข้างของสายเกลียว ช่วยเปิดเผยให้เรารู้ถึงกลไกการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากพ่อแม่สู่ลูก การสร้างสารพันธุกรรม การแบ่งเซลล์ ไปจนถึงการยับยั้งการแสดงออกของยีนหรือลักษณะอันจำเพาะต่าง ๆ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญ และถือเป็นต้นกำเนิดของอณูชีววิทยา (molecular biology)

องค์ความรู้พื้นฐานนี้นำไปประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายทั้งในแวดวงพันธุวิศวกรรม การแพทย์ และเทคโนโลยีชีวภาพ

(๗) รู้เขา รู้เรา รบร้อยครั้ง ชนะร้อยครั้ง

แขนกลขนาดใหญ่เคลื่อนซิกแซ็กไปมาอย่างคล่องแคล่วในตู้ควบคุมบรรยากาศ  มันปล่อยหยดน้ำขนาดเล็กจิ๋วจนแทบมองไม่เห็นหยดแล้วหยดเล่าลงบนถาดขนาดเล็กที่วางในตู้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ

หุ่นยนต์ช่วยตกผลึกถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย เนื่องจากสามารถช่วยลดปริมาณสารตัวอย่าง และลดความผิดพลาดจากความสะเพร่าของนักวิทย์ผู้ทำหน้าที่ตกผลึกเองได้ด้วย  หุ่นยนต์เหล่านี้พบเห็นได้ทั่วไปในห้องปฏิบัติการผลิกศาสตร์ขนาดใหญ่ของสถาบันวิจัยต่าง ๆ และแน่นอนที่สุดในบริษัทยา เพราะโครงสร้างของโมเลกุลชีวภาพเปรียบเสมือนกุญแจสำคัญที่มีส่วนช่วยค้นหาและออกแบบยาชนิดใหม่ที่มีฤทธิ์สูงซึ่งมีเป้าหมายยับยั้งการทำงานของโปรตีนตัวสำคัญในเชื้อจุลินทรีย์ก่อโรค

ขณะที่เชื้อก่อโรคหลายชนิดดื้อยาจนยาที่ใช้กันอยู่นั้นดูจะไร้พิษสง  ในการออกแบบยาชนิดใหม่ ความเข้าใจในโครงสร้างของโปรตีนเป้าหมายจึงสำคัญยิ่งเพราะจะเป็นตัวบ่งบอกว่ายาที่ออกแบบมานั้นจะใช้งานได้จริงหรือไม่

นักวิจัยทั้งในมหาวิทยาลัย สถาบันวิจัย และบริษัทยาหลายแห่ง ได้ริเริ่มพัฒนาอัลกอริทึมทางคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่า “ด็อกกิง” (docking แปลว่า เทียบท่า) ที่ช่วยให้เข้าใจว่าโมเลกุลของยาเข้าไปจับตรงบริเวณไหนของโครงสร้างโปรตีนเป้าหมาย แล้วจับด้วยแรงหรืออันตรกิริยาแบบใด จับกันแน่นแค่ไหน เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์ทำนายกลไกการยับยั้งการทำงานของโปรตีนเป้าหมายได้

นอกจากนี้ก็อาจนำข้อมูลที่ได้ไปใช้ประโยชน์ในการออกแบบโมเลกุลยาเสียใหม่ เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าโมเลกุลของยาตัวเดิม เช่น ยาที่ยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ของเชื้อมาลาเรีย เป็นต้น

แม้ว่าเทคโนโลยีที่ใช้คำนวณนั้นจะก้าวหน้าไปมาก แต่การจำลองแบบในคอมพิวเตอร์นั้นยังมีปัญหาเรื่องของเวลาและสมรรถนะของเครื่องคอมพิวเตอร์ เนื่องจากต้องการพลังการคำนวณที่สูงมาก จึงมักต้องใช้เครื่องถึงระดับซูเปอร์คอมพิวเตอร์  แต่เทคโนโลยีนี้ก็ช่วยประหยัดงบวิจัยให้บริษัทยาได้มากโข เพราะถ้ารู้โครงสร้างของเอนไซม์และยา  นอกจากคำนวณได้ว่ายาจะจับกับเอนไซม์ตรงไหนแล้ว ยังสามารถมองลึกถึงกลไกของยาที่ออกฤทธิ์ในระดับอะตอม  ถ้าเรารู้จักโครงสร้างของเอนไซม์เป้าหมายเป็นอย่างดี เราก็จะรู้ว่าต้องสังเคราะห์สารอะไรมาใช้เป็นยา โดยไม่ต้องทดลองแบบตำน้ำพริกละลายแม่น้ำ สังเคราะห์สารสุ่มเป็นล้านชนิด แล้วหวังว่าจะเจอแจ็กพอต !

กระนั้นกระบวนการทำด็อกกิงส่วนใหญ่ยังเน้นการคำนวณจากโครงสร้างสามมิติที่ได้จากการกระเจิงของรังสีเอกซ์ ซึ่งให้ข้อมูลได้เพียงภาพนิ่ง (snapshot) ของโมเลกุลที่แข็งทื่อผิดธรรมชาติ ราวกับไปจ้องตากับเมดูซามา เพราะสาร “มหโมเลกุล” แทบทุกชนิดจะขยับเขยื้อนโครงสร้างบิดไปบิดมาอยู่ตลอดเวลา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเวลาที่มันกำลังทำงานอยู่

เพื่อให้การคำนวณสมจริงที่สุด ศ. มาร์ติน คาร์พลัส (Martin Karplus) นักชีวฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) จึงได้พัฒนาเทคนิคในการคำนวณทางฟิสิกส์ เพื่อจำลองการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีน เอนไซม์หรือสารชีวโมเลกุลอื่น ๆ ทำให้สามารถติดตามปฏิกิริยาทางชีวภาพได้ที่ความละเอียดสูง ขนาดมองเห็นได้ว่า อะตอมไหนวิ่งชนกับอะตอมไหน หรืออะตอมไหนมีอันตรกิริยากับโมเลกุลใดเลยทีเดียว

วิธีการสร้างแบบจำลองในคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่า simulation นี้ ช่วยให้เราคาดการณ์พฤติกรรมของโปรตีนในระหว่างการทำงานได้ ทำให้เข้าใจธรรมชาติของโปรตีนหรือเอนไซม์ที่เราสนใจมากยิ่งขึ้น  ที่สำคัญทำให้เราวางแผนออกแบบยาหรือวัสดุใหม่ ๆ ได้แม่นยำยิ่ง

ความเสียสละและความอดทนนานหลายทศวรรษของ มาร์ติน ที่ยืนหยัดพัฒนาปรับปรุงเทคนิคและพารามิเตอร์ต่าง ๆ จนใกล้เคียงความเป็นจริงมาก จนเทคนิคซิมูเลชันได้รับการยอมรับในวงกว้าง และประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลาย ทำให้ มาร์ติน คาร์พลัส คว้ารางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำ ค.ศ. ๒๐๑๓ ไปครองอย่างไม่มีข้อกังขา

ดร. เฉลิมพล กาญจนวรินทร์ ผู้เชี่ยวชาญด้าน molecular dynamics simulations จากภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ เคยกล่าวไว้ว่า

“ผมรู้สึกทึ่งกับการได้เห็นโมเลกุลทางชีวภาพที่สามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลได้อย่างเหลือเชื่อ  ดังนั้นผมจึงพยายามทำความเข้าใจว่าโมเลกุลเหล่านี้ทำได้อย่างไร  ผมพบว่าการศึกษาโมเลกุลเหล่านี้ด้วยฟิสิกส์และคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ เป็นวิธีที่ดีที่จะช่วยให้เราเข้าใจ”

แต่สำหรับตัวผมเอง สิ่งสำคัญที่สุดก็คือ ต้องรู้จักสิ่งที่เราสนใจให้ถ่องแท้ ไม่ว่าจะใช้เทคนิคใดก็ตาม

คำว่า “รู้เขารู้เรา รบร้อยครั้ง ชนะร้อยครั้ง” ก็ยังเป็นจริงเสมอ ถ้าเรารู้จริงและประยุกต์เป็น !!

(๘) หนามยอกต้องเอาหนามบ่ง

ผมยังจำได้ถึงความประทับใจครั้งแรกที่เห็นโครงสร้างของไวรัสแบคเทอริโอเฟจ (Bacteriophage) ซึ่งเป็นไวรัสที่ไม่ก่อโรคในมนุษย์ แต่กลับก่อโรคในแบคทีเรีย

หน้าตาที่ละม้ายคล้ายกับยานอวกาศของ “เฟจ” นั้น กระตุ้นให้จินตนาการของนักวิทยาศาสตร์และศิลปินมากมายโลดแล่นไปไกลทีเดียว ถึงขนาดที่นักวิทย์สติเฟื่องบางคนเสนอไอเดียว่า เฟจนั้นอาจเป็นเอเลียนจากต่างดาวที่แอบเข้ามาในโลกตั้งแต่ยุคดึกดำบรรพ์ !

ปัจจุบันเกิดแนวคิดจะนำเฟจมาใช้ประโยชน์ในการรักษาโรคแบคทีเรียที่ดื้อต่อยาปฏิชีวนะกันอย่างแพร่หลาย ถึงแม้ว่าจะยังทำไม่สำเร็จก็ตาม

ไวรัสหลายชนิดมีโครงสร้างที่สวยงาม และมีสมมาตรอันน่าอัศจรรย์ อย่างไวรัสไข้เลือดออก  แต่ไวรัสและมหโมเลกุลเหล่านี้มักมีขนาดใหญ่โตมโหฬาร เป็นปัญหาใหญ่สำหรับการตกผลึก  ไวรัสบางชนิด อาทิ ไวรัสเอดส์นั้นสามารถเปลี่ยนหน้าตาไปได้เรื่อย ๆ ทำให้พวกมันไม่สามารถตกผลึกได้เลย ไม่ว่านักวิทยาศาสตร์จะพยายามอย่างหนักหน่วงเพียงไร

ในกรณีเหล่านี้การศึกษาโครงสร้างของอนุภาคไวรัส โดยเทคนิคการกระเจิงรังสีเอกซ์อย่างเดียวอาจจะไม่ประสบผล  นักชีววิทยาโครงสร้างจึงใช้อีกเทคโนโลยีหนึ่งมาช่วยหาโครงสร้างของไวรัสหรือมหโมเลกุลขนาดใหญ่ในระดับนาโน คือกล้อง
จุลทรรศน์อิเล็กตรอน (electron microscopy) ที่เรียกกันสั้น ๆ ว่า EM  แม้ว่าโครงสร้างที่ได้จากกล้อง EM จะมีความละเอียดน้อยกว่าผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์ แต่ก็ให้ข้อมูลหลายอย่างที่ผลึกไม่อาจบอกได้ เช่น ข้อมูลการจับตัวกันเป็นโครงสร้างพอลิเมอร์ (polymer) หรือมัลติเมอร์ (multimer) ขนาดใหญ่ และแน่นอนที่สุดข้อมูลโครงสร้างของสารที่ไม่สามารถตกผลึกได้

ในเวลานี้เราเข้าใจโครงสร้างของไวรัสก่อโรคหลายชนิดอย่างทะลุปรุโปร่ง จนสามารถออกแบบอนุภาคลอกเลียนแบบไวรัส หรือที่เรียกว่า virus-like particle  อนุภาคลอกเลียนแบบไวรัสหลากแบบหลายสไตล์ถูกสร้างขึ้นจากต้นแบบไวรัสสารพัดสายพันธุ์ บ้างเพื่อใช้เป็นวัคซีนป้องกันโรค และหลายชนิดใช้เป็นยานพาหนะสำหรับขนส่งสารยาเข้าไปยังอวัยวะหรือเซลล์เป้าหมาย ก็เพื่อป้องกันหรือสังหารเจ้าไวรัสต้นแบบนั่นแหละ

แบบนี้เขาเรียก “หนามยอกต้องเอาหนามบ่ง” ใช่ไหมล่ะครับ

(๙) ทะลุมิติ ทะยานกู้โลก

เพื่อเฉลิมฉลองวันเกิดครบรอบ ๑๐๐ ปีของผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์ (X-ray crystallography) อีกทั้งระลึกถึงวันครบรอบ ๕๐ ปีที่ ศ. โดโรที ฮอดจ์กิน ได้รับรางวัลโนเบลจากการหาโครงสร้างของวิตามินบี ๑๒ และยาเพนิซิลลิน  องค์การการศึกษา วิทยาศาสตร์ และวัฒนธรรมแห่งสหประชาชาติหรือยูเนสโก และสหภาพสากลแห่งผลิกศาสตร์ จึงยกย่องให้ ค.ศ. ๒๐๑๔ นี้เป็นปีผลิกศาสตร์สากล (International Year of Crystallography)

คำถามคือทำไมองค์กรระดับโลกอย่างยูเนสโกถึงให้ความสำคัญแก่เทคโนโลยีนี้เสียจนออกนอกหน้า ?

นั่นเพราะผลิกศาสตร์สามารถประยุกต์ใช้งานได้อย่างกว้างขวาง และช่วยเผยกลไกลึกลับของธรรมชาติอย่างลึกซึ้งทะลุเข้าไปถึงระดับอะตอม ซึ่งแม้จะดูล้ำเกินกว่าจินตนาการ แต่เทคโนโลยีผลิกศาสตร์นั้นอยู่ใกล้ตัวเรากว่าที่คิด !

ในศึกที่ไม่สิ้นสุดระหว่างมนุษย์กับเชื้อก่อโรค ศ. ดร. อะดา โยนาท (Ada Yonath) จากสถาบันวิทยาศาสตร์ไวซ์แมนน์ (Weizmann Institute of Science) ประเทศอิสราเอล ใช้เทคโนโลยีผลิกศาสตร์หาโครงสร้างของไรโบโซม (สารประกอบเชิงซ้อนระหว่างโปรตีนกับอาร์เอ็นเอ เป็นเสมือนเครื่องจักรของเซลล์ที่ทำหน้าที่สร้างโปรตีน มีความสำคัญมาก หากสูญเสียไปเซลล์จะตาย) ที่จับกับยาปฏิชีวนะซึ่งยับยั้งการทำงานของแบคทีเรีย และแสดงให้เห็นว่าเหตุใดยาจึงออกฤทธิ์เฉพาะกับแบคทีเรียเท่านั้น และไม่ส่งผลต่อไรโบโซมของมนุษย์

ผลงานของเธอทำให้เราเข้าใจกระบวนการทำงานของยาปฏิชีวนะและเริ่มเข้าใจกลไกการดื้อยาของแบคทีเรียอย่างละเอียด  ทำให้เธอได้รับรางวัลลอริอัล-ยูเนสโก สำหรับสตรีที่สร้างคุณูปการทางด้านวิทยาศาสตร์ใน ค.ศ. ๒๐๐๘ และรางวัลโนเบลสาขาเคมี ร่วมกับ ศ. ดร. เวนคะตรามัน รามากริชนัน (Venkatraman Ramakrishnan) และ ศ. ดร. โทมัส สไตทซ์ (Thomas Steitz) ในปีต่อมา

แบคทีเรียและมะเร็งหลายชนิดที่ดื้อต่อยารักษาจะสร้างโปรตีนลักษณะเหมือนท่อ เรียกว่า multidrug transporter เพื่อใช้ขนส่งโมเลกุลของยาออกไปนอกเซลล์ พูดง่าย ๆ ก็คือเป็นท่อดีดยาทิ้งนั่นแหละ พวกมันจึงทนทานหรือดื้อต่อยาที่ใช้รักษาได้  โครงสร้างของท่อส่งยาในแบคทีเรียหรือเซลล์มะเร็งดื้อยา อาจช่วยให้เราหาทางออกแบบยาใหม่ที่มีประสิทธิภาพกว่าเดิม เพื่อเข้าไปออกฤทธิ์ต่อเซลล์เหล่านั้น โดยที่ยาใหม่จะไม่ถูกดีดทิ้ง

และแน่นอนที่สุด สำหรับโรคอุบัติใหม่ที่เป็นข่าวดังทั่วโลก ความเข้าใจในเชิงโครงสร้างของเชื้อไวรัสที่ความละเอียดสูงจะช่วยให้เราสามารถออกแบบยา วัคซีน หรือแม้แต่แอนติบอดี เพื่อใช้รักษาและควบคุมการกระจายตัวของโรคอุบัติใหม่อย่างเอดส์ อีโบลา และเชื้อโรคอื่น ๆ ได้

ในวงการอาหาร ผลิกศาสตร์มีส่วนสำคัญอย่างมโหฬารเลยทีเดียว เราสามารถวิเคราะห์โครงสร้างและองค์ประกอบของดินและแร่ธาตุในดินได้อย่างละเอียด ซึ่งอาจช่วยแก้ปัญหาเรื่องดินเค็มและดินมีสารปนเปื้อน ซึ่งอาจนำไปสู่การเพิ่มปริมาณผลิตผลทางการเกษตร  นี่ยังไม่นับการประยุกต์ใช้ข้อมูลโครงสร้างของโปรตีนและเอนไซม์ต่าง ๆ เพื่อช่วยออกแบบปฏิกิริยาชีวเคมีที่สำคัญในอุตสาหกรรมอาหาร  รวมไปถึงออกแบบเอนไซม์ชนิดใหม่ที่เร่งปฏิกิริยาได้ดีขึ้น อึดขึ้น หรือใช้สารตั้งต้นให้ถูกลงได้ในระดับอุตสาหกรรม

ข้อมูลโครงสร้างของเอนไซม์จากจุลินทรีย์ที่ก่อโรคในสัตว์ก็สามารถนำมาใช้ในการวางยุทธศาสตร์การรักษาที่ครอบคลุม และควบคุมการระบาดของโรคทั้งในปศุสัตว์และประมง เช่น ไข้หวัดนก ไข้หวัดหมู ไวรัสพาร์โว ไวรัสหัวเหลืองในกุ้ง ฯลฯ ซึ่งจะช่วยเพิ่มผลผลิตปศุสัตว์ เกษตร และประมงได้เป็นอย่างดี

จินตนาการสุดโต่งสำหรับอาณานิคมของมนุษย์ในอวกาศ อย่างในภาพยนตร์เรื่อง Interstellar หรือในชีวิตจริงอย่างที่ยานสำรวจ คิวริโอซิตี กำลังทำอยู่  ผลิกศาสตร์ก็ช่วยตั้งแต่การสำรวจหินแร่ในต่างดาว เพื่อเสาะหาธาตุที่มีมูลค่าสูง หรือแม้แต่หาพื้นที่ใหม่ซึ่งเหมาะสมสำหรับการตั้งถิ่นฐานนอกโลก

แต่อาหารก็ไม่ใช่ปัญหาเดียว ภาวะขาดแคลนน้ำดื่มสะอาดกำลังเป็นอีกความท้าทายที่สำคัญของโลก ผลิกศาสตร์อาจช่วยเฟ้นหาและพัฒนาสารที่เหมาะสมที่จะช่วยบำบัด กรอง และรักษาคุณภาพน้ำให้ดีก่อนเข้าปากผู้บริโภค เช่น นาโนสปันจ์ (nanosponge) หรือนาโนแท็บเลต (nano-tablet) ที่เหมาะแก่การดื่มกินในถิ่นทุรกันดารซึ่งน้ำสะอาดเข้าไปไม่ถึง

นอกจากนี้ผลิกศาสตร์ยังเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมแบบสุด ๆ มันสามารถช่วยลดมลภาวะทั้งโดยทางตรง เช่น การพัฒนาตัวทำละลายอนินทรีย์เขียวรักษ์สิ่งแวดล้อม (green inorganic solvent) ขึ้นมาใช้แทนตัวทำละลายอินทรีย์ที่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งจะช่วยลดปริมาณสารพิษตกค้างในสิ่งแวดล้อมได้อย่างชัดเจน  และโดยทางอ้อม เช่น ช่วยพัฒนาวัสดุใหม่ ๆ อย่างโซลาร์เซลล์ประสิทธิภาพสูงแต่ต้นทุนต่ำ ฯลฯ

และแน่นอนที่สุด ในเชิงวัสดุศาสตร์ ทั้งการพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ ๆ อาทิ โลหะจำรูป หรือโลหะผสมที่เป็นประโยชน์ในด้านอุตสาหกรรม การแพทย์ และทันตกรรม

เพื่อศึกษาโครงสร้างผลึก นักวิจัยทางด้านผลิกศาสตร์ยังพัฒนาเทคโนโลยีขึ้นมาอีกมาก หลายเทคโนโลยีมีอิทธิพลอย่างสูงต่อการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์เทคโนโลยี เช่น เครื่องซินโครตรอนที่สร้างลำแสงซึ่งมีประสิทธิภาพและความแม่นยำสูงสำหรับหาโครงสร้างสารจากผลึกได้อย่างละเอียด และยังมีส่วนสำคัญในการพัฒนา Large Hadron Collider ที่ CERN ซึ่งใช้ศึกษาปริศนาต้นกำเนิดของจักรวาลและความลับของอนุภาคพื้นฐานอีกด้วย

ในประเทศไทย เรามีสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนตั้งอยู่ที่จังหวัดนครราชสีมา ซึ่งร่วมมือกับองค์กรต่าง ๆ มหาวิทยาลัย และสถาบันวิจัยทั้งของภาครัฐและเอกชน ทั้งในและนอกประเทศ จนมีผลงานเป็นที่น่าประทับใจมากมาย เช่น การปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์ อย่างการผลิตไข่มุกสีทอง การพัฒนาพลาสติกที่แข็งทนทานรอยขีดข่วน ฯลฯ

ความงดงามของโครงสร้างโมเลกุลในระดับนาโน และความซับซ้อนของกระบวนการในเซลล์ ยังสร้างแรงบันดาลใจให้นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มผันตัวไปเป็นศิลปิน ถึงขนาดยอมพักงานวิจัยเพื่อศึกษาการทำแอนิเมชันสามมิติจากฮอลลีวูด เพื่อสร้างสรรค์คลิปวิดีโอที่สื่อถึงกระบวนการทางชีวภาพในระดับโมเลกุลที่ทั้งงดงามและน่าอัศจรรย์ ด้วยข้อมูลระดับนาโนซึ่งถูกต้องแม่นยำจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์  ตัวอย่างผลงานสุดอลังการเรื่องหนึ่งคือ “The Inner Life of the Cell” สร้างโดยทีมงาน BioVisions ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด

ความสวยงามที่ซ่อนอยู่ในโครงสร้างที่ได้จากผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์ยังเป็นสื่อการเรียนการสอนแนวใหม่ที่เข้าใจง่าย น่าตื่นเต้น และกระตุ้นความสนใจของนักเรียนนักศึกษาให้หันมาสนใจวิทยาศาสตร์ได้เป็นอย่างดี

ลองมองไปรอบตัวสิครับ

โลกทุกวันนี้กำลังเผชิญปัญหามากมาย อากาศที่ร้อนระอุขึ้นเรื่อย ๆ เชื้อโรคอุบัติใหม่ (อย่างอีโบลา) ระบาดไปทั่ว เชื้อจุลินทรีย์ดื้อยา อาหารแร้นแค้น อีกทั้งยังขาดแคลนแหล่งพลังงาน

ปัญหาเหล่านี้รุมเร้าถาโถมทวีความรุนแรงเพิ่มขึ้นตลอดเวลา

ไม่แน่ครับ ท้ายที่สุดแล้ว ผลิกศาสตร์อาจมีคำตอบ !!!

ขอขอบคุณ
– รศ. ดร. จิรันดร ยูวะนิยม  ภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
– นพพล เพ็ชร์แย้ม และหน่วยวิจัยโครงสร้างและการทำงานของโปรตีน คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
– ดร. สมภพ ลีตะชีวะ และสถาบันวิจัยชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล มหาวิทยาลัยมหิดล
– ประมาณ สว่างญาติ ศูนย์เรียนรู้ชุมชนต้นแบบเศรษฐกิจพอเพียง อำเภอบางไทร จังหวัดพระนครศรีอยุธยา
– นุชจรี โพธิ์พัฒน์
– ดร. บัญชา ธนบุญสมบัติ

• ตีพิมพ์ใน นิตยสาร สารคดี ฉบับที่ 358 ธันวาคม 2557