รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2013

เมื่อเวลาประมาณ 16.45 น. วันที่ 9 ตุลาคม 2556 ตามเวลาประเทศไทย ราชบัณฑิตยสภาวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดนในฐานะคณะกรรมการตัดสินรางวัลโนเบลได้จัดงานแถลงผลการคัดเลือกผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2013 โดยผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปีนี้ได้แก่ Martin Karplus, Michael Levitt และ Arieh Warshel จากผลงานการพัฒนาแบบจำลองมัลติสเกลของระบบทางเคมีที่มีความซับซ้อน

ก่อนหน้าการค้นพบของผู้ได้รับรางวัลโนเบลทั้งสามท่าน นักวิทยาศาสตร์ใช้ระเบียบวิธีทางทฤษฎีฟิสิกส์คลาสสิกของนิวตันหรือไม่ก็ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัมในการสร้างแบบจำลองโมเลกุลซึ่งทั้งสองวิธีต่างก็มีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไป โดยวิธีคลาสสิกนั้นสามารถใช้คำนวณและจัดการโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ได้ แต่จะแสดงให้เห็นเฉพาะโมเลกุลในสถานะพื้น (ground state) เท่านั้นซึ่งดีพอที่จะทำให้นักวิทยาศาสตร์ทราบถึงการจัดเรียงตัวของอะตอมต่างๆในโมเลกุล อย่างไรก็ตามเราไม่สามารถใช้ระเบียบวิธีดังกล่าวในการจำลองการเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ เพราะในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาแต่ละโมเลกุลจะได้รับพลังงานซึ่งทำให้โมเลกุลอยู่ในสถานะเร้าหรือสถานะถูกกระตุ้น (exited state) โดยทฤษฎีคลาสสิกไม่สามารถใช้ตอบคำถามต่อสิ่งที่เกิดขึ้นดังกล่าวได้ ซึ่งเป็นข้อจำกัดสำคัญในการใช้ทฤษฎีนี้

หากต้องการจำลองปฏิกิริยาเคมีเราต้องใช้ฟิสิกส์ควอนตัมซึ่งมีข้อดีที่ว่าแบบจำลองจะปราศจากอคติของนักวิทยาศาสตร์ที่สร้างแบบจำลองนั้น ทำให้การจำลองอยู่บนฐานของความเป็นจริงมากกว่า อย่างไรก็ตามข้อเสียของวิธีนี้ก้อคือการคำนวณโดยใช้ทฤษฎีควอนตัมนั้นจำเป็นต้องใช้ระบบคอมพวเตอร์ที่มีสมรรถนะสูงมาก ซึ่งหมายความว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถใช้การคำนวณจากทฤษฎีนี้กับโมเลกุลที่มีขนาดเล็กๆเท่านั้น ทำให้พวกเขาไม่สามารถนำการเกิดอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลที่สนใจกับโมเลกุลแวดล้อมเช่นโมเลกุลของตัวทำละลายมารวมในการคำนวณได้เพราะหากทำการคำนวณระบบดังกล่าวอาจต้องใช้เวลานานนับทศวรรษ(เนื่องจากข้อจำกัดของทฤษฎีและสมรรถนะของคอมพิวเตอร์ในยุคนั้น) จะเห็นได้ว่าทั้งสองระเบียบวิธีมีต่างมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2013 ได้เปิดประตูระหว่างโลกของสองทฤษฎีนี้เพื่อนำข้อดีของทั้งสองทฤษฎีมาประยุกต์ใช้ในการสร้างแบบจำลองของปฏิกิริยาเคมีด้วยคอมพิวเตอร์


รูป 1 นิวตันและแอปเปิ้ลของเขาซึ่งเป็นตัวแทนของทฤษฎีฟิสิกส์คลาสสิกและแมวของชโรดิเจอร์ซึ่งเป็นตัวแทนของทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัม ในรูปซ้ายเป็นตัวแทนของยุคก่อนการค้นพบของผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2013 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความไม่ลงรอยและการเข้ากันไม่ได้ของทั้งสองทฤษฎี ภายหลังการพัฒนาแนวคิดของทั้งสามท่าน ทฤษฎีทั้งสองทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นดังแสดงในรูปขวามือ

จุดเริ่มต้นของความร่วมมือของผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2013 ทั้งสามคนเริ่มขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1970 ในห้องปฏิบัติการของ Martin Karplus ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด เมืองเคมบริดจ์ ประเทศสหรัฐอเมริกา กลุ่มวิจัยของ Karplus พัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่สามารถสร้างแบบจำลองการเกิดปฏิกิริยาเคมีโดยใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัม เขายังเป็นผู้คิดค้นสมการของKarplus ซึ่งใช้ในเทคนิค Nuclear magnetic resonance(NMR) ซึ่งเป็นเทคนิคที่รู้จักกันดีในหมู่นักเคมีโดยมีพื้นฐานอยู่บนสมบัติทางเคมีควอนตัมของโมเลกุล  Arieh Warshel เข้าร่วมงานกับห้องปฏิบัติการของ Karplus หลังจากที่เขาจบปริญญาเอกในปี 1970 โดยเขาทำงานวิจัยปริญญาเอกที่สถาบันวิทยาศาสตร์ไวส์แมน ประเทศอิสราเอล ซึ่งสถาบันนี้มีคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูงที่มีชื่อว่า Golem (มีที่มาจากชื่ออสูรกายในนิทานปรัมปราของชาวยิว) ทั้ง Arieh Warshel และ Michael Levitt ใช้ Golem ในการพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่อยู่บนพื้นฐานของทฤษฎีคลาสสิกซึ่งสามารถใช้ในการจำลองโมเลกุลได้ทุกชนิดไม่เว้นแม้แต่โมเลกุลที่มีขนาดใหญ่มากๆ (จะเห็นได้ว่าก่อนการร่วมงานกันระหว่าง Karplus กับ Warshel ในปี 1970 ฝั่งของ Karplus ใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัมเป็นพื้นฐานในงานวิจัย แต่ทางฝั่งของ Warshel และ Levitt ใช้ทฤษฎีคลาสสิกเป็นหลัก)

เมื่อ Warshel มาร่วมงานกับ Karplus ที่ฮาร์วาร์ด ทั้งสองได้ร่วมกันพัฒนาโปรแกรมชนิดใหม่ที่สามารถทำการคำนวณด้วยวิธีที่แตกต่างบนอะตอมที่แตกต่างกัน โดยโปรแกรมที่พวกเขาพัฒนาจะใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัมในการคำนวณที่เกี่ยวกับอิเล็กตรอนอิสระ และใช้ทฤษฎีคลาสสิกในการคำนวณกับอิเล็กตรอนและนิวคลีไอที่เหลือทั้งหมด และพวกเขาได้ตีพิมพ์ผลการทดลองในปี 1972 ซึ่งนับเป็นครั้งแรกที่โลกได้เห็นถึงการทำงานร่วมกันของทั้งทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีคลาสสิก อย่างไรก็ตามแนวคิดดังกล่างก็มีข้อจำกัด โดยโปรแกรมของพวกเขาสามารถใช้ได้กับโมเลกุลที่มีสมมาตรแบบสะท้อน (mirror or reflection symmetry) เท่านั้น

หลังจากร่วมงานกับ Karplus ได้สองปี Warshel กลับมาร่วมงานอีกครั้งกับ Levitt ซึ่งเพิ่งจบปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร โดยในครั้งนี้ทั้ง Warshel และ Levitt ตั้งเป้าหมายไว้ว่าพวกเขาต้องการที่จะพัฒนาโปรแกรมที่ใช้ในการศึกษาเอนไซม์ซึ่งเป็นโปรตีนที่ควบคุมการเกิดปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิต หากต้องการเข้าใจสิ่งมีชีวิต พวกเขาจำเป็นต้องเข้าใจเอนไซม์เสียก่อน ในการสร้างแบบจำลองการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ Levitt และ Warshel จำเป็นต้องทำให้การทำงานร่วมกันของทั้งทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีคลาสสิกเป็นไปอย่างราบรื่นและมีประสิทธิภาพ ซึ่งทำให้พวกเขาต้องใช้เวลาหลายปีในการก้าวผ่านอุปสรรคต่างๆ ในที่สุดพวกเขาก็ประสบความสำเร็จในปี 1976 โดยทั้งคู่ร่วมกันตีพิมพ์ผลงานวิจัยที่เกี่ยวกับแบบจำลองปฏิกิรยาของเอนไซม์ ซึ่งนับเป็นการปฏิวัติวงการเนื่องจากโปรแกรมของพวกเขาสามารถจำลองการเกิดปฏิกิริยาได้อย่างดีเยี่ยมและสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับโมเลกุลได้ทุกประเภทโดยขนาดไม่ได้เป็นปัญหาในการสร้างแบบจำลองการเกิดปฏิกิริยาเคมีอีกต่อไป

นักเคมีในยุคถัดมาได้ใช้แนวคิดดังกล่าวในการพัฒนาการจำลองการเกิดกระบวนการทางเคมีโดยใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัมคำนวณในส่วนของอิเล็กตรอนหรือนิวคลีไอที่ส่งผลต่อปฏิกิริยาเคมี และใช้ทฤษฎีฟิสิกส์คลาสสิกกับบริเวณอื่นๆของโมเลกุล นอกจากนี้ในการคำนวณสมัยใหม่ได้มีการเพิ่มแนวคิดเพื่อลดการใช้ทรัพยากรคอมพิวเตอร์โดยรวมอะตอมที่อยู่ห่างไกลออกไปจากจุดที่เกิดปฏิกิริยาเคมีให้เป็นเสมือนมวลก้อนเดี่ยวที่มีความเป็นเนื้อเดียวกันซึ่งมีชื่อเรียกว่า dielectric medium ดังแสดงในรูปที่ 2


รูป 2 นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันใช้แนวคิดในการจำลองการเกิดปฏิกิริยาที่พัฒนาโดยผู้ได้รับรางวัลโนเบลปีนี้ โดยแบ่งระบบออกเป็นสามส่วนสำหรับสามวิธีการคำนวณที่แตกต่างกัน

ปัจจุบันนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้คอมพิวเตอร์ในการทำการทดลองเพื่อที่จะเข้าใจว่ากระบวนการทางเคมีต่างๆนั้นเกิดอย่างไร ความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ของวิธีการที่พัฒนาโดย Martin Karplus, Michael Levitt และ Arieh Warshel ก็คือวิธีดังกล่าวสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย ตั้งแต่โมเลกุลในสิ่งมีชีวิตไปจนถึงกระบวนการทางอุตสาหกรรมและอื่นๆอีกมากมาย

Credit : ผมแปลและเรียบเรียงงานชิ้นนี้จากเอกสารเผยแพร่บนเว็บไซต์ของมูลนิธิรางวัลโนเบล เอกสารตัวจริงอยู่ในลิ๊งค์ด้านล่าง
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/popular-chemistryprize2013.pdf

ผมเพิ่งเคยแปลเป็นงานแรกครับ ติติงได้เต็มที่ ผมยินดีรับฟังไว้เพื่อแก้ไขและพัฒนาครับ

KalikoScience
แสดงความคิดเห็น
โปรดศึกษาและยอมรับนโยบายข้อมูลส่วนบุคคลก่อนเริ่มใช้งาน อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่