หันซ้าย... หันขวา... โอเค ยังไม่มีใครเขียน งั้นก็... มาบรรเลงกันเถอะ!!

เนื่องจากว่าเมื่อ 1-2 สัปดาห์ที่ผ่านมา มีกระทู้ประมาณ 2-3 กระทู้ที่ถามและต้องการให้อธิบายเกี่ยวกับเครื่องจักรโมเลกุล ว่ามันคืออะไร ใช้ทำอะไรได้ มีประโยชน์ในวงการวิทยาศาสตร์ยังไง ซึ่งเมื่อกระทู้ที่แล้วผมได้พูดถึงโมเลกุลแบบหัวสว่าน ที่ใช้เจาะเยื่อหุ้มเซลล์มะเร็งไป โดยที่ผมไม่ได้อธิบายโดยละเอียดมากนัก ที่กระทู้นี้ครับ อีกก้าวของการรักษามะเร็ง โมเลกุลแบบมอเตอร์หัวสว่าน! ตรงนี้ต้องขออภัยด้วย และวันนี้ผมจะมาไขข้อข้องใจให้ทุกๆ ท่านที่สนใจได้มาอ่านกัน

(หากผมมีข้อมูลที่ผิดพลาดในส่วนไหนไป ก็ขออภัยมา ณ ที่นี้ และขอรบกวนผู้รู้ทุกๆ ท่านช่วยแก้ไขให้รับทราบ จักเป็นพระคุณยิ่งครับ และชื่อของนักวิจัยรวมถึงชื่อมหาวิทยาลัย และศัพท์เฉพาะทาง ผมขออนุญาตใช้ภาษาอังกฤษ เพื่อความไม่ผิดเพี้ยนในการนำเสนอครับ)



ก่อนอื่นผมต้องขอย้อนความกลับไปที่รางวัลโนเบลสาขาเคมีปีล่าสุด ซึ่งก็คือเมื่อปีที่แล้วนี่เอง (วันที่ 5 ตุลาคม ปี 2016) หัวข้อที่ได้รับรางวัลคือ "Molecular machines" หรือการสังเคราะห์เครื่องจักรโมเลกุลนั่นเอง ซึ่งคำว่า "เครื่องจักรโมเลกุล" นี่แหละ หมายถึงการสังเคราะห์สารเคมีในระดับโมเลกุลหรือ Nanoscale (ขนาดนาโน) ให้มีฟังก์ชั่นการทำงานเหมือนเครื่องจักรนั่นเองครับ

...แน่นอนว่าฟังดูเป็นไปไม่ได้ใช่มั้ยล่ะ? เครื่องจักรอะไรจะเล็กขนาดนั้น มันต้องซับซ้อนมากแน่ๆ... แหงสิ! เมื่อ 200 ปีก่อนถ้ามีคนมาบอกว่า มนุษย์จะบินได้ ก็คงจะถูกหาว่าเพ้อเจ้อแน่ๆ เหมือนกัน และสุดท้าย 2 พี่น้องตระกูลไรซ์ก็ผลิตเครื่องบินออกมาได้สำเร็จ วะฮะฮะฮ่า!


ผมขออนุญาตกล่าวถึงนักวิทยาศาสตร์ผู้ได้รับรางวัลเพื่อเป็นเกียรติแด่พวกท่านกันก่อน ผู้ที่มอบแรงบันดาลใจและความหวังแด่นักเคมี ผู้นำทีมวิจัยหลักจาก 3 มหาวิทยาลัย เรียงลำดับจากซ้ายไปขวา ได้แก่

- Prof. Dr. Jean-Pierre Sauvage จากมหาวิทยาลัย Strasbourg ประเทศฝรั่งเศส
- Sir J. Fraser Stoddart จากมหาวิทยาลัย Northwestern สหรัฐอเมริกา
- Prof. Dr. Bernard L. Feringa จากมหาวิทยาลัย Groningen ประเทศเนเธอร์แลนด์

ก้าวแรกของงานวิจัยทางด้าน Molecular machines ของทั้ง 3 ท่านนั้น เริ่มต้นมาจากการที่ Prof. Sauvage นั้น ได้สร้างโมเลกุลที่มีลักษณะเหมือนวงแหวน 2 วงคล้องด้วยกัน เรียกว่า Catenane ขึ้นในปี 1983 โดยการใช้ไอออนของทองแดงมาเหนี่ยวนำให้มีการสร้างเป็นวงซ้อนกัน ...ถ้าใครนึกภาพไม่ออก ให้ลองเอาปลายนิ้วชี้กับนิ้วโป้งทั้ง 2 มือมาคล้องด้วยกันเหมือนโซ่ โครงสร้างของสารตัวนี้เป็นแบบนั้นเลยครับ ซึ่งหากไม่ทำลายพันธะโควาเลนท์ก็ไม่สามารถดึงวง 2 วงนี้ให้ขาดออกจากกันได้



โดยปกติ โครงสร้างทางเคมีนั้นมีแกนหมุนและสามารถหมุนได้ในตัวเองอยู่แล้ว เพียงแต่มันไม่สัมพันธ์กัน และควบคุมทิศทางไม่ได้ เวลาที่สารเคมีจะมาทำปฏิกิริยากันนั้น เราจะอาศัยแรงระหว่างโมเลกุลแทน อาศัยการหมุนของสารไม่ได้เลย ซึ่งนั่นทำให้โครงสร้างนี้มีความพิเศษ เพราะตัวโมเลกุลมันสามารถหมุนและเคลื่อนไหวโดยสัมพันธ์ซึ่งกันและกันได้ ถือเป็นก้าวแรกที่ประสบความสำเร็จในการต่อยอดทำเครื่องจักรโมเลกุล

ส่วนก้าวที่ 2 นั้นมาจาก Sir Stoddart โดยในปี 1991 (ปีที่ผมเกิดพอดี ฮา) เขาได้ใช้พื้นฐานจากชิพจากคอมพิวเตอร์ความจุ 20 กิโลไบต์ จนกระทั่งสามารถสังเคราะห์โครงสร้างที่ชื่อว่า Rotaxane ได้ ซึ่งหลักการของโครงสร้างนี้คือ เขาได้ลองใส่แกนให้กับโมเลกุลที่เป็นวงแหวน และค้นพบว่าวงแหวนนั้นสามารถเคลื่อนที่ไปบนแกนโมเลกุลได้ ...เหมือนกับกระดาษทิชชู่ที่ใส่แกนในห้องน้ำ สามารถขยับซ้ายขวาได้นั่นเองครับ

และในก้าวสุดท้ายที่สำคัญที่สุดนั้น เกิดขึ้นเมื่อปี 1999 นั้น Dr.Feringa ได้ออกแบบโมเลกุลแบบมอเตอร์ขึ้นมา โดยการกระตุ้นด้วยแสง UV ลงบนโครงสร้างที่มีพันธะคู่ ซึ่งแสง UV นั้นจะเข้าไปทำให้พันธะคู่เกิดการแตกตัว จนเหลือพันธะเดี่ยว จากนั้นโมเลกุลก็จะหมุนได้โดยอาศัยแรงผลักจากกิ่งก้านสาขาภายในโมเลกุลครับ


ยังไม่พอ Dr.Feringa ยังได้สร้างรถยนต์นาโนขึ้นมาได้อีก ในปี 2011 ซึ่งมีแกน 2 แกนและล้อทั้ง 4 เรียกได้ว่าเป็นก้าวที่ประสบความสำเร็จอย่างเป็นทางการในการสังเคราะห์ Nanomachine อย่างแท้จริงครับ โดยที่ลักษณะโครงสร้างจะเหมือนกับแกนของรถยนต์เลย มีแค่โครงและล้อ เชิญชมภาพครับ




ส่วนนี่คือคลิปอธิบายเกี่ยวกับรางวัลโนเบลในครั้งนี้ โดยที่มีการพูดถึงผลงานวิจัยของทั้ง 3 ท่านด้วยครับ (เป็นภาษาอังกฤษ)



ซึ่งทั้งหมดทั้งมวลนี้ รางวัลโนเบลจึงตกเป็นของทั้ง 3 ท่าน เนื่องจากการค้นพบของพวกเขา สามารถนำไปต่อยอดในการสร้างเครื่องจักรโมเลกุลใหม่ๆ ที่สามารถทำหน้าที่เฉพาะทางได้ เช่น เครื่องจักรขนาดจิ๋วที่สามารถนำยาไปส่งถึงจุดที่ต้องการในร่างกายได้ หรือหุ่นยนต์ขนาดจิ๋วที่สามารถใช้งานในเชิงวิศวกรรมและการทหารได้ เรียกได้ว่าเป็นงานวิจัยที่ยิ่งใหญ่และสำคัญไม่แพ้งานวิจัยอื่นๆ เลย ซึ่งงานวิจัยต่อยอดจนกระทั่งได้ลงวารสาร Nature นั้น ผมจะกล่าวต่อไป