วิชาการ.คอม - การศึกษาปฏิกิริยาชีวเคมีด้วยควอนตัมฟิสิกส์ (quantum biochemistry)

การศึกษาปฏิกิริยาชีวเคมีด้วยควอนตัมฟิสิกส์ (quantum biochemistry)

โพสต์เมื่อ: 13:41 วันที่ 22 ก.ย. 2548 ชมแล้ว: 22,699 ตอบแล้ว: 1

จากการใช้ supercomputer วิเคราะห์อันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนหลายสิบตัวที่หมุนวนเป็นกลุ่มหมอกรอบๆ โมเลกุล ทีมนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเพอร์ดู ได้ค้นพบว่า คุณสมบัติทางควอนตัมที่เรียกว่า “spin” ของอิเล็กตรอน มีความจำเป็นต้องถูกนำมาพิจารณาเพื่อให้ได้มาซึ่งความเข้าใจที่สมบูรณ์ของปฏิกิริยาทางชีวเคมีขั้นพื้นฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งแล้ว ปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นในพืชและสัตว์อันมี metalloprotein (โปรตีนที่มีโลหะเป็นองค์ประกอบพื้นฐาน) อย่าง ฮีโมโกลบิน (hemoglobin) และ คลอโรฟิลล์ เกี่ยวข้อง

Jorge H. Rodriguez หัวหน้าทีมนักวิจัยฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเพอร์ดูได้อ้างว่า การศึกษาปฏิกิริยาทางชีวเคมีในเชิงควอนตัมฟิสิกส์ไม่เพียงแต่จะช่วยพัฒนาความรู้ขั้นพื้นฐานในสาขาชีววิทยาเท่านั้น แต่มันยังจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์อีกมากสามารถแก้ปัญหามากมายที่กำลังเผชิญอยู่ อย่างเช่น การสรรหาสารประกอบที่มีศักยภาพที่ดีที่สุดในการนำมาทำเป็นตัวยารักษาโรค ซึ่งเป็นสิ่งที่บริษัทยาทั้งหลายต้องเสียทั้งเงินและเวลามหาศาลให้กับงานวิจัยประเภทนี้

Rodriguez กล่าวว่า “ในขณะที่ พวกเราจำเป็นต้องพึงพอใจกับการอธิบายกระบวนการต่างๆทางเคมีที่สังเกตเห็นในสิ่งมีชีวิตโดยปราศจากความเข้าใจที่สมบูรณ์ กลุ่มของเราได้ช่วยกันพัฒนาเครื่องมือคำนวณที่จะสามารถคาดการณ์ถึงปฏิกิริยาที่จะเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลก่อนที่จะเกิดอะไรขึ้นในหลอดทดลองได้” Rodriguez กล่าวต่ออีกว่า “ไม่เพียงแต่งานวิจัยด้านนี้จะช่วยเปิดวิทยาศาสตร์แขนงใหม่ที่ทำการศึกษาอันตรกิริยาต่างๆของ metalloproteins (โปรตีนที่มีธาตุโลหะเป็นองค์ประกอบ) และอนุภาคองค์ประกอบอื่นๆ มันยังบ่งชี้ด้วยว่าทฤษฎีควอนตัมสามารถนำมาใช้ในการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ที่ช่วยให้เราสามารถทำนายสิ่งต่างๆที่จะเกิดขึ้นได้อย่างแม่นยำ และนี่เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนอันหนึ่ง ถึงความสำเร็จในแง่สหวิทยาการวิทยาศาสตร์ (interdisciplinary science)

Rogriguez ได้เป็นผู้นำร่องวิทยาศาสตร์แขนงใหม่ที่ชื่อว่า “ควอนตัมชีวเคมี” (quantum biochemistry) ซึ่งเป็นแขนงวิชาที่เกี่ยวพันทั้งชีวเคมีและฟิสิกส์อนุภาค สองวิชาที่นักศึกษาแขนงวิทยาศาสตร์ถือเป็นวิชาที่ยากโดยปกติแล้ววิชาทั้งสองมีพื้นฐานที่เหมือนกันอยู่เพียงเล็กน้อย ตรงที่ โมเลกุลที่ซับซ้อนในร่างกายเราที่นักชีวเคมีศึกษา ล้วนมาจากการรวมตัวกันอย่างมโหฬารของอนุภาคในระดับเล็กกว่าอะตอม อย่างโปรตรอนและอิเล็กตรอน อันเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์ทำการศึกษา

Rodriguez กล่าวว่า “ถึงแม้จะมีข้อแตกต่างหลายๆอย่างระหว่างสาขาชีวเคมีกับฟิสิกส์ แต่ยังมีจุดหนึ่งที่คาบเกี่ยวกันที่ทำให้ผมสนใจ นั่นก็คือ อนุภาคมูลฐานที่หมุนเวียนอยู่รอบโมเลกุลชีวภาพเหล่านั้น ซึ่งก็คือ อิเล็กตรอน นั่นเอง” Rodriguez ยังกล่าวต่ออีกว่า “นักฟิสิกส์ได้รู้มานานแล้วว่า ในทางทฤษฎีควอนตัมฟิสิกส์ ปฏิกิริยาทางเคมีบางอย่างในร่างกายของเราไม่สามารถเกิดขึ้นได้แน่ๆ อย่างเช่น การสร้างพันธะของออกซิเจนกับฮีโมโกลบินที่เกิดขึ้นในปอดของเราเวลาเราหายใจ แต่ทว่า ปฏิกิริยานี้กลับเกิดขึ้นอย่างไม่น่าเชื่อ และเหตุที่ว่าปฏิกิริยานี้ไปเกี่ยวข้องกับ สปิน (spin) ของอิเล็กตรอน กลุ่มของพวกเราจึงได้ตัดสินใจศึกษาธรรมชาติตรงส่วนนี้”

ประจุ เป็นคุณสมบัติของอิเล็กตรอนที่ทุกคนรู้จักกันดี แต่ว่า นั่นไม่ใช่เพียงอย่างเดียว อิเล็กตรอนยังมีคุณสมบัติทางควอนตัมอีกอย่างที่เรียกว่า “สปิน” ประจุของอิเล็กตรอนสามารถเป็นลบได้อย่างเดียวเท่านั้น แต่ สปินสามารถมีได้สองทิศทาง นั่นคือ ขึ้นหรือลง

Rodriguez กล่าวเพิ่มเติมว่า “ธรรมชาติชอบความสมดุล และคุณจะเห็นหลักฐานได้ที่ประจุและสปินของอิเล็กตรอน ยกตัวอย่างเช่น โดยทั่วไปแล้ว ตามธรรมชาติ อิเล็กตรอนที่สปินตรงข้ามกันจะชอบจับคู่กัน และเมื่อมันเคลื่อนที่ไปรอบๆนิวเคลียส ค่าสปินโดยรวมของโมเลกุลจะมีความสมดุล เช่นเดียวกับความสมดุลของประจุลบและประจุบวกระหว่างโปรตรอนกับอิเล็กตรอนที่สมดุลกันอยู่ในอะตอมของโมเลกุล”

“และถึงแม้ว่า จะมีอิเล็กตรอนเป็นหลายร้อยตัว และก่อตัวเป็นกลุ่มหมอกขนาดมหึมารอบๆโมเลกุลเชิงซ้อน คุณจะยังเห็นความสมดุลของทั้งประจุและสปิน เราเรียกความสมดุลนี้ว่า “การอนุรักษ์” (conservation) และนี่เป็นความรู้ที่สำคัญอันหนึ่งของสาขาเคมีและฟิสิกส์ที่เรานำมาใช้ในการศึกษาอนุภาคเล็กๆพวกนี้”

“แต่ว่าบางที อิเล็กตรอนใน metalloproteins (เช่น ฮีโมโกลบินและคลอโรฟิลล์) เหมือนกับจะเล่นตลกกับเรา ฮีโมโกลบินมักจะอนุรักษ์ประจุโดยยอมเสียสละการอนุรักษ์สปิน”

ที่จุดศูนย์กลางของฮีโมโกลบินจะมีธาตุเหล็กอยู่ ธาตุเหล็กเป็นธาตุที่อยู่ในหมู่ธาตุ transition อันเป็นหมู่ที่บ่งบอกว่า อิเล็กตรอนของมันสามารถเคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียสได้อย่างโดดเดี่ยว ไม่จำเป็นต้องจับคู่กับตัวอื่น และเมื่อเซลล์เม็ดเลือดแดงไปพบกับออกซิเจนในปอดของเรา ฮีโมโกลบินของมันจะยึดจับกับออกซิเจนที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่โดดเดี่ยวอยู่เช่นกัน จากนั้นมันก็จะถูกนำพาไปส่วนต่างๆของร่างกาย แต่ว่าในกระบวนการที่ว่านี้ ค่าสปินโดยรวมของระบบ จะเปลี่ยนไป และเปลี่ยนไปในทางที่ไม่อนุรักษ์ค่าสปิน

ในสายตาของนักฟิสิกส์แล้ว นั่นเป็นเรื่องที่แปลกพอๆกับ การที่ลูกบอลตกกระทบผิวน้ำโดยไม่มีน้ำกระจาย

“สิ่งที่เกิดขี้นทางเคมีเป็นสิ่งสำคัญมากต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิต แต่นักฟิสิกส์สงสัยว่า มันเกิดขึ้นได้อย่างไร” Rodirguez กล่าวอีกว่า “ประจุระหว่างอิเล็กตรอนในออกซิเจนที่ยึดเหนี่ยวกับฮีโมโกลบินท้ายที่สุดจะอยู่ในความสมดุล ซึ่งเป็นเรื่องที่สมเหตุสมผลสำหรับนักเคมี แต่ว่าสปินของอิเล็กตรอนของระบบทั้งหมดนี่สิ มันไม่อนุรักษ์ ทำให้นักฟิสิกส์ฉงน กับสิ่งที่เชื่อว่าเป็นกระบวนการต้องห้ามและจากที่กล่าวมาทั้งหมดนี้ ทำให้ผมกับทีมของผมจำเป็นต้องศึกษาเพิ่มเติมถึงธรรมชาติที่ระดับ microscopic”

Rodirguez ได้ตั้งสมมติฐานว่า ความผันแปรของสถานะของสปินมีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาต่างๆทางชีวเคมีเหล่านี้ และเพื่อที่จะพิสูจน์ข้อสมมุติฐานของเขา ทีมวิจัยของเขาได้สร้างแบบจำลองของอัตราการเกิดปฏิกิริยาชีวเคมีด้วย supercomputer ซึ่งเป็นอุปกรณ์เดียวที่จะสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของอนุภาคจำนวนมหาศาลได้ในเวลาเดียวกัน

“supercomputer ช่วยให้เราสามารถตรวจสอบแบบจำลองของเราว่าตรงกับความเข้าใจที่เรามีเกี่ยวกับอิทธิพลของสปินต่อปฏิกิริยาต่างๆหรือเปล่า และแบบจำลองของเราได้รับการเช็คอย่างสม่ำเสมอกับผลที่ได้จากการทดลอง” Rodriguez กล่าว “จากผลที่ได้ เราพบว่า ความรู้ทางพฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่เรามีเพียงพอที่จะให้เราสร้างแบบจำลองของสภาวะเหมือนจริง (virtual model) ของโมเลกุล อันจะช่วยให้เรา สามารถคาดการณ์ถึงสิ่งที่จะเกิดขึ้นได้อย่างแม่นยำเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นจริงๆ”

Rodriguez กล่าวอีกว่า ถึงแม้ว่า วิธีการที่กลุ่มเขาทำยังอยู่ในระยะเริ่มต้น แต่ว่าถ้าหากมันได้ถูกพัฒนาเพิ่มขึ้นแล้ว มันจะสามารถช่วยให้เราเข้าใจโมเลกุลชีวภาพที่สำคัญๆได้อีกมาก ยกตัวอย่างเช่น Rodriguez ได้วางแผนที่จะศึกษาธาตุแมงกานีสที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงของพืชเพื่อที่จะเข้าใจว่า น้ำมีการแตกตัวและให้ออกซิเจนโมเลกุลได้อย่างไร แต่ตอนนี้ เขาพอใจกับสิ่งที่เขาและกลุ่มของเขาได้ทุ่มเทศึกษาค้นคว้ามากว่าสี่ปี ทีมนักวิจัยของเขาได้ผลิตผลงานที่อยู่ในระดับที่น่าพอใจ

“ทีมวิจัยของเราได้สร้างสาขาวิชาขึ้นมาใหม่ ที่พยายามเข้าใจถึงกระบวนการทางชีวเคมีที่ระดับพื้นฐานที่สุด นั่นก็คือ ระดับ กลศาสตร์ควอนตัม” เขากล่าวต่ออีกว่า “นี่อาจเป็นก้าวที่สำคัญที่สุด ในการทำให้การวิจัยทางด้านชีวเคมีเป็นวิทยาศาสตร์ของการทำนายล่วงหน้า (predictive science) มากกว่าที่จะเป็นวิทยาศาสตร์ของการอธิบาย (descriptive science)

Jeffrey Long ศาสตราจารย์ทางด้านเคมีที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบอร์คเลย์ ได้ให้ข้อวิจารณ์ถึงงานที่ Rodriguez ทำว่า “Rodriguez ได้คิดค้นวิธีการที่สวยงามในการศึกษาโครงสร้างของอิเล็กตรอนในสภาวะกระตุ้น” เขากล่าวอีกว่า “มันช่วยให้เราเข้าใจถึงรายละเอียดของกระบวนการการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อนของสารอนินทรีย์ได้เป็นอย่างดี”

ข้อมูลจาก
- ข่าวจากมหาวิทยาลัยเพอร์ดู รัฐอินเดียน่า สหรัฐอเมริกา
http://www.newswise.com/articles/view/514583/

ข้อมูลเพิ่มเติม
กลุ่มวิจัยด้าน Biomolecular Physics ที่มหาวิทยาลัยเพอร์ดู
http://www.physics.purdue.edu/biomolecular_physics/

ศูนย์ประยุกต์การใช้ supercomputer แห่งชาติ สหรัฐอเมริกา
http://www.ncsa.uiuc.edu/

ภาพ CG แสดงโมเลกุลของเหล็ก (ก้านสีเหลือง) ที่อยู่ใน deoxyhemoglobin (ภาพจากเว็บไซต์กลุ่มวิจัย Theoritical & Computational Biomolecular Physics, Purdue University)
13660

ฮิกส์แมน

ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 100 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 158 ดวง - โหวตเพิ่มดาว

จำนวน 1 ความเห็น, หน้า่ | -1-

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 1 14 พ.ค. 2551 (11:19)
ยาวจัง อ่านไม่รู้เรื่องเลย

ยัยจูออน (IP:125.27.42.138)

ความเห็นเพิ่มเติม วิชาการ.คอม

ชื่อ / email:
ข้อความ

รูปภาพ หรือ ไฟล์

กรุณาล๊อกอินก่อน เพื่อโพสต์รูปภาพ และ ใช้ LaTex ค่ะ สมัครสมาชิกฟรีตลอดชีพที่นี่

ตัวช่วย 1: CafeCode วิธีการใช้
ตัวช่วย 2: VSmilies

วิธีการใช้
ตัวช่วย 3: พจนานุกรมไทย ออนไลน์ ฉบับราชบัณฑิต
ตัวช่วย 4 : dictionary ไทย<=>อังกฤษ ออนไลน์ จาก NECTEC
ตัวช่วย 5 : ดาวน์โหลด โปรแกรมช่วยพิมพ์ Latex เพื่อแสดงสมการบนวิชาการ.คอม