บทนำ : การศึกษาโครงสร้างสามมิติด้วยเทคนิคการยิงรังสีเอ็กซ์ในผลึกสาร (X-ray crystallography)


‘มาลาเรีย’ เป็นโรคติดต่อที่คุกคามมนุษย์มาตั้งแต่ 1,500 ปีและจากรายงานขององค์การอนามัยโลกพบว่า ทุกปีประชากรโลกกว่า 400 ล้านคนเจ็บป่วยด้วยโรคมาลาเรียและอีก 2 ล้านคนต้องเสียชีวิตจากความร้ายกาจของโรคนี้ นั่นคือโดยเฉลี่ยทุกๆ 30 วินาที จะมีคนตายด้วยโรคมาลาเรีย เฉพาะในกลุ่มเด็กอายุน้อยกว่า 5 ปีที่มีฐานะยากจน



สาเหตุที่ทำให้โรคมาลาเรียขยายตัวอย่างรวดเร็วเกิดจากพาหะนำโรคชั้นดี ‘ยุงก้นป่อง’ ซึ่งไปกัดผู้ติดเชื้อมาลาเรียและเชื้อเจริญเติบโตอยู่จนถึงระยะติดต่อในน้ำลายยุง และเมื่อยุงกัดคนอื่นๆ เชื้อก็จะแพร่เข้าสู่เซลล์ตับ และเม็ดเลือดแดงโดยมีระยะฟักตัวในร่างกายประมาณ 14 วันจนแสดงอาการได้แก่ มีไข้ หนาวสั่น คลื่นไส้ อาเจียน หรืออาจมีอาการแทรกซ้อนถึงขนาดมาลาเรียขึ้นสมอง ไตวาย ปวดบวมน้ำ และเสียชีวิตในที่สุด หรือไม่ก็เป็นผลให้พัฒนาการทางสมองของเด็กไม่สมบูรณ์ อีกทั้งโรคนี้มีวิวัฒนาการมานาน จึงพัฒนาภูมิต้านทานให้เข้มแข็งจนสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไปได้มากขึ้นด้วย



แม้นักวิทยาศาสตร์หลายทศวรรษจะพยายามคิดค้นตัวยาเพื่อรักษาโรคมาลาเรียตั้งแต่ 400 ปีก่อน ทั้งที่เป็นสารสกัดจากเปลือกไม้และยาปฎิชีวนะ แต่กลับพบว่าปัญหาเชื้อมาลาเรียกำลังดื้อยา จึงทำให้หนทางการรักษาผู้ป่วยและการยับยั้งเชื้อโรคนั้นทำได้ยากขึ้น ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์ทางชีววิทยาจึงต้องหันกลับมาศึกษาอีกครั้งอย่างจริงจัง เพื่อหาปัจจัยและลักษณะในการดื้อยาซึ่งมีโอกาสผลิตยารักษาโรคที่ได้ผลและสามารถลดจำนวนผู้ป่วยด้วยโรคมาลาเรียให้ได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ในอีก 8 ปี ข้างหน้าตามที่องค์กรอนามัยโลกตั้งเป้าหมายไว้



การศึกษาเจาะลึกเพื่อให้เข้าใจวิวัฒนาการของการพัฒนาเชื้ออย่างถ่องแท้ยังใช้วิธีการซับซ้อนและระยะเวลานาน นี่จึงเป็นความท้าทายอย่างยิ่งของวงการวิทยาศาสตร์โลกในการคิดค้นกรรมวิธีศึกษาโมเลกุลเชื้อมาลาเรียแนวใหม่เพื่อให้สามารถไขปริศนาของเชื้อมาลาเรียได้เร็วขึ้น



‘การศึกษาโครงสร้างสามมิติด้วยเทคนิคการยิงรังสีเอ็กซ์ในผลึกสาร (X-ray crystallography)’ เป็นหนทางใหม่ที่คิดค้นขึ้นโดยกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวตะวันตกสามารถช่วยลดทำให้ขั้นตอนการศึกษารวดเร็วและแม่นยำมากขึ้น แต่ในประเทศไทยยังไม่มีการศึกษาถึงเทคนิคอย่างชัดเจน ส่งผลให้การวิจัยสารแต่ละครั้งต้องส่งสารไปวิจัยถึงต่างประเทศซึ่งมีค่าใช้จ่ายมหาศาล



นี่จึงเป็นโอกาสสำหรับให้นักวิทยาศาสตร์หนุ่มไฟแรง รองศาสตราจารย์ ดร. พลังพล คงเสรี นักเรียนทุนโครงการพัฒนาและส่งเสริมผู้มีความสามารถพิเศษทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (พสวท.) ของสถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) ปัจจุบันเป็นอาจารย์ประจำภาควิชาเคมีและศูนย์เพื่อความเป็นเลิศทางโครงสร้างและหน้าที่การทำงานของโปรตีน

คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล และได้รับ “รางวัลนักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ ประจำปี พ.ศ. 2546” จากมูลนิธิส่งเสริมวิทยาศาสตร์แห่งประเทศไทยในพระบรมราชูปภัมภ์ ทำการศึกษาโครงสร้างสามมิติด้วยเทคนิคการยิงรังสีเอ็กซ์ในผลึกสารอย่างมุ่งมั่นและทุ่มเท เพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาวิทยาศาสตร์ไทยต่อไป

การวิจัย และบทสรุป

อาจารย์พลังพลเล่าถึงการศึกษาวิจัยว่าเริ่มต้นศึกษาจากโครงสร้างเชิงเดี่ยวของสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพในขั้นต้น และทดสอบว่ากระบวนการดังกล่าวใช้ได้ผลเพียงใดกับสารลักษณะเดียวกับเชื้อมาลาเรีย โดยใช้เชื้อราของต้นไม้และสมุนไพรไทยเป็นสารตั้งต้นในการตกผลึกสารให้เรียงตัวเป็นระเบียบ เพื่อยิงรังสีผ่านเข้าไปเมื่อเกิดการกระจายแสงเหมือนกับการกระจายแสงของผลึกอัญมณี ทำให้มองเห็นโครงสร้างของสารแบบสามมิติ



จากนั้นใช้กระบวนการทางคณิตศาสตร์มาคำนวนหาว่าสารตัวไหนในเชื้อราสามารถออกฤทธิได้ ด้วยวิธีการนี้ทำให้พบสารชีวภาพใหม่ๆเป็นครั้งแรกของโลกด้วย



“การศึกษาสารชีวภาพส่วนใหญ่ยังไม่ค่อยเข้าไปจับเชื้อราในต้นไม้เท่าไหร่นัก เพราะดูแลค่อนข้างยากและผลิตสารได้ในปริมาณน้อย แต่จากการศึกษานี้ทำให้เราเพิ่มเติมองค์ความรู้ใหม่ๆมากขึ้น ซึ่งสามารถนำไปต่อยอดในการศึกษาการเรียงของสารในระดับนาโน เช่นการเรียงตัวของสารจำพวกเพพไทม์ ที่มีขนาดเกลียวเมตร เป็นต้น จึงถือว่าเป็นการค้นพบที่ให้ประโยชน์ต่อในหลายด้าน” อาจารย์พลังพลกล่าว



ในกระบวนการศึกษาวิจัยสารขนาดเล็กระดับนาโนเมตรที่ไม่สามารถมองเห็นผ่านกล้องจุลทรรศน์ได้นั้น วิธีการตกผลึกสารมีประโยชน์อย่างมาก เพราะจำเป็นต้องใช้แสงซึ่งมีความยาวคลื่นในระดับรังสีเอ็กซ์และผลึกของสารมาทำหน้าที่คล้ายเลนส์ขยายในระดับโมเลกุลเพื่อให้เห็นโครงสร้างสามมิติของสารนั้นๆ



เมื่อผลงานวิจัยในขั้นแรกชี้ให้เห็นแล้วว่ากระบวนการดังกล่าวสามารถนำไปศึกษาโครงสร้างสามมิติของสารชีวภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งยังช่วยให้ลดขั้นตอนและระยะเวลาลงมาก อาจารย์พลังพลจึงต่อยอดงานวิจัยที่มีความซับซ้อนอีกระดับ กล่าวคือการศึกษาเอนไซม์ dihydrofolate reductase ในเชื้อมาลาเรียซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าเชื้อราในต้นไม้หลายร้อยเท่า และที่สำคัญเอนไซม์ดังกล่าวยังเป็นสาเหตุของอาการดื้อยาของเชื้อมาลาเรียด้วย โดยได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) ศูนย์พันธุวิศกรรมและเทคโนโลยีแห่งชาติ, Thailand-Tropical Diseases Research Program (T-2) และโครงการพัฒนาบัณฑิตศึกษาและวิจัยทางเคมี



“เราศึกษาถึงความเปลี่ยนแปลงในระดับโครงสร้างของโปรตีนซึ่งเป็นส่วนประกอบดีเอ็นเอของเชื้อมาลาเรีย เพราะเมื่อเชื้อเข้าสู่ร่างกายแล้วมีการปรับเปลี่ยนรูปร่างต่างจากตอนอยู่ในยุงจึงเป็นผลให้ตัวยารักษาปัจจุบันใช้ไม่ได้ผล โดยเปรียบเทียบระหว่างเอนไซม์ปกติกับเอนไซม์ตัวดื้อยาไปเพื่อหาจุดต่างและวิเคราะห์กระบวนการวิจัยตัวยาด้วยว่าเป็นอย่างไร ด้วยวิธีการสร้างผลึกของเอนไซม์และยิงรังสีเอ็กซ์เพื่อเห็นให้โครงสร้างสามมิติชัดเจนขึ้น” อาจารย์พลังพลกล่าวเสริม



สำหรับการทำวิจัยทางวิทยาศาสตร์จนถึงขั้นที่เรียกว่าประสบความสำเร็จนั้น งานวิจัยชิ้นนั้นจะต้องสามารถไขปัญหาตามที่นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งสมมุติฐานเอาไว้ได้และจะต้องเอื้อต่อการศึกษาต่อยอมระดับสูงต่อไปด้วย เช่น เดียวกับการศึกษาโครงสร้างสามมิติด้วยเทคนิคการยิงรังสีเอ็กซ์ในผลึกสารซึ่งสามารถนำไปใช้กับการไขปริศนาของสารชนิดอื่นอีก อาทิการศึกษายีนของฮีโมโกลบินซึ่งทำหน้าที่สร้างเม็ดเลือดแดงให้กับร่างกายเพื่อหาความจุดผิดปกติอันเป็นสาเหตุของโรคทาลัสซีเมีย หรืองานวิจัยเอนไซม์มันสำปะหลังเพื่อค้นหาถึงความสัมพันธ์ระหว่างศาสตร์แห่งเคมีและชีววิทยา เป็นต้น



ผลงานอันโดดเด่นของอาจารย์พลังพลทั้งหมดเกิดขึ้นจากความมุมานะและสนใจในสาขาชีววิทยาอย่างแท้จริง ประกอบกับมีโอกาสได้รับการคัดเลือกเป็นนักเรียนภายใต้โครงการพัฒนาและส่งเสริมผู้มีความสามารถพิเศษทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (พสวท.) ของสถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) ทำให้อาจารย์ได้ศึกษาต่อด้านวิทยาศาสตร์ชีววิทยาอย่างเต็มที่จนถึงระดับปริญญาตรี จึงทำให้วงการวิทยาศาสตร์ไทยได้มีนักวิทยาศาสตร์ผู้สร้างสรรค์งานวิจัยอันเป็นประโยชน์ต่อประเทศชาติเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งท่าน



“เดิมผมสนใจการค้นคว้าวิจัยอยู่แล้ว เพราะการตั้งคำถามช่วยสร้างแรงแห่งพยายามที่จะให้ได้คำตอบนั้น และโครงการพสวท. ช่วยสร้างบรรายากาศในการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ให้เกิดขึ้นด้วยการรวมกลุ่มเด็กที่มีสนใจแบบเดียวกันมาร่วมกัน และหยิบยื่นโอกาสในงานด้านวิทยาศาตร์ที่ชัดเจนในอนาคตไว้ให้ จึงเป็นแรงกระตุ้นให้ความฝันของเราแน่วแน่มากขึ้น” อาจารย์พลังพลกล่าว



นับว่าเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของนักวิทยาศาสตร์ไทยที่กล้าจะศึกษาในสิ่งที่คนอื่นไม่เคยทำมาก่อน แม้ว่า ณ เวลานั้นจะยังมองไม่เห็นเส้นทางข้างหน้าก็ตาม แต่ในที่สุดความพยายามและความ

ใฝ่รู้ก็ได้นำทางให้อาจารย์สามารถบรรลุยังเป้าหมายที่ตั้งเอาไว้ได้