ใช้ไวรัสสร้างวัสดุใหม่ ๆ

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          หลายปีมานี้ นักวิทยาศาสตร์ในสหรัฐอเมริกาได้ใช้ไวรัสมาสร้างวัสดุหลายอย่าง ที่คล้ายคลึงกับผิวหนัง และกระดูก เพื่อความเข้าใจอันถ่องแท้ใหม่ ๆ ว่า วัสดุดังกล่าวมีพัฒนาการอย่างไรในโลกธรรมชาติ ผลงานนี้จึงได้ทำให้ การผลิตเชิงสังเคราะห์เนื้อเยื่อในห้องปฏิบัติการ เข้าใกล้ความจริงเข้าไปทุกที
ในธรรมชาติ วัสดุต่างชนิดกัน ส่วนใหญ่ประกอบขึ้นจากสำเนาโมเลกุลพื้นฐานเดียวกันหลาย ๆ สำเนา สำเนาที่ว่าอย่างหนึ่งก็คือ โปรตีน เช่น คอลลาเจนแบบที่ 1 เป็นโมเลกุลโปรตีนที่สามารถประกอบเข้ากับสารเคมี หลายอย่าง เกิดเป็นเนื้อเยื่อผิวหนัง กระดูก หรือแม้แต่เนื้อเยื่อตา เนื่องจากโมเลกุลแต่ละอย่าง ไม่ได้ประกอบขึ้น ตามแม่แบบภายนอก จึงเรียกกระบวนการนี้ว่า “การลอกแบบตัวเอง” (self-templating) ทั้งนี้ต้องมีการควบคุม ตัวประกอบอุณหพลวัต (thermodynamic factor) เช่น อุณหภูมิ และความเข้มข้นของสารละลาย เพื่อประกันว่า กระบวนการจะเกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ
นักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้มีความชำนาญมากในการทำซ้ำกระบวนการนี้ แต่เนื่องจากตัวประกอบอุณหพลวัต (thermodynamic factor) ที่พอดีผลักดันการลอกแบบตัวเอง มีสภาพไว (sensitivity) ที่สูงมาก การสร้าง โมเลกุลดังกล่าวในห้องปฏิบัติการจึงเป็นเรื่องยากมาก ซึ่งที่จริงธรรมชาติสามารถมีการควบคุมที่แน่นอนได้อย่างไร ยังเป็นความลับ ที่หลบหลีกรอดมือนักเคมีในห้องปฏิบัติการไปได้

ลุยด้วยไวรัส
คำตอบอันงดงามของปัญหานี้ก็คือ การใช้ไวรัสทำลายแบคทีเรีย (bacteriophage) ชื่อ เอ็ม 13 (M13 phage) เป็นหน่วยพื้นฐาน แทนการใช้โมเลกุลอย่างคอลลาเจน   เอ็ม 13 เป็นไวรัสชนิดชอบทำลายแบคทีเรียอีโคไล (E. coli) แต่ไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ ทำให้เติบโตและควบคุมได้ง่ายในห้องปฏิบัติการ เนื่องจากมีโปรตีนห่อหุ้มตัวที่จัดการได้ง่าย ด้วยวิธีทางพันธุวิศวกรรม—ลูกเล่นนี้ค้นพบโดยนายลี (Seung-Wuk Lee) แอนเจลา เบลเชอร์ (Angela Belcher) กับพวก ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัส-ออสติน เมื่อปี 2002
สำหรับผลงานล่าสุดที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้ กลุ่มนักวิจัยนำโดยนายลี ซึ่งตอนนี้มาอยู่ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอเนีย-เบิร์กลีย์ กับที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เลนซ์เบิร์กลีย์ ได้มุ่งศึกษาเงื่อนไขทางกายภาพ ที่จะช่วยทำให้การเกิด โครงสร้างโมเลกุลต่าง ๆ เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยไวรัสเอ็ม 13 ดัดแปร (modified M13 virus) พวกเขาเริ่มต้นจากแผ่นของแข็งจุ่มในสารละลายเกลือที่อุดมด้วยไวรัส จากนั้นก็ค่อย ๆ ดึงแผ่นที่ว่าขึ้นมาจากสารละลาย อย่างระมัดระวัง เพื่อให้น้ำเกลือระเหยไป เหลือชั้นไวรัสบาง ๆ ไว้บนแผ่นของแข็ง
วิธีนี้ทำให้ความเข้มข้นของสารละลายที่มีไวรัสเข้มข้นขึ้น และรูปแบบของชั้นบาง ๆ ก็ซับซ้อนขึ้นด้วย โดยที่ความเข้มข้น 0.1 ถึง 0.2 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร พวกนักวิจัยพบเห็นรูปแบบที่เป็นสันนุนกับร่องสลับกันแบบธรรมดา ๆ แต่อย่างไรก็ดี ที่ความเข้มเข้น 6 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร รูปแบบที่เห็นมีความซับซ้อนขึ้น รูปร่างยาว ๆ ที่เห็น พวกนักวิจัยบอกว่าทำให้นึกถึงเส้นบะหมี่ราเม็งแห้ง

ดึงเส้นบะหมี่
ทีมวิจัยได้ศึกษาผลของอัตราเร็วการสกัดไว้ด้วย พวกเขาพบว่าสมบัติเชิงแสงของโครงสร้าง “คล้ายเส้นบะหมี่” พวกนี้ แปรอย่างชัดเจนตามความเร็ว ช้า การดึงแผ่นของแข็งขึ้นจากสารละลาย อัตราเร็วการดึงเพิ่มขึ้นจาก 50 ไมโครเมตรต่อนาที ถึง 80 ไมโครเมตรต่อนาที จะลดความสูงยอด (peak) ของความยาวคลื่นสะท้อน (reflected wavelength) ของชั้นฟิล์มจาก 190 นาโนเมตร ถึง 388 นาโนเมตร ซึ่งพวกนักวิทยาศาสตร์ชี้ว่า วัสดุในธรรมชาติ ที่ให้ความยาวคลื่นดังกล่าว ได้แก่วัสดุที่ก่อเกิดเป็นขนนก และเปลือกแมลงเต่าทองที่มีโครงสร้างสีเป็นเงาเลื่อม
ทีมนี้ได้ผลิตก้อนโครงสร้างสามมิติ โดยใช้ฟิล์มของพวกเขาเป็นซับสเตรตใช้สำหรับเลี้ยงเซลล์ ทั้งนี้ ฟิล์มที่แตกต่างกันจะเลี้ยงได้เซลล์ที่แตกต่างกันไป มีซับสเตรตหนึ่งทีพวกเขาจัดการเลี้งเซล์ได้เนื้อเยื่อ ที่มีสารคล้ายคลึงกับเคลือบฟันเชียว
นายลีเน้นว่า กลุ่มของเขาไม่ได้อ้างว่า ได้จำลองกระบวนการที่ใช้สำหรับผลิตวัสดุเหล่านี้ในธรรมชาติ — อันเป็นสิ่งที่ยังเข้าใจกันน้อยมาก โดยได้กล่าวเอาไว้ว่า “พวกเราเชื่อว่ากระบวนการที่แท้จริงที่ธรรมชาติใช้สร้่งวัสดุเหล่านี้ ยังห่างไกลมากจากกระบวนการของเรา แต่สิ่งสำคัญก็คือ เราได้เริ่มต้นทดสอบความสำคัญของตัวประกอบหลายอย่าง ทางพลศาสตร์ และเราได้มีการริเริ่มเชิงวิศวกรรม และลอกเลียนโครงสร้างที่ธรรมชาติผลิตได้อย่างใกล้เคียงมาก”
เบลเชอร์ ซึ่งตอนนี้ทำงานที่เอ็มไอที (Massachusetts Institute of Technology) จึงไม่ได้มีส่วนร่วม กับงานล่าสุดนี้ เธอรู้สึกประทับใจมากโดยกล่าวว่า “ดิฉันคิดว่า สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดของผลงานชิ้นนี้ก็คือ ความสามารถ ในการใช้หน่วยการสร้างโมเลกุลเดี่ยว (single molecular building block) ที่ใช้การปรับแต่งในเชิงพันธุกรรม มาควบคุม การลอกแบบตัวเอง และควบคุมการประกอบวัสดุในหลายระดับของการจัดระบบ จากนั้นพวกเขาก็ใช้ระเบียบวิธีนี้ กับการใช้ประโยชน์อย่างหลากหลาย ระบบนี้น่าจะปรับใช้กับการใช้ประโยชน์และวัสดุอย่างอื่นได้อีก”

          รายละเอียดงานวิจัยนี้หาอ่านได้ในวารสาร Nature

เรื่องจาก : Virus helps build new materials โดย Timothy Wogan (UK)

โพสต์เมื่อ : 25 ตุลาคม 2554