รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2016: การสังเคราะห์เครื่องจักรโมเลกุล (molecular machines)

รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2016: การสังเคราะห์เครื่องจักรโมเลกุล (molecular machines)

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2016 มอบให้แก่ Jean-Pierre Sauvage, Sir James Fraser Stoddart, และ Bernard L. Feringa สำหรับการออกแบบและสังเคราะห์เครื่องจักรโมเลกุล (molecular machines)

เครื่องจักรที่เล็กที่สุดในโลก

ปัจจุบันเครื่องจักรได้เป็นส่วนหนึ่งของการพัฒนาสิ่งต่างๆ และการใช้ชีวิตประจำวันของมนุษย์ เราใช้เครื่องจักรต่างๆ มากมายช่วยทำงาน และอำนวยความสะดวก ตั้งแต่เครื่องใช้ในบ้าน คอมพิวเตอร์ ยานพาหนะ รวมถึงเครื่องจักรในอุตสาหกรรม ในปี 1959 Richard Feynmann นักฟิสิกส์ชื่อดังได้เสนอแนวคิดทางด้านนาโนเทคโนโลยี  เขาแสดงให้เห็นว่าเครื่องจักรโมเลกุลมีอยู่แล้วในธรรมชาติ เช่น แฟลเจลลา (flagella) ซึ่งเป็นส่วนที่ทำให้แบคทีเรียบางชนิดเคลื่อนที่ได้ และชี้ให้เห็นความเป็นไปได้ในการพัฒนาเครื่องจักรที่มีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร ทำให้นักวิทยาศาสตร์สนใจในด้านการพัฒนาเครื่องจักรโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น

เครื่องจักรโมเลกุล หรือ molecular machine หมายถึง “โครงสร้างจากการรวมกันของโมเลกุล ที่สามารถเคลื่อนไหวแบบเครื่องจักร เมื่อมีสิ่งกระตุ้นจากภายนอกที่เหมาะสม”

ความท้าทายของการสร้างเครื่องจักรโมเลกุลคือการออกแบบโมเลกุลส่วนประกอบต่างๆ วิธีสำหรับประกอบแต่ละชิ้นส่วนเข้าด้วยกัน รวมไปถึงการควบคุมให้เกิดการเคลื่อนที่เมื่อมีแหล่งพลังงานที่เหมาะสม เครื่องจักรที่จะทำงานได้ต้องมีชิ้นส่วนโมเลกุลที่ยึดเข้าด้วยกัน และสามารถเคลื่อนไหวสัมพัทธ์กับส่วนอื่นๆ ได้

วงแหวนโมเลกุลและพันธะเชิงกล

ในปี 1983 กลุ่มวิจัยของ Jean-Pierre Sauvage นักเคมีชาวฝรั่งเศส ประสบความสำเร็จในการเชื่อมต่อโมเลกุลเกิดเป็นโมเลกุลวงแหวนที่คล้องกัน เรียกว่า catenane โดยอาศัยไอออนของโลหะทองแดงช่วยดึงดูดชิ้นโมเลกุล 2 โมเลกุลมาอยู่ใกล้กัน จากนั้นเมื่อเกิดวงแหวนที่ต้องการแล้ว ไอออนของทองแดงก็ถูกนำออกไป การสังเคราะห์ในลักษณะนี้เรียกว่าการสังเคราะห์โดยอาศัยแม่แบบ (template synthesis)

การเชื่อมต่อวงแหวนโมเลกุล
ภาพแสดงการเชื่อมต่อวงแหวนโมเลกุล

โดยปกติโมเลกุลจะเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์จากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันของอะตอม แต่ในการประกอบโมเลกุลเข้าด้วยกันเป็นวงแหวนนี้ อะตอมไม่ได้เกิดพันธะทางเคมีกันโดยตรง นักวิทยาศาสตร์เรียกพันธะในลักษณะนี้ว่า พันธะเชิงกล (mechanical bond)

การค้นพบของเขาทำให้เกิดการพัฒนาอย่างมากทางด้านสาขาเคมีเชิงโทโพโลยี (Topological Chemistry) เกิดการพัฒนาการสังเคราะห์โมเลกุลที่มีโครงสร้างสามมิติซับซ้อนขึ้น เช่น catenane ที่มีหลายวง ปมโมเลกุล (molecular knot) เป็นต้น

โมเลกุลที่มีความซับซ้อนทางโทโพโลยีที่กลุ่มวิจัยของ Jean-Pierre Sauvage สังเคราะห์ขึ้น
โมเลกุลที่มีความซับซ้อนทางโทโพโลยีที่กลุ่มวิจัยของ Jean-Pierre Sauvage สังเคราะห์ขึ้น

การเคลื่อนที่ที่ควบคุมได้

ต่อมาในปี 1991 James Fraser Stoddart ได้เสนอแนวทางใหม่ในการเชื่อมต่อโมเลกุล โดยอาศัยการดึงดูดกันระหว่างวงอะโรมาติกที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นมาก และหนาแน่นน้อย ทำให้เกิดการเชื่อมต่อของโมเลกุลวงแหวนเข้ากับโมเลกุลเส้นตรง เขาอาศัยวงแหวนที่มีส่วนอิเล็กตรอนน้อยและโมเลกุลเส้นตรงที่มีส่วนอิเล็กตรอนหนาแน่นมาสังเคราะห์เป็นโมเลกุลที่เรียกว่า rotaxane ซึ่งเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของโมเลกุลที่เชื่อมต่อกันเชิงกล เขายังพบว่าวงแหวนที่คล้องอยู่สามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างวงอะโรมาติกของโมเลกุลเส้นตรงได้

ภาพการสังเคราะห์ rotaxane และการเคลื่อนที่ไปมาของโมเลกุลวงแหวน
การสังเคราะห์ rotaxane และการเคลื่อนที่ไปมาของโมเลกุลวงแหวน

ทีมวิจัยของเขาพัฒนาวิธีในการควบคุมการเคลื่อนที่ของโมเลกุลวงแหวน โดยให้ปลายสองด้านของส่วนโมเลกุลเส้นตรงแตกต่างกัน เขาสามารถควบคุมให้โมเลกุลวงแหวนเคลื่อนที่ไปอยู่ในตำแหน่งที่ต้องการได้โดยอาศัยปฏิกิริยาเคมีอย่างเช่นการเปลี่ยน pH หรือการรับส่งอิเล็กตรอน การค้นพบนี้เป็นหนึ่งในตัวอย่างแรกๆ ที่แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่ของเครื่องจักรโมเลกุลสามารถควบคุมได้ เช่นเดียวกับงานวิจัยในช่วงเดียวกันที่แสดงให้เห็นว่าสามารถควบคุมการหมุนของวงแหวน catenane ได้

ทั้งสองกลุ่มวิจัยยังได้พัฒนาการสังเคราะห์และประยุกต์ใช้โมเลกุลเหล่านี้ เช่น สังเคราะห์โมเลกุลที่เลียนแบบการยืดหดของกล้ามเนื้อ การสังเคราะห์ลิฟต์ระดับโมเลกุลที่สามารถเคลื่อนที่ได้ 0.7 นาโนเมตร และการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล

มอเตอร์ระดับโมเลกุล

นอกจากการเชื่อมต่อเชิงกลแล้ว มอเตอร์เป็นอีกส่วนสำคัญสำหรับเครื่องจักรโมเลกุล มอเตอร์จำเป็นสำหรับการทำงานและผลักดันระบบให้ออกจากภาวะสมดุล นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามพัฒนามอเตอร์ระดับโมเลกุล (molecular motor) จนกระทั่งปี 1999 Bernard L. Feringa ได้ออกแบบและสังเคราะห์มอเตอร์โมเลกุลซึ่งจะหมุนในทิศทางเดียวเท่านั้นภายใต้แสง UV และความร้อน โดยอาศัยพันธะไม่อิ่มตัวที่เกิดไอโซเมอร์ได้ (Isomerisable unsaturated bond) ทั้งนี้ตามปกติพันธะที่ไม่อิ่มตัวจะหมุนไม่ได้ ต่างจากพันธะเดี่ยวที่สามารถหมุนได้เองอย่างอิสระ ในงานวิจัยนี้ใช้แสง UV เป็นแหล่งพลังงาน ทำให้พันธะไม่อิ่มตัวนี้สามารถหมุนได้

การหมุนของมอเตอร์โมเลกุล
มอเตอร์โมเลกุล หมุนในทิศทางเดียวด้วยแสงและความร้อน

ต่อมาก็มีการพัฒนามอเตอร์ให้สามารถหมุนได้เร็วขึ้น การทดลองในปี 2006 พบว่ามอเตอร์โมเลกุลสามารถหมุนวัตถุขนาดระดับไมโครเมตรในผลึกเหลว (liquid crystal) ไปในทิศทางเดียวกันได้ และในปี 2011 กลุ่มวิจัยของ Feringa ได้สร้างรถนาโน (nanocar) ขึ้น โดยประกอบมอเตอร์ 4 โมเลกุลเข้าด้วยกัน ให้ทำหน้าที่เป็นเหมือนล้อรถ รถนาโนนี้สามารถเคลื่อนที่ไปบนพื้นผิวได้จริงโดยใช้พลังงานแสงในการขับเคลื่อน

แบบจำลองรถยนต์นาโนของกลุ่มวิจัยของ Bernard L. Feringa
แบบจำลองรถยนต์นาโนของกลุ่มวิจัยของ Bernard L. Feringa

 

วิดีโอแสดงการเคลื่อนที่ของรถนาโน

อนาคตของเครื่องจักรโมเลกุล

การค้นพบครั้งสำคัญของผู้ได้รับรางวัลโนเบลทั้ง 3 ท่านได้นำไปสู่การศึกษาและความเป็นไปได้ในการสร้างเครื่องจักรโมเลกุลใหม่ๆ ที่สามารถทำหน้าที่เฉพาะ เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ตรวจวัด และอุปกรณ์ทางชีวภาพ ในอนาคตเครื่องจักรระดับเล็กจิ๋วนี้อาจมีบทบาทสำคัญต่อการดำรงชีวิตของเราอย่างคาดไม่ถึง ขณะนี้การพัฒนาเครื่องจักรโมเลกุลจัดว่าอยู่ในช่วงแรก เช่นเดียวกับการประดิษฐ์เครื่องจักรไอน้ำหรือมอเตอร์ไฟฟ้าที่ต่อมานำไปสู่การพัฒนาอย่างก้าวกระโดด จนเกิดเป็นเครื่องซักผ้า พัดลม หรือเครื่องปรับอากาศที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน

สามารถอ่านเนื้อหาฉบับง่ายจาก Nobel Prize และอ่านเนื้อฉบับลึกพร้อมรูปโครงสร้างโมเลกุลได้จาก Nobel Prize

อ้างอิง: Nobel Prize in Chemistry: Press Release

หมายเหตุ: หนึ่งในนักวิจัยที่สังเคราะห์รถนาโนเป็นนักวิจัยชาวไทย ผู้สนใจสามารถฟังบทสัมภาษณ์ในรายการ Witcast ได้

เขียนโดย

Surased Suraritdechachai

นิสิตภาควิชาเคมี
Tags: , , , ,