➛ โครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ยูราซิล -ดีเอ็นเอไกลโคซิเลส (Uracil-DNA glycosylase, UNG) ซึ่งเป็นเอนไซม์ส�ำคัญที่ท�ำหน้าที่ซ่อมแซมล�ำดับดีเอ็นเอซึ่งผิดเพี้ยนไปของสิ่งมีชีวิต ความเข้าใจโครงสร้างของเอนไซม์ชนิดนี้ในเชิงลึกอาจท� ำให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบความ แตกต่างของเอนไซม์ในเชื้อก่อโรค (ในภาพคือเอนไซม์ UNG จากไวรัสโรคเริม) และในมนุษย์ ซึ่งอาจน�ำไปสู่การออกแบบยาที่ออกฤทธิ์จ�ำเพาะเจาะจงกับไวรัสก่อโรค แต่ไม่ส่งผลข้างเคียง แก่ผู้ป่วย ผลงานวิจัยของ ผศ. ดร. เกื้อการุณย์ ครูส่ง ภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
➛
เอนไซม์ ซ ่ อ มดี เ อ็ น เอของไวรั ส โรคเริ ม
ภาพจ�ำลองสามมิติ ของไวรัสโรคเริมที่ช่วยให้เห็นลักษณะที่ชัดเจน กว่าภาพถ่ายสองมิติ
➛
ไวรั ส เอดส์ HIV
โปรตีน p24 หรือ gag เป็นองค์ประกอบหลักของเปลือกหุม้ ไวรัสเอดส์ ลักษณะคล้ายดอกไม้หกกลีบ เรียงตัวกันเป็นเกลียวหุ้มพันรอบสารพันธุกรรมของไวรัสที่เรียกว่าอาร์เอ็นเอ (RNA) (เส้นผ่าน ศูนย์กลางดอกไม้ประมาณ ๙.๒ นาโนเมตร) มันท�ำหน้าทีป่ อ้ งกันอาร์เอ็นเอ ช่วยให้ไวรัสเอดส์คงทน ต่อสภาพแวดล้อมและการรักษาด้วยยา ยาต้านเอดส์หลายชนิดจึงออกแบบมาเพื่อออกฤทธิ์กับ โปรตีน p24 ➛ สัญลักษณ์วันเอดส์โลก ๑ ธันวาคม ๒๕๕๗
86
ธันวาคม ๒๕๕๗
ธันวาคม ๒๕๕๗
87
➛
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasmodium_falciparum
เอนไซม์ จ ากเชื้ อ มาลาเรี ย ดื้ อ ยา
โครงสร้างของเอนไซม์ไดไฮโดรโฟเลตรีดักเทส-ไทมิดิเลตซินเทส (dihydrofolate reductasethymidylate synthase, DHFR-TS) ของเชื้อมาลาเรียที่กลายพันธุ์ ช่วยให้นักวิจัยเข้าใจกลไกการ ดื้อยากลุ่มแอนติโฟเลตของเชื้อมาลาเรีย จนสามารถออกแบบยาต้านมาลาเรียชนิดใหม่ ๆ เพื่อหลีก เลี่ยงการดื้อยาได้ ผลงานวิจัยสุดเจ๋งของทีมวิจัยของ ศ. ดร. ยงยุทธ ยุทธวงศ์ หน่วยวิจัยชีววิทยา โมเลกุลทางการแพทย์ ศูนย์พนั ธุวศิ วกรรมและเทคโนโลยีชวี ภาพแห่งชาติ และ รศ. ดร. จิรนั ดร ยูวะนิยม ภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล (ภาพเล็ก) เชื้อมาลาเรียในเลือด
ภาพ : บันสิทธิ์ บุณยะรัตเวช
➛
โปรตี น จากเชื้ อ มาลาเรี ย
การที่เชื้อไวรัสหรือเชื้อมาลาเรียจะก่อโรคได้นั้น ต้องใช้โปรตีนเป็นเครื่องมือโจมตีสิ่งมีชีวิตเจ้าบ้าน หากนักวิจัยเข้าใจถึงกลไกการท�ำงานของมันได้อย่างลึกซึ้ง ก็อาจค้นพบวิธีหยุดยั้งการเกิดโรคได้ ภาพนี้คือโครงสร้างสามมิติของโปรตีน VAR2CSA บนผิวของเม็ดเลือดขาวติดเชื้อมาลาเรีย ซึ่ง ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจกลไกการเกิดภาวะแทรกซ้อนจากการติดเชื้อมาลาเรียในสตรีมีครรภ์ ผลงานของกลุ่มวิจัยของ ดร. พงค์ศักดิ์ ขุนแร่ ภาควิชาจุลชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัย เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ➛
88
ธันวาคม ๒๕๕๗
เม็ดเลือดขาวกับเม็ดเลือดแดงที่มองเห็นจากกล้องจุลทรรศน์
http://biology-igcse.weebly.com/blood-cells--structure-and-functions.html
ธันวาคม ๒๕๕๗
89
➛
เอนไซม์ จ ากข้ า ว
➛ ดอกข้าว
90
ธันวาคม ๒๕๕๗
ภาพ : ประเวช ตันตราภิรมย์
โครงสร้างของเอนไซม์ Beta-glucosidase จากข้าว ฝีมือของคณะวิจัย ศ. ดร. ม.ร.ว. ชิษณุสรร สวัสดิวัตน์ จากห้องปฏิบัติการชีวเคมี สถาบันวิจัยจุฬาภรณ์ ศ. ดร. Jim Ketudat-Cairns ส�ำนัก วิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี และ รศ. ดร. จิรันดร ยูวะนิยม ภาควิชาชีวเคมี คณะ วิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ที่อาจช่วยให้เราออกแบบเอนไซม์ชนิดใหม่ ๆ เพื่อการผลิตสาร คาร์โบไฮเดรตที่เป็นประโยชน์ในเชิงอุตสาหกรรม
ธันวาคม ๒๕๕๗
91
ภาพ : ประเวช ตันตราภิรมย์
➛
ไวรั ส ไข้ เ ลื อ ดออก
โครงสร้างสามมิติในระดับอะตอมของไวรัสไข้เลือดออก (Dengue virus) สร้างขึ้นโดยเทคนิค CryoEM และ X-ray crystallography (เส้นผ่านศูนย์กลางราว ๓๐๐ นาโนเมตร) ช่วยให้เราเข้าใจ กระบวนการบุกรุกและการประกอบตัวกันของไวรัส ซึง่ เป็นประโยชน์ตอ่ การออกแบบอนุภาคไวรัสจ�ำลอง (Virus-like particle) เพื่อน�ำไปท�ำเป็นวัคซีนและจักรกลนาโนส�ำหรับขนส่งยาเข้าไปจัดการกับไวรัส (ภาพเล็ก) ยุงลาย
➛
โปรตี น ฆ่ า ลู ก น�้ ำ ยุ ง
โครงสร้างสามมิติของโปรตีนสารพิษฆ่าลูกน�้ำยุง Cry4Ba จากแบคทีเรียบาซิลลัส ทูรินจิเอนซิส (Bacillus thuringiensis) (ขนาดประมาณ ๔x๕x๖ นาโนเมตร) ซึ่งอาจท�ำให้เราสังเคราะห์โปรตีน สารพิษฆ่าแมลงชนิดใหม่ที่ทรงอานุภาพ สามารถก�ำจัดและควบคุมยุงลายและยุงก้นปล่อง ช่วยลด การระบาดของโรคร้ายที่มียุงเป็นพาหะ เช่นไข้เลือดออกและมาลาเรียได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดย ไม่ส่งผลกระทบต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม ผลงานวิจัยของ ศ. ดร. ชนันท์ อังศุธนสมบัติ ห้องปฏิบัติ การชีวฟิสิกส์และชีวเคมีเชิงโครงสร้าง สถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล มหาวิทยาลัยมหิดล http://www.komunich.de/vincentsanchis/france/bacillus-thuringiensis.html
92
ธันวาคม ๒๕๕๗
➛ แบคทีเรียบาซิลลัส ทูรินจิเอนซิส หรือที่นิยมเรียกย่อว่า Bt
ธันวาคม ๒๕๕๗
93
เ ท ค นิ ค ผ ลิ ก ศ า ส ต ร์ รั ง สี เ อ ก ซ์ ภาพ : บันสิทธิ์ บุณยะรัตเวช
นักวิจัยเตรียมยิงผลึก ด้วยเครื่องยิงรังสีเอกซ์ ขนาดเล็กของหน่วยวิจัย โครงสร้างและการท�ำงาน ของโปรตีน คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
ก่อนที่จะหา
http://polarnacht.deviantart.com/art/Protein-Crystals-315478584
โครงสร้างของสารสักอย่างหนึ่ง ต้องเริ่มจาก การตกผลึกสารนั้นให้ได้เสียก่อน การตกผลึกสารต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็น โปรตีน ดีเอ็นเอ เอนไซม์ หรือแม้แต่ยา ก็มีหลักการเหมือนการตก ผลึกเกลือสมัยที่เราเรียนตอนเป็นเด็ก ในการตกผลึกเกลือ เราต้องมี เกลือปริมาณมหาศาลเพื่อปรุงสารละลายจนอิ่มตัว ในการตกผลึก โปรตีนหรือเอนไซม์ก็เช่นกัน นักวิทยาศาสตร์ต้องผลิตสารที่จะตกผลึก ให้ได้ปริมาณมากและบริสุทธิ์ รวมทั้งต้องหาวิธีท�ำให้มันอยู่ในความ เข้มข้นใกล้อิ่มตัว โดยไม่ตกเป็นตะกอนขยะออกมา ในอดี ต นั ก วิ ท ยาศาสตร์ อ าจต้ อ งฆ่ า สั ต ว์ ท ดลองจ� ำ นวนมาก เพื่ อ ให้ ไ ด้ โ ปรตี น มาแค่ เ พี ย งหยิ บ มื อ แต่ ใ นปั จ จุ บั น เทคนิ ค ทาง พันธุวิศวกรรมช่วยให้สามารถผลิตโปรตีนได้ในจุลินทรีย์ เช่น ยีสต์ หรือแบคทีเรีย ท�ำให้การผลิตโปรตีนง่ายขึ้น และได้ผลผลิตปริมาณ มาก อี ก ทั้ ง ยั ง สามารถปรั บ แต่ ง สมบั ติ ต่า ง ๆ โดยการเปลี่ ย นกรด อะมิโนของโปรตีนได้ด้วย
แต่แม้จะผลิตโปรตีนที่ต้องการได้แล้ว การตกผลึกโปรตีนหรือ เอนไซม์นั้นก็ยังเป็นเรื่องท้าทายอย่างมาก เพราะโครงสร้างที่ซับซ้อน เป็นสายยาวของโปรตีนมีความเปราะบางสูง ถ้าสภาวะแวดล้อม ไม่เหมาะสม เช่น อุณหภูมิสูงไป ปริมาณเกลือในสารละลายมากเกิน ไป หรือแม้แต่มีแรงกระท�ำรุนแรงกับมันมากเกินไป โปรตีนก็จะเริ่ม เสียสภาพ อาจบิดเบีย้ ว ไม่ตกเป็นผลึก หรือถ้าหนักหน่อยก็อาจคลาย ตัวตกเป็นขยะตะกอนสีขาวหรือน�้ำตาล แต่ถ้าโชคดี โปรตีนก็จะเข้า เรียงแถวกันอย่างเป็นระเบียบในสามมิติ ค่อย ๆ ตกลงมาแล้วโตใหญ่ ขึ้นเป็นผลึกที่สวยงาม ผลึ ก โปรตี น ที่ มี ข นาดพอเหมาะจะน�ำ ไปถ่ า ยภาพการกระเจิ ง รังสีเอกซ์ด้วยแหล่งก�ำเนิดรังสีเอกซ์ความเข้มสูงที่เรียกว่า ไซโคลตรอน (cyclotron) และซิ น โครตรอน (synchrotron) ซึ่ ง ช่ ว ยให้ ก ารหา โครงสร้างโปรตีนจากผลึกพัฒนาก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว และได้โครงสร้าง ที่ละเอียดมากยิ่งขึ้น
หน้าตาของผลึก โปรตีนกลูโคสไอโซเมอเรส ที่เกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการ
แบบแผนของการกระเจิงรังสีเอกซ์ที่สลับซับซ้อน ของโปรตีน ต�ำแหน่งและความเข้มของจุดกระเจิงรังสีเอกซ์ ที่กระจายไปทั่วบนฟิล์มเอกซเรย์หรือกล้องซีซีดี จะถูกน�ำมาวิเคราะห์อย่างละเอียดในคอมพิวเตอร์ เพื่อสร้างแผนที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่บ่งชี ้ ถึงต�ำแหน่งของแต่ละอะตอมในโมเลกุล
protein data bank
โครงร่างกรงไก่สีน�้ำเงิน (ด้านนอก) แสดงแผนที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่ความละเอียดต่าง ๆ ในหน่วยอังสตรอม (angstro¨ m, Å, เท่ากับ ๐.๑ นาโนเมตร) ส่วนโครงสร้างโครงลวดสีเขียว (ด้านใน) แสดงต�ำแหน่งของพันธะเคมีที่เชื่อมอะตอม ภายในกรดอะมิโนแต่ละตัวของโปรตีนเข้าด้วยกัน > แบบจ�ำลองสามมิติที่ละเอียดในระดับอะตอม สร้างขึ้นมาจากแผนที่ความหนาแน่น ของอิเล็กตรอน ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ ออกแบบโปรตีนหรือเอนไซม์ใหม่ ๆ ที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นได้ (ภาพโปรตีน Bt toxin งานวิจัยของ ดร. ป๋วย อุ่นใจ และ ศ. ดร. ชนันท์ อังศุธนสมบัติ)
แผนผังแสดงขั้นตอนทั่วไปของผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์
94
ธันวาคม ๒๕๕๗
protein data bank
ธันวาคม ๒๕๕๗
95
๑
๒
๓
วิวัฒนาการของแบบ
๔
จำ�ลองโมเลกุลจากผลิกศาสตร์รังสีเอกซ์
๑
๓
๕
๗
ศ. ดร. แมกซ์ เพอรุตซ์ ประกอบโมเดลสามมิตขิ องโปรตีนเฮโมโกลบิน นี้ขึ้นมาจากไม้บัลซาใน ค.ศ. ๑๙๕๙ โครงสร้างหน้าตาประหลาดนี้ช่วย ให้เขาอธิบายกลไกการจับออกซิเจนของเฮโมโกลบินในเลือด และอธิบาย ได้ว่าท�ำไมเลือดมนุษย์ (และสัตว์หลาย ๆ ชนิด) จึงมีสีแดง โครงสร้าง ไม้บัลซาแบบนี้ใช้อย่างแพร่หลายในยุคบุกเบิกก่อนที่คอมพิวเตอร์กราฟิก จะถือก�ำเนิดขึ้น
ศ. ดร. โดโรที ฮอดจ์กิน พิมพ์ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนของ ยาปฏิชีวนะเพนิซิลลินลงบนแผ่นเพล็กซีกลาส (plexiglass) แล้วน� ำมา เรียงซ้อนกันเพื่อแสดงเป็นโครงสร้างสามมิติ โมเดลเพล็กซีกลาสแบบนี้ ใช้แสดงโครงสร้างโปรตีนและเอนไซม์อีกหลายชนิด
รูปวาดสีชอล์ก (pastel illustration) ของโครงสร้างริบบอน (Ribbon diagram) ของเอนไซม์ไตรโอสฟอสเฟตไอโซเมอเรส (triosephosphate isomerase) รูปโครงสร้างโปรตีนแบบริบบอนนี้คิดค้นขึ้นโดย ศ. ดร. เจน เอส. ริชาร์ดสัน (Jane S. Richardson) จากมหาวิทยาลัยดุก๊ โดยจะวาด โครงสร้างสายหลักของโปรตีนลักษณะคล้ายริบบิ้นซึ่งอาจบิดเป็นเกลียว (สีทอง) หรือเป็นแผ่น (สีเขียว) การแสดงรูปโปรตีนแบบนีไ้ ด้รบั ความนิยม แพร่หลายมากในปัจจุบัน
รูปกราฟิกแบบต่าง ๆ ที่ใช้แสดงลักษณะโครงสร้างโปรตีน (ในภาพ คือโปรตีนเรืองแสงสีเขียว Green fluorescent protein, GFP) แถวบน (จากซ้ายไปขวา) โครงสร้างลายเส้น (Line) ใช้เส้นแทนพันธะเคมีในสาย โปรตีน, โครงสร้างกรงลวด (Wireframe) ใช้โครงสร้างลวดแทนพันธะ ในสายโปรตีน, โครงสร้างแบบสเปซฟิลลิง (Space filling) ใช้ลูกบอล ขนาดต่าง ๆ แทนอะตอมชนิดต่าง ๆ แถวล่าง (จากซ้ายไปขวา) โครงสร้าง บอลและสติก (Ball & stick) ใช้ลูกบอลแทนอะตอม และใช้โครงลวด แทนพั น ธะทางเคมี , โครงสร้ า งริ บ บอน (Ribbon) ใช้ แ สดงลั ก ษณะ โครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีน, โครงสร้างผิว (Surface) ใช้แสดงลักษณะ พื้นผิวของโปรตีน
(ภาพ : MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge University)
๒ โมเดลไส้กรอกสร้างขึ้นโดย ดร. จอห์น เคนดรูว์ ในปลายทศวรรษ ๑๙๕๐ เพือ่ ท�ำความเข้าใจการท�ำงานของโปรตีนไมโอโกลบิน (myoglobin) ในกล้ามเนือ้ เขาทาสีขาวส�ำหรับโครงร่างสายหลัก (backbone) ทีพ่ บั ไป พับมาของโปรตีน และสีแดงส�ำหรับฮีม (heme) ส่วนที่เก็บธาตุเหล็กไว้ ภายใน
(ภาพ : MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge University)
๔ ภาพฉายความหนาแน่นอิเล็กตรอน (electron density map) ของ ฮอร์โมนอินซูลินโดย ศ. ดร. โดโรที ฮอดจ์กิน (ภาพ : MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge University)
(ภาพ : MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge University)
๖ คอมพิวเตอร์กราฟิกช่วยให้เรามองเห็นภาพโปรตีนเป็นสามมิติและ หมุนดูโครงสร้างของโปรตีนได้ทุกมุมบนจอคอมพิวเตอร์ ปัจจุบันสถาบัน วิจัยหลายแห่งพัฒนาห้องปฏิบัติการ Virtual Reality ที่สามารถพินิจ โครงสร้างในระดับนาโนของโปรตีนและสารอื่น ๆ ได้อย่างละเอียดและ น่าทึ่ง โดยไม่ต้องเสียเวลานับเดือนสร้างโมเดลด้วยมือเหมือนในอดีต (ภาพ : Univeristy of Arkansas)
๘ เทคโนโลยีการพิมพ์ภาพสามมิติ 3D printer ช่วยให้เราพิมพ์โมเดล สามมิตขิ องโปรตีนออกมาหยิบจับชืน่ ชมและช่วยเป็นสือ่ การเรียนการสอน และการวิเคราะห์หารือกันได้อย่างสะดวก (ภาพ : University of Minnesota)
๕
96
ธันวาคม ๒๕๕๗
๖
๗
๘
ธันวาคม ๒๕๕๗
97