ไรโบโซมกล

นี่เครื่องกลขนาดเล็กที่ทำหน้าที่ต่อกรดอะมิโนเข้าด้วยกันตามลำดับที่กำหนดไว้ก่อนแล้ว โดยที่มันเลียนแบบการทำงานมาจากไรโบโซม

ไรโบโซม เครื่องกลของเซลล์ขนาดเล็กที่ทำหน้าที่เปลี่ยนข้อมูลจากรหัสพันธุกรรม เพื่อสร้างเป็นโปรตีนให้กับร่างกาย ซึ่งเป็นเครื่องมือของเซลล์ที่น่าทึ่งชิ้นหนึ่งเลยทีเดียว แต่ว่าตอนนี้ มีนักเคมีคนหนึ่ง ได้สร้างสรรค์เครื่องกลระดับนาโน ที่ทำงานได้แบบเดียวกับไรโบโซมเลยทีเดียว

ระบบที่ถูกประดิษฐ์ออกมานี้ ไม่ได้มีแนวความคิดที่จะมาแทนทีไรโบโซมตามธรรมชาติ ซึ่งเป็นระบบที่ซับซ้อนของทั้ง โปรตีน และ RNA แต่ว่าระบบที่เขาประดิษฐ์ขึ้นมานี้ มีโครงสร้างและวิธีการทำงานง่ายกว่าไรโบโซมจริงๆ มาก และมีขนาดเป็นเพียงแค่ หนึ่งในสิบของขนาดของไรโบโซมจริงๆ นอกจากนั้นมันยังทำงานได้ช้ามาก มันทำลายรหัสที่มันอ่านและสร้างโปรตีนสายสั้นๆ หรือที่เรารู้จักกันในชื่อของ เปปไทด์ แต่อย่างไรก็ตาม มันสามารถใช้เทคนิคของเครื่องกลทางชีวภาพ เพื่อที่จะเอามาสร้างสารเคมีที่ต้องการได้

“เราได้รับแรงบันดาลใจมาจากการทำงานไรโบโซม” Dave Leigh นักเคมีสังเคราะห์กล่าว “แต่ว่า เครื่องกลของเรานี้ดูธรรมดามาก เมื่อเอาไปเทียบกับไรโบโซมจริงๆ”

ระบบที่ Leigh พัฒนามานี้ ได้อาศัยแนวความคิดมาจาก rotaxane หรือโมเลกุลวงแหวนขนาดใหญ่ ที่ร้อยไปบนโมเลกุลอีกชนิดหนึ่งที่ทำตัวเป็นแกน โมเลกุลแกนนี้ มีกรดอะมิโนอยู่สามตัว และสายของกรดอะมิโนอีกสามตัวที่ห้อยอยู่บนวงแหวน หนึ่งในกรดอะมิโนที่ติดอยู่กับวงแหวนก็คือ ซิสเตอีน (cysteine) ซึ่งมันมีหมู่ ไทออล (thiol group) หรือหมู่ฟังก์ชันที่มีอะตอมของกำมะถันอยู่ [1] (ดูการทำงานที่วีดีโอประกอบ)

การเพ่ิมความร้อนแก่ระบบ ทำให้หมู่ ไทออล หลุดออกมาจากโมเลกุลที่เป็นแกน และพร้อมที่จะถ่ายเทไปยังส่วนปลายของกรดอะมิโนที่ติดอยู่ที่ปลายของวงแหวน โดยวงแหวนสามารถเคลื่อนที่ไปตามโมเลกุลแกนได้ และใช้วิธีแบบเดิมสำหรับกรดอะมิโนตัวถัดไป เมื่อวงแหวนหลุดออก ทำให้ได้สายเปปไทด์ ที่บรรจุกรดอะมิโนทั้งหมดเป็นจำนวนหกตัว

Ribosomal robot
หุ่นยนต์ขนาดเล็กนี้ จะทำการต่อกรดอะมิโน (ลูกบอลสีๆ) ด้วย rotaxane (ห่วงสีฟ้า) ที่เคลื่อนที่ได้

“มันเป็นบทความวิจัยที่ดีที่สุดฉบับหนึ่งของ Leigh เลยทีเดียว” Alan Rowan นักเคมีอินทรีย์ที่กำลังวิจัยเกียวกับ rotaxane กล่าว “นี่เป็นตัวอย่างแรกของการใช้ rotaxane สำหรับการทำปฏิกิริยาแบบลูกโซ่ และมันก็เป็นอีกก้าวที่ยิ่งใหญ่ของวงการนี้”

ถึงแม้ว่า rotaxane ของ Leigh ได้เลียนแบบการทำงานของไรโบโซม เพื่อสร้างสายเปปไทด์โดยมีกรดอะมิโนเป็นลำดับที่แน่นนอน และการใช้กรดอะมิโนที่ใช้โมเลกุลของกำมะถันเป็นผู้ช่วย ระบบแบบของเขานี้ ปกติสามารถพบได้ทั่วไปในธรรมชาติ อาทิ ในแบคทีเรียบางชนิด ก็ใช้วิธีแบบนี้ในการสังเคราะห์โปรตีน และมันก็ยังคงเป็นเทคนิคปฏิบัติมาตรฐาน สำหรับการสังเคราะห์โปรตีนในห้องปฏิบัติการอีกด้วย

จากการใช้โมเลกุลแบบนี้จำนวน 1018 โมเลกุล ในครั้งเดียว ทำให้มันสามารถที่จะผลิตเปปไทด์ ได้จำนวน 10 มิลลิกรัม แต่ว่า ข้อด้อยของกระบวนการนี้ ก็คืือ เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นช้ามาก ซึ่งมันใช้เวลาประมาณ 12 ชั่วโมงในการต่อกรดอะมิโนแต่ละตัว ในทางกลับกัน ไรโบโซม สามารถที่จะต่อกรดอะมิโนได้ประมาณ 15-20 ตัวในหนึ่งวินาที

การปรับใช้ในอนาคต

การที่เครื่องกลระดับนาโนชิ้นนี้จะทำงานให้เป็นรูปเป็นร่างได้ จำเป็นจะเป็นจะต้องเรียงกรดอะมิโน ไปบนโมเลกุลที่เป็นแกน ให้ถูกต้องเสียก่อน นี่เองที่บ่งชี้ว่า มันจะสามารถประกอบสายเปปไทด์ ได้เพียงแค่สายเดียวเท่านั้น ในทางกลับกัน ไรโบโซม มันมีความสามารถที่จะจับเอากรดอะมิโน ที่ล่องลอยอยู่ในตัวกลางที่เป็นของเหลวรอบๆ ตัวมัน และประกอบกรดอะมิโนเหล่านั้น เป็นลำดับที่ถูกต้อง ตาม  RNA แม่แบบ ซึ่งในอนาคต นักวิจัยกลุ่มนี้ คาดว่าพวกเขาสามารถที่จะพัฒนาเครื่องมือ ที่มีความสามารถคล้ายๆ กัน กล่าวคือ โมเลกุลที่เป็นแกนจะต้องสามารถเลือกจับกรดอะมิโนเข้ามาเองได้ และเมื่อกรดอะมิโนหลุดออกไปจากโมเลกุลที่เป็นแกน โมเลกุลแกนนี้จะต้องสามารถจับเอากรดอะมิโนตัวใหม่เข้ามาแทนที่ใด้ ถูกต้องตามลำดับที่ต้องการ

เครื่องกลของ Leigh จะไม่มีทางประสบความสำเร็จเลย หากมันไม่มีวิธีที่ต่อพันธะเปปไทด์ ได้เอง แต่เขาก็หวังว่า มันจะช่วยขับเคลื่อนให้แนวคิดในการสร้างปฏิกิริยาเคมี ได้ก้าวเพิ่มไปอีกขั้นหนึ่ง คือ ไม่ได้ใช้กระบวนการที่เป็นขั้นๆ แบบเดิม กล่าวคือ การค่อยๆ เติมหมู่ฟังก์ชันที่ละหมู่ หลังจากนั้น ก็ทำให้สารบริสุทธิ์ และเติมหมู่ฟังก์ชันอีกหมู่ วนแบบนี้ไปเรื่อยๆ “วิธีเดิมแบบนี้เป็นงานที่ใช้แรงงานมาก อีกทั้งยังไม่มีประสิทธิภาพดีเท่าวิธีทางชีววิทยาเลย” Leigh กล่าว

Light และนักเคมีอีกสองท่าน ได้ใช้ rotaxane ในการดึงหยดของของเหลวให้เคลื่อนที่ [2] เข้ารหัสข้อมูลสองมิติ [3] ส่งยาไปยังจุดที่ต้องการ [4] และใช้เปิด-ปิด ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี [5]

เครื่องกลเชิงเคมีที่ได้รับแรงบันดาลใจมาจากชีววิทยานี้ ทำให้นักเคมีสามารถสร้างสารที่มีลำดับโมเลกุลที่แน่นนอนได้ อาทิ โพลีสไตรีน และมันยังสามารถสร้างสารที่มีคุณสมบัติทางเคมี และทางกายภาพที่แตกต่าง หรือแม้กระทั่งสร้างสารที่บรรจุข้อมูลไว้อย่างเช่นใน DNA “นั่นคือสิ่งที่ธรรมชาติทำไว้ แล้วทำไมเราจะเลียนแบบมันไม่ได้ล่ะ” Leigh กล่าว

อ้างอิง:

[1] Lewandowski, B. et al. Science 339, 189–193 (2013).

[2] Berná, J. et al. Nature Mater. 4, 704–710 (2005).

[3] Tian, H. & Wang, Q.-C. Chem. Soc. Rev. 35, 361–374 (2006).

[4] Dam, H. H. & Caruso, F. ACS Nano 6, 4686–4693 (2012).

[5] Blanco, V., Carlone, A., Hänni, K. D., Leigh, D. A. & Lewandowski, B. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 5166–5169 (2012).

ที่มา: http://www.nature.com/news/molecular-robot-mimics-life-s-protein-builder-1.12190

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *