นักเคมีมือสะอาด

ดร.ชินพงษ์ กฤตยากรนุพงศ์
ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี


สำหรับงานวิจัยทางเคมีสามารถแบ่งออกได้เป็นสองแนวทางคือ การทำการทดลอง (Experiments) และเคมีเชิงคำนวณ (Computational chemistry) หลายครั้งที่การทดลองถูกจำกัดโดยเครื่องมือที่ใช้วิเคราะห์ หรือเงื่อนไขสำหรับทำการทดลองที่ต้องควบคุมเช่น อุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้น สารเคมีหลายชนิดยังเป็นอันตรายต่อผู้ทำการทดลอง และมีราคาสูง ค่าใช้จ่ายสำหรับการบำบัดสารเคมีที่เหลือจากการทำการทดลอง มักมีราคาสูง ตัวอย่างเช่น การออกแบบยาซักตัว ต้องใช้เวลานานหลายปี เริ่มตั้งแต่หาสมุนไพรที่มีฤทธิ์ในการยับยั้งเชื้อโรค จากนั้นทำการสกัดหาสารเคมีที่อยู่ในสมุมไพร โดยปกติมักพบสารเคมีหลายชนิดที่ได้จากการสกัด และทำการทดสอบว่าสารเคมีชนิดไหนมีฤทธิ์ในการยับยั้งเชื้อโรค จากนั้นทำการทดสอบสารเคมีที่มีฤทธิ์ยับยังเชื้อโรคกับสัตว์ที่ติดเชื้อโดยปกติจะเป็นหนูทดลอง หลังจากทราบว่าสารเคมีชนิดไหนมีฤทธิ์ในการยับยั้งเชื้อโรคได้ดีในหนูแล้ว ต้องนำมาทดสอบกับสัตว์อื่นๆต่อ ปกติจะเลือกชนิดที่มีความใกล้เคียงทางพันธุกรรมกับมนุษย์มากที่สุด หากมีผลข้างเคียงเกิดขึ้น แม้จะเป็นสารเคมีที่มีฤทธิ์ในการยับยั้งเชื้อโรคได้ดี ก็ต้องถูกละทิ้งไป แล้วกลับไปเริ่มต้นใหม่ตั้งแต่กระบวนการหาสมุนไพรที่มีฤทธิ์ในการยับยั้งเชื้อโรค จะเห็นได้ว่าจากกระบวนการผลิตยาแบบย่อที่ยกตัวอย่างไปข้างต้นนั้น นอกจากจะใช้เวลาและค่าใช้จ่ายเป็นอย่างมากแล้ว ยังต้องสูญเสียชีวิตสัตว์ทดลองเป็นจำนวนมาก ดังนั้นเคมีเชิงคำนวณจึงถูกนำมาใช้เป็นหนึ่งในเครื่องมือการออกแบบจำลองโมเลกุลของยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ รวมถึงคำนวณสมบัติทางโครงสร้าง (Structural properties) ที่มีผลต่อการเข้าจับกันระหว่างตัวยากับเชื้อโรค เพื่อเป็นข้อมูลเบื้องต้นในการออกแบบยาต่อไป ยาหลายชนิดรวมถึงยารักษาโรคเอดส์ ที่ใช้ในปัจจุบันล้วนแล้วได้ผ่านกระบวนการเคมีเชิงคำนวณมาแล้วทั้งสิ้น

สำหรับนักเคมีคอมพิวเตอร์ซึ่งในบทความนี้ผมขอเรียกว่า “นักเคมีมือสะอาด” เนื่องจากนักเคมีเหล่านี้จับโมเลกุลของสารเคมีผ่านทางหน้าจอเครื่องคอมพิวเตอร์ โดยการช่วยเหลือของโปรแกรมสำหรับสร้างแบบจำลองโมเลกุลทางเคมี (Molecular modeling programs) ต่างๆ ดังนั้นเครื่องมือสำหรับทำการทดลองที่จำเป็นที่สุดสำหรับนักเคมีมือสะอาดก็คือ เครื่องคอมพิวเตอร์นั่นเอง ในอดีตเครื่องคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงในระดับ Super computer หรือ Main frame computer นั้นมีราคาค่าตัวหลักหลายล้านบาท เรียกว่า พวกเราๆท่านๆ คงไม่ซื้อหามาใช้ส่วนตัวกันเป็นแน่แท้ คงมีไว้สำหรับ Computational chemistry laboratory ชั้นนำของโลกที่ทำการคำนวณทางวิทยาศาสตร์ที่มีความสลับซับซ้อน และต้องการความถูกต้องแม่นยำในระดับสูงเท่านั้น ดังนั้นหากใครสนใจทำวิจัยในสาขา Computational chemistry นั้น คุณต้อง go inter ไปทำวิจัยที่ต่างประเทศอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ผลจากการพัฒนาเครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (Personal computer, PC) อย่างต่อเนื่องในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่ราคากลับส่วนทางกับประสิทธิภาพกันอย่างมีนัยสำคัญ จนหลายคนอาจจะจำความรู้สึกเมื่อครั้งเคยใช้เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่มีความเร็วต่ำกว่า 1 GHz ไม่ได้แล้ว ปัจจุบันหน่วยวิจัยทางเคมีคอมพิวเตอร์ในประเทศไทยส่วนใหญ่ ล้วนแล้วแต่มีเครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลความเร็วระดับไม่ต่ำกว่า 3 GHz รวมทั้งโปรแกรมทางเคมีคำนวณหลายโปรแกรมยังสามารถทำงานแบบ Parallel computing ได้เป็นอย่างดี ดังนั้นครื่องคอมพิวเตอร์เหล่านั้นมักถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันแบบ Cluster computers เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการคำนวณให้รวดเร็วขึ้น

แบบจำลองโมเลกุล (Molecular model) มีความสำคัญต่อการศึกษาและวิจัยทางเคมีอย่างมาก เนื่องจากจะทำให้นักเคมีทราบถึงสมบัติทางโครงสร้างของโมเลกุล เพื่อที่จะเข้าใจในสมบัติทางกายภาพเช่น จุดเดือด จุดหลอมเหลว และสมบัติทางเคมี (Chemical properties) เช่น ความว่องไว (Reactivity) ความจำเพาะ (Selectivity) ในการเกิดปฎิกิริยา ซึ่งสมบัติดังกล่าวนั้นจะเป็นข้อมูลพื้นฐานที่สำคัญสำหรับนักเคมีเพื่อที่จะเข้าใจถึงโครงสร้าง และกลไกการเกิดปฎิกิริยาทางเคมีของโมเลกุลต่างๆ มากยิ่งขึ้น และยังช่วยให้นักเคมีสามารถออกแบบโมเลกุลใหม่ๆ ที่มีสมบัติทางโครงสร้างและสมบัติทางเคมีที่ต้องการได้

แบบจำลองโมเลกุลที่ใช้อยู่ในปัจจุบันแบ่งออกเป็น 2 วิธี ได้แก่
1. Molecular mechanics (MM) หรือ Empirical force field
2. Quantum mechanics (QM)

วิธี Molecular mechanics หรือ Empirical force field สร้างจากสมการแบบ Empirical โดยพารามิเตอร์ต่างๆในสมการได้จากการฟิตสมการกับข้อมูล ที่ได้จากการทดลองหรือการคำนวณทางวีธี QM จำนวนมากๆ เช่น Bond distance, Bond angle, Torsional angle เป็นต้น โดยค่าพารามิเตอร์แต่ละชุดสำหรับเซตของอะตอมเหล่านั้นถูกเรียกว่า Force field parameters วิธีนี้เหมาะสำหรับใช้คำนวณโครงสร้างของโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ เช่น โปรตีน DNA ได้เป็นอย่างดี เนื่องจากการคำนวณสามารถทำได้อย่างรวดเร็ว รวมถึงคำนวณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics properties) ที่ไม่ต้องการความแม่นยำสูง วิธี MM สามารถอธิบายอิทธิพลของแรงกระทำระหว่างอะตอมได้ดี แต่ไม่สามารถอธิบายอิทธิพลของอิเล็กตรอน (Electron effects) รวมทั้งสมบัติทางสเปกโทรสโกปีได้ สำหรับวิธี QM จะได้จากการหาผลเฉลยของสมการ Schr?dinger ที่มีความแม่นยำสูง ผลการคำนวณที่ได้จะมีความแม่นยำเทียบเท่าหรือในหลายกรณีมีความน่าเชื่อถือมากกว่าผลการทดลอง แต่ข้อจำกัดของวิธี QM คือเวลาที่ใช้สำหรับการคำนวณ บางครั้งหากต้องการความแม่นยำในระดับสูงมาก อาจจะต้องใช้เวลาในการคำนวณนานเป็นเดือน หรือเป็นปี ทั้งนี้ขึ้นกับระดับความแม่นยำของระเบียบวิธีทาง QM ที่ใช้ ระเบียบวิธีทั้งสองถูกนำไปใช้แก้ปัญหาทางเคมีของระบบต่างๆมากมาย ยกตัวอย่างเช่น การหาโครงสร้างของสารละลายโลหะต่างๆ ทั้งในน้ำและตัวทำละลายอื่นๆ โดยวิธี Molecular dynamics (MD) simulation ทำให้เข้าใจสมบัติทางโครงสร้างและสมบัติทางพลศาสตร์ของโลหะ เมื่ออยู่ในสารละลายที่เจือจางมากๆได้เป็นอย่างดี โดยการทดลองอาจทำได้ยากหรือทำไม่ได้

รูปที่ 1. แสดง snapshot โดยโปรแกรม Molvision ที่ได้จากวิธี QM/MM Molecular dynamics simulation ของ Ti3+ ในน้ำ (www.molvision.com)

วิธี MM บนพื้นฐานของ Force field parameters ถูกนำมาใช้สำหรับการออกแบบยารักษาโรคเอดส์โดยการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ (Computer simulation) ระหว่าง HIV-1 integrase กับตัวยาที่มีฤทธิ์ยับยั้งชนิด 5CITEP ผลการคำนวณทำให้นักชีวเคมีและนักเคมีเข้าใจถึงการจัดเรียงตัวใน 3 มิติ และแรงกระทำระหว่างHIV-1 integrase กับตัวยาที่มีฤทธิ์ยับยั้งชนิด 5CITEP ได้เป็นอย่างดี และนำไปใช้ในการพัฒนายารักษาโรคเอดส์ต่อไป



รูปที่ 2. แสดงการเข้าจับของตัวยาชนิด 5CITEP ที่ตำแหน่ง active site ของ HIV-1 integrase จากการสร้างแบบจำลองแบบ Molecular dynamics simulation (ภาพโดย ดร.อัจฉรา วิจิตรโกสุม Computational Chemistry Unit Cell (CCUC) จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย)
จากเหตุการณ์วิกฤตราคาน้ำมันโลกในปัจจุบัน งานทางเคมีคอมพิวเตอร์ยังถูกใช้ออกแบบสารประกอบ ของโลหะกับสารประกอบไฮโดรคาร์บอน หรือเรียกว่า Metal organic framework (MOF) สำหรับสร้างเซลล์เชื้อเพลิงประเภท Hydrogen storage เพื่อเป็นเซลล์เชื้อเพลิงทดแทนน้ำมันในปัจจุบัน การสร้างแบบจำลองบนคอมพิวเตอร์ช่วยในการออกแบบ MOF ชนิดใหม่ๆ ที่มีความสามารถในการกักเก็บไฮโดรเจนได้ดีขึ้น โดยลดขั้นตอน และค่าใช้จ่ายต่างๆ ในการทดลองลงได้อย่างมาก



รูปที่ 3. แสดงโครงสร้างสามมิติของ MOF-5 ที่ใช้สำหรับ Hydrogen storage

เอกสารอ้างอิง
1. http://www.molvision.com
2. Kritayakornupong C., Plankensteiner K., Rode B.M., ChemPhysChem, 5 (2004) 1499.
3. Eddaoudi M., Kim J., Rosi N., Vodak D., Wachter J., O’Keeffe M., Yaghi O.M., Science 295 (2002) 469.





Presented by
Digital Library Team | e-mmet@lib.kmutt.ac.th