รวมมิตรวิทยาศาสตร์ “เพราะทุกอย่างคือเรื่องเดียวกัน”

เรื่องโดย ป๋วย อุ่นใจ

ตอนที่ผมได้ยินว่าสาระวิทย์ฉบับนี้จะฟีเจอร์เรื่องราวของ ดมีตรี อีวาโนวิช เมนเดเลเยฟ (Dmitri Ivanovich Mendeleev) นักเคมีชาวรัสเซียในตำนานผู้คิดค้นตารางธาตุ ผมย้อนนึกกลับไปตอนเรียนมัธยม ในตอนที่ผมเจอกับตารางธาตุครั้งแรก ตอนนั้นผมรู้สึกทึ่งแกมหมั่นไส้เมนเดเลเยฟนิด ๆ ถามว่าทำไม ? ผมทึ่งในอัจฉริยภาพของเขาที่สามารถจัดหมู่ธาตุทำเป็นตารางออกมาได้อย่างลงตัว ทั้งในเรื่องคุณสมบัติและโครงสร้างและการจัดเรียงตัวของวงอิเล็กตรอน แต่ก็อดหมั่นไส้ไม่ได้เพราะในตอนนั้นอาจารย์ที่สอน (กวด) วิชาเคมีให้ผมบอกเลยว่า “ลูก ๆ คะ นี่คือสิ่งที่พวกหนูต้องจำนะคะ ถ้าจะเรียนเคมีให้ดี พวกหนูต้องท่องตารางธาตุให้ได้” ประโยคอาจจะไม่เป๊ะ เพราะเหตุการณ์มันเกิดขึ้นนานมากแล้ว

แต่ชัดเจนว่านี่คือหนึ่งในความท้าทายที่นักเรียน ม.ปลายคนหนึ่งที่อยากเรียนเคมีให้ดีได้ต้องทำ “ลิเทียม โซเดียม โพแทสเซียม…รูบิเดียม ซีเซียม ฟรานเซียม…” ผมท่องชื่อธาตุในแต่ละหมู่เป็นทำนองราวอาขยาน แต่มันได้ผล หลังจากที่จำได้และค่อย ๆ เข้าใจตารางธาตุมากขึ้น จากวิชาที่เคยเรียนทีไรก็พะอืดพะอม เคมีดูจะเป็นมิตรกับผมมากขึ้น ผมเริ่มชอบวิชาเคมีและสนุกกับการเรียนเคมีมากขึ้น เมื่อได้เรียนสูงขึ้นก็จำเป็นต้องเจอกับซีรีส์วิชาเคมีสุดโหดหินอย่างเคมีอินทรีย์ เคมีวิเคราะห์ เคมีเชิงฟิสิกส์ ชีวเคมี วิศวกรรมเคมีชีวภาพ ชีวิตก็ยังไม่แย่ ถ้าให้มองย้อนกลับไปต้องบอกว่าการลงทุนท่องตารางธาตุในตอน ม.4 นั้นถือเป็นการลงทุนที่คุ้มค่า !! เพราะเคมีสอดแทรกอยู่ในทุกที่

และพอได้ทำงานในสายวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีมากขึ้น ผมเริ่มทํางานตระหนักว่า “วิทยาศาสตร์ไม่มีแบ่งสาย ทุกอย่างคือสิ่งที่คนอุปโลกกันขึ้นมาเอง” เคมี ฟิสิกส์ ชีวะ ทุกอย่างถูกสร้างขึ้นมาเพื่ออธิบายธรรมชาติ และถ้าอยากเข้าใจธรรมชาติ เราต้องมองให้เห็นในภาพใหญ่ทั้งหมด จะทิ้งอะไรไปไม่ได้ ผมยังจำได้วันแรกที่ผมเริ่มเข้าทำแล็บวิจัยแบบซีเรียส วันนั้นทั้งวันคือหมดไปกับการคำนวณเพื่อการเตรียมสาร หน่วยเคมีโมลาร์ เปอร์เซ็นต์ นอร์มัลกระจัดกระจายเต็มสมุดทดเล่มเล็ก ๆ ของผม

และในวันนั้นเองที่ผมได้ตระหนักและซาบซึ้งถึงความสัมพันธ์อันเหนียวแน่นระหว่างชีววิทยากับเคมี !เพราะในท้ายที่สุดแล้วเคมีก็อยู่ในทุกสิ่งรอบตัวของเรา ทั้งกายภาพและชีวภาพ น้ำที่เราดื่ม อาหารที่เรากิน พีเอ็ม เอ้ยยยย ! ออกซิเจนที่เราหายใจ รวมถึงทุกสิ่งทุกอย่างภายในร่างกายและภายในเซลล์ของเราด้วย นั่นหมายความว่าทุกกลไกเบื้องหลังชีววิทยามีเคมีซ่อนอยู่ และหากเราอยากเข้าใจกลไกทางชีววิทยา เราจะทิ้งเคมีไปไม่ได้

อย่างเช่น หากเราอยากรู้ถึงกลไกการเลือกผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์ ก็ต้องเข้าใจเสียก่อนว่าเคมีของกรดไขมันและฟอสโฟลิพิดนั้นเป็นอย่างไร หากเราอยากที่จะเข้าใจกระบวนการการส่งกระแสประสาทในสมองให้ถ่องแท้ ต้องมองการไหลของไอออนผ่านช่องโปรตีน (ion channel) ในเยื่อหุ้มเซลล์ให้ทะลุ เพราะการไหลของไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ในชั่วขณะนั้นจะสร้างความต่างศักย์ (voltage) ที่อยู่บนเยื่อหุ้มและหากเกินกว่าเกณฑ์ (threshold) ก็ทำให้เกิดการส่งกระแสประสาทที่เรียกว่า action potential

และหากเราอยากที่จะเข้าใจกลไกของชีวิตให้ลึกซึ้งจนถึงขนาดที่ควบคุมชีวิตได้ ก็ต้องมองทฤษฎีหลักมูลทางชีววิทยา (central dogma) ให้ลึกลงไปให้ถึงระดับอณู (หรือระดับโมเลกุล) ที่บางคนเรียกว่า “อณูชีววิทยา (molecular biology)” หรือ “ชีววิทยาโมเลกุล“ ซึ่งรวมถึงการจำลองแบบของดีเอ็นเอ การสร้างอาร์เอ็นเอ การผลิตโปรตีน ไปจนถึงการตัดต่อ การแก้ไขยีน การปรับเปลี่ยนลำดับเบสเพื่อก่อการกลายพันธุ์ ไปจนถึงการโคลน การออกแบบโปรตีน เอนไซม์ และการสร้างสารเมตาโบไลต์ที่ในบางกรณีเอามาประยุกต์ใช้ต่อในระดับอุตสาหกรรมได้

แต่ไม่ใช่แค่อณูชีววิทยาเท่านั้นที่สำคัญ ชีวเคมีก็สำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่ากันเท่าไร เพราะในชีววิทยาย่อมมีเคมี กลไกทุกอย่างที่เกิดขึ้นในกระบวนการสร้างและสลายพลังงานทั้งหมดในเมตาโบลิซึมก็คือเคมีล้วน ๆ มีชีววิทยาปนนิดหน่อย อย่างเช่นเรื่องกลไกการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ เราต้องเข้าใจคุณสมบัติทางเคมีของหมู่ฟังก์ชันที่อยู่ในบริเวณเร่ง (active site) ไปจนถึงพันธะทางเคมีต่าง ๆ ที่เกี่ยวโยงกับการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ ไปจนถึงค่าพลังงานอิสระ (free energy) ไปจนถึงหลักการของอุณหพลศาสตร์ (thermodynamic)

ยิ่งในตอนนี้เอไออย่าง อัลฟาโฟลด์ (AlphaFold) นอกจากจะทำนายโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อนของโปรตีนได้เป็นอย่างดีแล้ว ยังนำมาใช้ต่อเพื่อออกแบบโปรตีนให้มีคุณภาพและมีฟังก์ชันเร่งปฏิกิริยาที่ผิดแปลกไปจากที่ทำได้ในธรรมชาติอีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้นถ้ามองในระดับเซลล์ องค์ความรู้ทางฟิสิกส์และเคมีอาจจะช่วยให้เราเข้าใจเซลล์และออกแบบวิธีควบคุมพฤติกรรมของเซลล์ได้ดีขึ้นและแม่นยำยิ่งขึ้น เช่น ความรู้ความเข้าใจในวิถีทางชีวเคมี จลนศาสตร์ของเอนไซม์ เมื่อนำไปผนวกกับการติดตามพลวัตของการเปลี่ยนแปลงระดับของสารเมตาโบไลต์ (ซึ่งเป็นสารเคมี) ที่เรียกว่า metabolic flux จะช่วยให้วิศวกรชีวภาพออกแบบกระบวนการเพาะเลี้ยงที่จำเพาะสำหรับการผลิตสารเคมีมูลค่าสูงจากเซลล์ในระดับอุตสาหกรรม และเอามาพัฒนาประยุกต์ใช้ต่อได้ในเชิงเทคโนโลยีชีวภาพ (biotechnology)

แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์อีกกลุ่มที่สนใจชีววิทยาสังเคราะห์ หรือ synthetic biology พวกนี้จะมีความสุดขั้วในเรื่องของมุมมองมากขึ้นไปอีก พวกเขาไม่ได้อยากจะแค่ปรับแต่งชีวิต แต่พวกเขาอยากที่จะออกแบบชีวิต ความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกทางชีวภาพที่ซับซ้อน ถ้ามองอย่างละเอียดอาจทำให้เรามองนิยามของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนไป จากระบบที่มีชีวิต อาจจะเป็นแค่ระบบทางเคมี ในความคิดของนักวิทย์กลุ่มนี้ เซลล์ของสิ่งมีชีวิตไม่ได้เป็นอะไรมากไปกว่าถุงไขมันที่กักเก็บปฏิกิริยาเคมีที่สลับซับซ้อนเอาไว้ข้างใน แต่ที่น่าสนใจคือเซลล์ควบคุมปฏิกิริยาเคมีภายในตัวมันได้อย่างเป๊ะปัง ด้วยการสร้าง การหยุด การกระตุ้น และการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์

ถ้าเราควบคุมการทำงานของเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ ภายในเซลล์ได้ ก็จะบงการชะตาชีวิตของเซลล์ ปรับแต่งวิถี และออกแบบเซลล์ให้ผลิตสารต่าง ๆ หรือแม้แต่แสดงพฤติกรรมต่าง ๆ ออกมาได้ดั่งใจต้องการ ซึ่งเป็นอะไรที่น่าสนใจ เพราะเทคโนโลยีชีววิทยาสังเคราะห์นั้นในตอนนี้เริ่มมีบทบาทมากขึ้นในเชิงธุรกิจ และเริ่มคืบคลานเข้ามามีส่วนในชีวิตของเรามากขึ้น คิดแล้วก็แอบสงสัยว่าเมื่อไรเราจะเริ่มออกแบบวิธีผสานสาขาวิชาและให้นักเรียนนักศึกษาได้บูรณาการแนวคิดและเข้าใจชีวิตและวิทยาศาสตร์ในมุมที่ควรจะเป็นกันเสียที เพราะท้ายที่สุดวิทยาการที่เราแบ่งแยกกันขึ้นมาเองเป็นฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา ทุกอย่างคือเรื่องเดียวกัน !