Highlight

The Nobel Prize in Chemistry 2009: Ribosome at the atomic level

ประเวช อรรจวัฒนวงศ์

ผมเชื่อว่า คงไม่มีใครในที่นี้ไม่รู้จักรางวัลโนเบล (The Nobel Prize Awards) อย่างแน่นอน แต่ถึงแม้ว่าจะรู้จักกันบ้างแล้ว ผมก็อยากจะขอใช้โอกาสนี้เล่าเรื่องราวเกี่ยวกับรางวัลโนเบลให้ฟังกันครับ ก่อนอื่น ผมจะขอเกริ่นก่อนว่ารางวัลโนเบลนี้ ตั้งขึ้นมาจากเจตนารมณ์ของนักเคมีชาวสวีเดน ชื่อ อัลเฟรด โนเบล (Alfred Nobel, ค.ศ. 1833 - 1896) อัลเฟรด เกิดที่กรุงสตอกโฮล์ม ในตระกูลนักวิจัยระเบิด เหตุที่กล่าวเช่นนี้เพราะบิดาของอัลเฟรดทำงานวิจัยทางด้านตอร์ปิโดที่เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสหภาพโซเวียต (ในสมัยนั้น) ต่อมาครอบครัวเขาประสบปัญหาทางการเงิน จึงย้ายไปอยู่ที่สหรัฐอเมริกา หลังจากนั้นเขาได้ทุ่มเทชีวิตตัวเองให้กับงานวิจัยทางด้านระเบิด และในที่สุดเขาพบว่าถ้านำสารไนโตรกลีเซอรีนมาผสมกับซากของไดอะตอมที่เราเรียกว่า diatomaceous earth จะทำให้ระเบิดมีเสถียนภาพสูงขึ้นมากและการผลิตดินระเบิดก็มีความปลอดภัยสูงขึ้นมากด้วยเช่นกัน เขาเรียกระเบิดแบบใหม่นี้ว่า "ไดนาไมค์"

จากการค้นคว้านี้ทำให้ธุรกิจการผลิตระเบิดและอาวุธสงครามดำเนินไปได้เป็นอย่างดี แต่อย่างไรก็ตาม อุบัติเหตุที่ไม่คาดฝันก็มักจะเกิดขึ้นอยู่บ่อยครั้งในโรงงานของอัลเฟรด ครั้งที่ร้ายแรงที่สุดได้เกิดเหตุการณ์ระเบิดและคร่าชีวิตผู้คนในโรงงานไปมากมาย รวมทั้งชีวิตน้องชายของอัลเฟรดด้วย หนึ่งปีก่อนที่อัลเฟรดจะเสียชีวิต เขาได้ร่างพินัยกรรมเพื่อยกทรัพย์สินส่วนใหญ่ของเขาให้เป็นรางวัลแก่ผู้ทำคุณประโยชน์แก่โลกโดยไม่จำแนกเชื้อชาติ และนี่ก็กลายเป็นจุดกำเนิดของรางวัลโนเบล และในวันที่ 10 ธันวาคม ค.ศ. 1896 อัลเฟรด โนเบลก็ได้ถึงแก่กรรมด้วยโรคเส้นโลหิตในสมองแตก ทางมูลนิธิโนเบลจึงถือเอาวันที่ 10 ธันวาคมของทุกปี เป็นวันมอบรางวัลโนเบล จำนวน 5 สาขา อันได้แก่ ฟิสิกส์ (Physics) เคมี (Chemistry) สรีรวิทยาหรือวิทยาศาสตร์การแพทย์ (Physiology or Medicine) วรรณกรรม (Literature) และสันติภาพ (Peace)

ในวันที่ 7 ตุลาคม ค.ศ. 2009 นี้เอง คณะกรรมการผู้ทรงคุณวุฒิจาก The Royal Swedish Academy of Sciences ณ กรุงสตอกโฮล์ม ได้ตัดสินให้นักวิทยาศาสตร์ผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี ค.ศ. 2009 นี้ มีด้วยกัน 3 คน โดยคนแรกคือศาสตราจารย์เวนคาทรามัน รามากริชมัน (Venkatraman Ramakrishman) จาก MRC Laboratory of Molecular BiologyCambridge สหราชอาณาจักร คนที่ 2 คือศาสตราจารย์โทมัส เอ สตีทซ์ (Thomas A. Steitz) จาก Yale University สหรัฐอเมริกา และคนสุดท้ายคือศาสตราจารย์เอดา อี โยนาธ (Ada E. Yonath) จาก Weizmann Institute of Science Rehovot ประเทศอิสราเอล ผลงานของนักวิทยาศาสตร์ทั้ง 3 ท่านนี้ เกี่ยวข้องกับการศึกษาโครงสร้างของไรโบโซม (ribosome) ในระดับอะตอม การค้นพบดังกล่าวทำให้เราเข้าใจการทำงานของไรโบโซมมากขึ้น ทั้งนี้ผู้สนใจสามารถเข้าไปอ่านรายละเอียดได้จากเวบไซต์ของมูลนิธิโนเบลได้โดยตรง แต่ผมขอถือโอกาสนี้ นำเอกสารที่ทางมูลนิธิจัดทำเพื่อเผยแพร่แก่บุคคลทั่วไปมาแปลและเรียบเรียงเนื้อหาใหม่ ให้ง่ายต่อความเข้าใจ ซึ่งอาจจะมีประโยชน์ต่อผู้สนใจที่มีเวลาน้อย และผู้ที่ไม่ถนัดภาษาอังกฤษ

ทฤษฎีวิวัฒนาการของดาร์วินที่เสนอไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1859 มีหัวใจสำคัญอยู่ที่ลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต ต้องสามารถถ่ายทอดไปยังสิ่งมีชีวิตรุ่นลูกหลานได้ และในระหว่างที่ลักษณะเหล่านี้ถ่ายทอดไป ก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลงทีละเล็กทีละน้อย สิ่งมีชีวิตตัวที่แข็งแรงกว่า สามารถอยู่รอดได้ ก็จะถ่ายทอดลักษณะนั้นไปยังลูกหลานรุ่นต่อๆ ไปได้ เมื่อนักวิทยาศาสตร์พิจารณาทฤษฎีของดาร์วินให้ละเอียดขึ้น ก็เกิดคำถามใหม่ขึ้นมาอีกหลายคำถาม อาทิ อะไรกันแน่ที่ถูกส่งต่อไปยังลูกหลาน จริงๆ แล้วการเปลี่ยนลักษณะทีละน้อยนั้นเกิดขึ้นที่ไหนกันแน่ ลักษณะเหล่านี้แสดงออกมาได้อย่างไรในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ และอีกหลากหลายคำถามที่ตามมา

เราทราบกันดีเกี่ยวกับ central dogma ว่า DNA สามารถสร้าง RNA และ RNA ก็เป็นแม่แบบในการสร้างโปรตีน นักชีววิทยาถือว่า central dogma เป็นกุญแจสำคัญในการควบคุมชีวิต เพราะทำให้เราทราบว่า DNA ควมคุมลักษณะทางพันธุกรรมได้อย่างไร และรางวัลโนเบลสาขาเคมีปีนี้ถือได้ว่าเป็นภาคจบของรางวัลโนเบลไตรภาค (trilogy) ที่สำคัญมากอันหนึ่ง โดยเริ่มต้นในปี ค.ศ. 1962 จากการที่ เจมส์ วัตสัน (James Watson) ฟรานซิส คลิกค์ (Francis Crick) และมัวริส วิลกินส์ (Maurice Wilkins) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ เนื่องจากนำเสนอโครงสร้างโมเลกุล DNA ที่เป็นเกลียวคู่ จากนั้น episode II เกิดขึ้นในปี ค.ศ. 2006 โดย โรเจอร์ ดี คอร์นเบิร์ก (Roger D. Kornberg) ได้รางวัลโนเบลสาขาเคมี จาก X-ray structure ที่ใช้อธิบายว่า mRNA ถูกสร้างขึ้นมาจากแม่แบบได้อย่างไร และในปีนี้นักวิทยาศาสตร์ทั้ง 3 ท่านก็ได้วางชิ้น jigsaw ชิ้นสุดท้ายของ central dogma โดยการค้นพบโครงสร้างระดับอะตอมของไรโบโซม

โครงสร้าง DNA - ปฐมบทแห่งการค้นพบ

Deoxyribonucleic acid หรือที่เรียกกันสั้นๆ ว่า DNA เป็นสารเคมีในเซลล์ที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักกันมาตั้งแต่ช่วงต้นของศตวรรษที่ 20 แล้ว แต่ไม่ได้ให้ความสนใจศึกษามากนัก จนกระทั่งปี ค.ศ. 1871 เฟดเดอริก มิชเชอร์ (Friedrich Micscher) ได้สกัด DNA ออกจากนิวเครียสของเซลล์ได้สำเร็จ และมีการศึกษาต่อมาพบว่าในโมเลกุล DNA ประกอบไปด้วยนิวคลีโอไทด์ (nucleotide) 4 ชนิด คือ adenine (A) cytosine (C) guanine (G) และ thymine (T) แต่นักวิทยาศสตร์กลับไปสนใจกับโปรตีนมากกว่า จนกระทั่งปี ค.ศ. 1944 นักวิทยาศาสตร์หันกลับมาให้ความสนใจกับ DNA อีกครั้ง เพราะการทดลองของ เอเวอร์รี่ (Avery) แมกโลด (MacLeod) และแมกคาร์ธี (McCarty) ที่ transfer ชิ้น DNA ของแบคทีเรียก่อโรคเข้าไปยังแบคทีเรียไม่ก่อโรค แล้วทำให้แบคทีเรียไม่ก่อโรคมีสมบัติในการก่อโรค นั่นแสดงว่า DNA เป็นตัวควบคุมพันธุกรรม

วันที่ 28 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1953 เจมส์ วัตสัน และ ฟรานซิส คลิกค์ แห่ง Cavendish Laboratory จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร ค้นพบว่าโครงสร้างสามมิติของ DNA ต้องอยู่ในรูปของเกลียวคู่ถึงจะถูกต้อง นี่เป็นเพราะพวกเขาได้เห็นภาพ X-ray diffraction ของโรซาลินด์ แฟรงกลิน (Rosalind Franklin) จาก King's College ในกรุงลอนดอน ประกอบกับงานวิจัยของ เออร์วิน ชาร์กาฟ (Erwin Chargaff) ที่พบว่าใน DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นพืช สัตว์ หรือแม้แต่แบคทีเรีย มักจะมีนิวคลิโอไทด์ชนิด A และ T เท่าๆ กัน และนิวคลิโอไทด์ชนิด G และ C เท่าๆ กันด้วย นอกจากนี้งานวิจัยอีกชิ้นหนึ่งที่สำคัญมากจากเพื่อนร่วมงานคนหนึ่งของพวกเขา แสดงให้เห็นว่านิวคลีโอไทด์ A สามารถเชื่อมกับ T และ C สามารถเชื่อมต่อกับ G ได้ ทั้งหมดนี้เลยส่งผลให้ วัตสัน และ คลิกค์ สร้างแบบจำลองโครงสร้างสามมิติของ DNA ได้สำเร็จ

RNA - ปริศนาที่เชื่อมโยงพันธุกรรมกับลักษณะของสิ่งมีชีวิต

ในช่วงเวลาไล่เลี่ยกับที่ วัตสัน และ คลิกค์ ได้ค้นพบโครงสร้าง DNA นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากก็เริ่มหันมาสนใจโมเลกุล ribonucleic acid หรือที่เราเรียกว่า RNA จากการสั่งสมความรู้มากมาย ทำให้เราทราบว่า ในโมเลกุลของ RNA ไม่มีนิวคลีโอไทด์ชนิด T แต่มีนิวคลีโอไทด์ uracil (U) แทน ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 เรารู้เพิ่มเติมว่า RNA มักจะพบอยู่ในไซโตพลาสซึม (cytoplasm) ของเซลล์และพบรวมอยู่กับก้อนโปรตีนขนาดใหญ่ ต่อมาในปี ค.ศ. 1958 เราเรียกก้อนโปรตีนนั้นว่าไรโบโซม (ribosome) และยังเรียก RNA ที่อยู่กับไรโบโซมว่า ribosomal RNA หรือ rRNA อีกด้วย

หลังจากที่นักพันธุศาสตร์ทำการศึกษาค้นคว้ามากขึ้น พวกเขาค้นพบว่า DNA เป็นตัวการควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม และโปรตีนเป็นตัวแสดงออกของลักษณะทางพันธุกรรม แต่ DNA อยู่ในนิวเคลียส ส่วนโปรตีนถูกสร้างขึ้นด้วยก้อนไรโบโซมในไซโตพลาสซึม สารเคมีทั้งสองถูกแยกออกจากกันด้วยเยื่อหุ้มนิวเคลียส และไม่เคยได้พบกัน แล้ว DNA จะไปสร้างโปรตีนขึ้นมาควบคุมลักษณะต่างๆ ได้อย่างไร คำถามนี้ยังคงเป็นปริศนาดำมืด จนกระทั่งช่วง 1960s นักวิทยาศาสตร์เริ่มค้นพบว่ารหัสพันธุกรรมใน DNA จะถูกคัดลอกลงไปไว้ในโมเลกุลของ RNA แต่ RNA แบบนี้ไม่เหมือน rRNA ที่พวกเขารู้จัก จึงตั้งชื่อใหม่ว่า messenger RNA หรือ mRNA หลังจากที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบ mRNA ก็เริ่มศึกษาขบวนการสังเคราะห์โปรตีนมากขึ้นและเรียนรู้ต่อมาว่าไรโบโซมจะอ่านลำดับนิวคลีโอไทด์บน RNA ทีละสามนิวคลีโอไทด์ หรือที่เรียกกันว่า โคดอน (codon) และโคดอนแรกที่เขารู้จักก็คือ UUU ซึ่งเป็นรหัสสำหรับสังเคราะห์กรดอะมิโน phenylalanine ต่อมาจึงมีการค้นพบ RNA อีกชนิดหนึ่งที่เป็นตัวพากรดอะมิโนมาเชื่อมต่อกันเป็นสายโปรตีนตามลำดับที่กำหนดไว้ในสาย mRNA เราเรียก RNA พวกนี้ว่า transfer RNA หรือ tRNA

จากจุดนี้เอง ทำให้นักวิทยาศาสตร์เห็นภาพกว้างว่า DNA ควบคุมให้เกิดลักษณะต่างๆ ได้โดยผ่านตัวกลางคือ RNA นั่นเอง แต่ วัตสัน เคยกล่าวไว้ใน review ฉบับหนึ่ง เมื่อปี ค.ศ. 1964 ว่า "แย่หน่อย ที่เราไม่สามารถอธิบายการทำงานของโมเลกุลใดๆ ได้อย่างถูกต้องเลย ถ้าเราไม่รู้โครงสร้างของโมเลกุลนั้นเสียก่อน"

เอดา โยนาธ ผู้บุกเบิกเส้นทางวิจัยที่ไม่มีใครกล้าเดิน

การค้นพบที่สำคัญๆ ส่วนมาก มักจะมาจากความพยายามที่บ้าบิ่น เลือกเดินในเส้นทางที่ไม่มีใครคาดคิดมาก่อน และทำในสิ่งที่ไม่มีใครคิดถึงมาก่อน และครั้งนี้ก็เช่นเดียวกัน ผู้บุกเบิกเส้นทางวิจัยสายนี้คนแรกก็คือ เอดา โยนาธ เธอตั้งใจจะทำในสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกเชื่อว่ามันไม่มีทางเป็นไปได้ นั่นคือ การถ่ายภาพ x-ray crystallography ของไรโบโซม

หลักการของ X-ray crystallography ก็คล้ายกับการเอาไฟฉายมาส่องมือแล้วให้เกิดเงาบนฉากเป็นรูปมือ แล้วเราก็เดาว่ามือต้องมีรูปร่างอย่างไรจากรูปเงา แต่ X-ray crystallography ซับซ้อนกว่ามาก เพราะแทนที่จะใช้แสง กลับใช้รังสี X แทน และเราต้องเตรียมโปรตีนที่ต้องการศึกษาให้อยู่ในรูปผลึกโปรตีน (protein crystal) เมื่อรังสีเอ๊กซ์ผ่านเข้าไปในก้อนผลึกโปรตีน ก็จะกระทบกับอะตอมต่างๆ ในผลึกและกระเจิงออกมาเกิดเงาบนแผ่นฟิล์มซึ่งทำหน้าที่แทนฉาก จากนั้นเราก็มาวิเคราะห์รูปเงาที่ได้ว่าโมเลกุลในผลึกน่าจะมีโครงสร้างเป็นอย่างไร แต่ปัจจุบันเรามีอุปกรณ์ที่ดีกว่าแผ่นฟิล์มมาก นั่นก็คือ CCD detector เหมือนกับที่มีในกล้องถ่ายรูปดิจิตอลที่เราใช้กันเลย (และรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีนี้ ก็มอบให้กับผู้ค้นพบใยแก้วนำแสง ซึ่งนำไปสู่การสร้าง CCD) การใช้ CCD detector ทำให้การวัดตำแหน่งของอะตอมต่างๆ ในโมเลกุลถูกต้องมากขึ้น

ความยากของการทำ X-ray crystallography ไม่ได้อยู่ที่คุณภาพของ detector ต้องดีมากๆ เพียงอย่างเดียว แต่คุณภาพของผลึกโปรตีนก็สำคัญไม่แพ้กัน การทำให้โปรตีนกลายเป็นผลึกขึ้นมาได้นั้นก็อาศัยหลักการคล้ายๆ กับการระเหยน้ำเกลือให้แห้งอย่างช้า สุดท้ายเราก็จะได้ผลึกเกลือที่มีรูปร่างสวยงามอยู่ที่ก้นภาชนะ แต่ถ้าเราต้มน้ำเกลือให้แห้งอย่างรวดเร็ว ก็จะได้ตะกอนเกลือแทน จะเห็นว่า วิธีในการตกผลึก จะส่งผลให้ผลึกที่มีคุณภาพต่างกันออกไป ที่นี้ไรโบโซม เป็นสารทีมีโมเลกุลขนาดมหึมา ประกอบด้วย 2 subunits คือ small subunit ที่มี RNA 1 โมเลกุลประกอบอยู่กับโปรตีนอีก 32 โมเลกุล และ large subunit ที่ประกอบขึ้นจาก RNA จำนวน 3 โมเลกุลและโปรตีนอีก 46 โมเลกุล ถ้าคุณภาพของผลึกไม่ถึงขั้นดีมากๆ การจะได้ภาพ X-ray crystallography ที่ชัดเจนก็ดูจะมืดมน

จากน้ำพุร้อนสู่ Dead Sea - ยิ่งหายาก เพชรยิ่งน้ำงาม

เอดา ยูนาธ รู้ว่าการตกผลึกไรโบโซมที่มีคุณภาพสูงนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย เธอจึงเลือกไรโบโซมจากแบคทีเรียที่โตในน้ำพุร้อนที่อุณหภูมิ 75 องศาเซลเซียส ชื่อ Geobacillus stearothermophilus นั่นเพราะเธอเชื่อว่าไรโบโซมของแบคทีเรียชนิดนี้น่าจะมีความคงตัวมาก และสามารถนำไปตกผลึกให้มีคุณภาพสูงได้ และในปี ค.ศ. 1980 เธอก็ได้ภาพ X-ray crystallography ของ large subunit ของไรโบโซมมา ถึงแม้ว่าภาพนั้นจะดูแย่มากก็ตาม แต่อย่างน้อยความพยายามก็ไม่สูญเปล่าเลยทีเดียว

หลังจากนั้น เธอก็ทดลองตกผลึกอีกหลายต่อหลายครั้ง เปลี่ยน condition ในการทดลองมากมาย อาทิเช่น เธอลองตกผลึกโดยแช่แข็งโปรตีนในไนโตรเจนเหลวที่อุณหภูมิ -196 องศาเซลเซียส หรือแม้แต่ทดลองตกผลึกไรโบโซมจากแบคทีเรียHaloarcula marismortui ที่เติบโตได้ดีใน Dead Sea ที่มีเกลือในความเข้มข้นสูง เป็นต้น

จากความพยายามครั้งแล้วครั้งเล่า เอดา ยูนาธ ก็เข้าใกล้เป้าหมายขึ้นทุกที และงานวิจัยของเธอก็ทำให้นักวิทยาศาสตร์ตระหนักว่า เราสามารถรู้ได้ว่าอะตอมต่างๆ เรียงตัวกันอย่างไรในโมเลกุลของไรโบโซม จุดนี้เอง เอดา ได้จุดประกายงานวิจัยทางด้านไรโบโซมขึ้นมา จากที่เคยมืดมนมาเป็นเวลานาน และนักวิทยาศาสตร์ก็เริ่มทะยอยกันเข้ามาร่วมในเส้นทางการวิจัยสายนี้มากขึ้น ในจำนวนนั้นก็มี โทมัส และ เวนคาทรามัน รวมอยู่ด้วย

ไขปริศนาของจุดดำจำนวนหลายล้านจุด

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 เอดา สามารถตกผลึกไรโบโซมที่มีคุณภาพพอที่จะได้ภาพถ่าย X-ray crystallography ที่บอกรายละเอียดของอะตอมในตำแหน่งต่างๆ ได้ แต่นี่กลับทำให้เธอพบปัญหาใหม่ที่รออยู่ นั่นก็คือ "phase problem" ที่เป็นเช่นนี้ ก็เพราะว่าการคำนวณ electron density ในโมเลกุลนั้น จำเป็นต้องมี 3 สิ่งประกอบกัน นั่นคือ ดัชนีของการหักเห (indicies of a reflection) ความเข้มของการหักเห (intensity of reflections) และ phase angle ซึ่งสองค่าแรกนั้นจะได้มาจากการทดลอง ส่วนค่าสุดท้ายเป็นค่าที่คำนวณได้ค่อนข้างยากและซับซ้อน และการที่จะได้โครงสร้างระดับอะตอมของไรโบโซม พวกเขาจำเป็นจะต้องรู้ phase angle ของอะตอมทุกอะตอมที่ปรากฏเป็นภาพในรูปของจุดสีดำบน detector มิเช่นนั้นก็จะไม่สามารถทราบได้เลยว่าอะตอมต่างๆ เหล่านี้อยู่ที่ตำแหน่งใดในก้อนผลึก

แต่ในที่สุดปัญหานี้ก็มีทางแก้ไข นักวิทยาศาสตร์จะชุบก้อนผลึกด้วย heavy atom เช่น ปรอท เป็นต้น อะตอมเหล่านี้จะไปเคลือบอยู่ที่ผิวของผลึกไรโบโซม และนักวิทยาศาสตร์จะทราบ phase angle ได้จากการเปรียบเทียบจุดจากผลึกที่เคลือบและไม่ได้เคลือบด้วย heavy atoms แต่ไรโบโซมก็ไม่ใช่สารโมเลกุลใหญ่ธรรมดาๆ แต่เป็นโมเลกุลขนาดมหึมา จึงไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะหา phase angle ของอะตอมต่างๆ ได้ทั้งหมด

ในที่สุด โทมัส ก็เป็นคนสุดท้ายที่เข้ามาแก้ไขปัญหาดังกล่าวให้ลุล่วงไปได้ โดยอาศัยข้อมูลจากภาพถ่ายไรโบโซมด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน แต่ด้วยข้อมูลของภาพถ่ายไรโบโซมเพียงอย่างเดียวก็ไม่คมชัดเพียงพอที่จะเห็นอะตอมต่างๆ ได้ครบทั้งก้อนไรโบโซม สุดท้ายเมื่อรวมข้อมูลภาพถ่ายดังกล่าวเข้ากับข้อมูลของ heavy atoms ก็ทำให้เขาได้ phase angle ในที่สุด

ความเหน็ดเหนื่อยตลอด 20 ปี

ในปี ค.ศ. 1998 โทมัส ได้ตีพิมพ์โครงสร้างระดับโมเลกุลของ large subunit ของไรโบโซมสำเร็จเป็นคนแรก แต่โครงสร้างโมเลกุลอันนั้น ก็ยังไม่ละเอียดมากจนสามารถเห็นได้ทุกอะตอม แต่เราสามารถเห็น rRNA ที่อยู่ในไรโบโซมได้ ซึ่งถือได้ว่าเป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่มากอันหนึ่ง

ปัจจุบันนี้ เทคโนโลยีการสร้างผลึกโปรตีนก้าวหน้าขึ้นมาก ประกอบกับนักวิทยา

ศาสตร์สามารถแก้ปัญหา phase problem ได้ดีขึ้นมาก แต่พวกเขาก็ยังไม่หยุดที่จะเดินหน้าค้นหาโครงสร้างของไรโบโซมเพิ่มขึ้นอีก ราวเดือนสิงหาคมและกันยายนของปี ค.ศ. 2000 โทมัส ก็ได้โครงสร้างของ large subunit ของไรโบโซมจากแบคทีเรีย Haloarcula marismortuiส่วนเอดาและเวนคาทรามัน ก็ได้โครงสร้างของ small subunit ของไรโบโซมจากแบคทีเรียThermus thermophilus ในที่สุด

ไรโบโซม - กุญแจไขปริศนาแห่งชีวิต

ถ้าไรโบโซมสามารถสร้างโปรตีนที่มีลำดับกรดอะมิโนผิดปกติไปจากรหัสที่กำหนดไว้ใน DNA โปรตีนที่เกิดขึ้นก็อาจจะทำหน้าที่ไม่ได้ หรือที่แย่ยิ่งไปกว่านั้นคือโปรตีนใหม่นี้อาจมีหน้าที่เปลี่ยนแปลงไป

โครงสร้างโมเลกุลของ small subunit ของไรโบโซมที่เวนคาทรามันสร้างขึ้น เป็นกุญแกไขปริศนาว่า ทำไมไรโบโซมจึงมีขบวนการแปลรหัส (translation) ได้อย่างแม่นยำ เขาค้บพบอะไรบางอย่างในไรโบโซมที่เรียกว่า molecular ruler นั่นคือ rRNA ในไรโบโซมจะวัดระยะห่างระหว่าง codon บนเส้น mRNA และ anti-codon บน tRNA ถ้าระยะห่างนี้ไม่ถูกต้อง tRNA โมเลกุลนั้นจะหลุดออกไปจากไรโบโซม ด้วยเหตุนี้ ทำให้ความผิดพลาดในการทำงานของไรโบโซมเกิดขึ้นได้น้อยมาก (ประมาณ 1 ครั้งใน 100,000 กรดอะมิโน)

ส่วน large subunit ของไรโบโซม มีหน้าที่สำคัญในการสังเคราะห์โปรตีน เพราะ peptide bond จะถูกสร้างขึ้นในส่วนนี้ของก้อนไรโบโซม นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังพบว่าในแต่ละวินาที ไรโบโซมแต่ละก้อนจะสามารถ peptide bond ได้ประมาณ 20 ครั้ง และด้วยโครงสร้างโมเลกุลของ large subunit ของไรโบโซมที่โทมัสทำขึ้น ก็เป็นกุญแจอธิบายว่าอะตอมไหนในไรโบโซมทำหน้าที่ในการสร้าง peptide bond

ยิ่งไปกว่านี้ มนุษย์เราเรียนรู้ที่จะสร้างยาปฏิชีวนะจำนวนมากมายเพื่อใช้ในการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย โดยการยับยั้งการทำงานของไรโบโซมของแบคทีเรีย และในวันนี้ ผลงานของนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลทั้งสามท่านนี้ นอกจากจะช่วยให้เราเข้าใจกลไกการทำงานของไรโบโซมมากยิ่งขึ้นแล้ว ยังช่วยให้เราทราบว่ายาปฏิชีวนะแต่ละชนิดไปยับยั้งการทำงานของไรโบโซมที่ตำแหน่งไหนในระดับอะตอม และยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถค้นหายาปฏิชีวนะใหม่ๆ ได้อีกมากมาย