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
