รางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี ค.ศ. 2022 ตอนที่ 1

รางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี ค.ศ. 2022
“การพัฒนาเคมีคลิกและเคมีไบโอออร์โธโกนัล” (ตอนที่ 1)
(ภาควิชาเคมีขอขอบคุณ ศ.ดร.ธีรยุทธ วิไลวัลย์ สำหรับบทความตอนที่ 1)
 
รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2022 ที่เพิ่งประกาศเมื่อช่วงเย็นของวันที่ 5 ตุลาคม 2565 ตามเวลาประเทศไทยที่มอบให้แก่นักเคมี 3 คน ได้แก่ Carolyn R. Bertozzi จาก Stanford (USA), Morten Meldal จาก Copenhagen (Denmark) และ K. Barry Sharpless จาก Scripps (USA) “for the development of click chemistry and bioorthogonal chemistry” ก็ไม่ได้พลิกความคาดหมายของผู้ที่อยู่ในวงการมากนักเนื่องจากวิธีการทางเคมีที่ทั้งสามได้พัฒนาขึ้นทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเชื่อมต่อชิ้นส่วนต่าง ๆ ของโมเลกุลเข้าด้วยกันอย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพสูง โดยไม่จำเป็นต้องใช้กระบวนการที่ซับซ้อนหรือต้องใช้นักเคมีสังเคราะห์ที่มีความเชี่ยวชาญ ใครๆ ก็สามารถทำได้ ขอเพียงแต่มีตัวอะแดปเตอร์สำหรับเชื่อมต่อที่จะทำให้โมเลกุลสองชิ้นมาประกอบกันอย่างลงล็อกพอดี (นึกถึงหัวเข็มขัดหรือสายคล้องกระเป๋าแบบตัวล็อคก้ามปูที่เมื่อเสียบติดกันแล้วมีเสียงดังคลิก) ซึ่งวิธีการดังกล่าวก่อให้เกิดผลกระทบมากมายต่อวงการวิจัยอย่างใหญ่หลวง ทั้งในด้านวัสดุศาสตร์ การพัฒนายาใหม่ การตรวจวินิจฉัยทางการแพทย์ และอื่นๆ อีกมากมาย

ปฏิกิริยาเคมีแรก ๆ ที่ถูกค้นพบว่ามีศักยภาพในการนำมาเชื่อมต่อชิ้นส่วนของโมเลกุลที่หลากหลายเข้าด้วยกัน ก็คือปฏิกิริยาเกิดวงแหวนจากการประกอบตัวกันของหมู่ฟังก์ชันทางเคมีสองชนิดที่เรียกว่าหมู่แอลไคน์และหมู่เอไซด์ โดยเมื่อสองหมู่นี้มาเจอกันก็จะประกอบตัวกลายเป็นวงแหวนห้าเหลี่ยมที่มีไนโตรเจนสามอะตอมติดกันอยู่ในวง (มาจากหมู่เอไซด์) และที่เหลือเป็นคาร์บอนอีกสองอะตอม (มาจากหมู่แอลไคน์) ปฏิกิริยานี้เป็นที่รู้จักกันมากว่าร้อยปีแล้ว แต่ถูกลืมไปนานเนื่องจากข้อจำกัดว่าปฏิกิริยาต้องใช้ภาวะที่รุนแรง และให้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นของผสมหลายชนิด จนกระทั่ง Meldal และ Sharpless ได้ค้นพบในช่วงเวลาไล่เลี่ยกันประมาณช่วง ปี ค.ศ. 2002 ว่าไอออนของโลหะทองแดงสามารถเร่งปฏิกิริยานี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง จุดเด่นที่สำคัญของปฏิกิริยานี้คือเกิดได้อย่างรวดเร็วและสมบูรณ์ ไม่เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการอื่นๆ ซึ่งแตกต่างจากปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ที่เป็นที่รู้จักกันในยุคนั้น อีกทั้งปฏิกิริยาระหว่างหมู่แอลไคน์กับเอไซด์ภายใต้ภาวะที่เร่งด้วยไอออนของโลหะทองแดงยังแสดงความเลือกจำเพาะสูงมาก กล่าวคือจะต้องมีองค์ประกอบทั้งสามอยู่ด้วยกันเท่านั้นถึงจะเกิดปฏิกิริยาเป็นวงแหวนไตรอะโซล ดังนั้นหมู่แอลไคน์และหมู่เอไซด์จึงเปรียบเสมือนเป็นตัวอะแดปเตอร์ที่พร้อมจะล็อกเข้ากันพอดีถ้ามาอยู่ใกล้กัน นอกจากนี้วงแหวนไตรอะโซลที่เกิดขึ้นยังมีความเสถียรมาก กล่าวคือไม่หลุดหรือถูกทำลายให้ขาดออกจากกันได้โดยง่าย มันจึงเป็นตัวเชื่อมต่อที่แข็งแรงมาก โดยทีมของ Sharpless ได้ประดิษฐ์คำว่า เคมีคลิก (click chemistry) ขึ้นมาเพื่อใช้บ่งชี้ปฏิกิริยาที่เกิดง่าย เชื่อถือได้ เปรียบเสมือนกับการเสียบหัวเข็มขัดดังคลิกที่กล่าวไว้แล้วข้างต้น แม้ว่าในปัจจุบันจะมีปฏิกิริยาเคมีระหว่างหมู่ฟังก์ชันคู่อื่นๆ ที่มีคุณสมบัติแบบเดียวกันนี้อีกมากมาย แต่เมื่อพูดถึงเคมีคลิก โดยทั่วไปก็จะเป็นที่เข้าใจกันว่าหมายถึงการเกิดวงแหวนไตรอะโซลจากปฏิกิริยาระหว่างแอลไคน์และเอไซด์นี้เอง

ด้วยเคมีคลิกนี้ทำให้นักเคมีสามารถเชื่อมต่อชิ้นส่วนของโมเลกุลไม่ว่าจะขนาดเล็ก ใหญ่ หรือซับซ้อนมากๆ อย่างเช่นโปรตีน ดีเอ็นเอ หรือแม้แต่เซลล์ของสิ่งมีชีวิตเข้าด้วยกันอย่างมีประสิทธิภาพสูงโดยขอแต่เพียงชิ้นส่วนชิ้นหนึ่งจะต้องมีหมู่แอลไคน์ต่ออยู่และอีกชิ้นจะต้องมีหมู่เอไซด์ต่ออยู่ และมีไอออนของโลหะทองแดงอยู่ด้วยในปริมาณเพียงเล็กน้อยเท่านั้น กระบวนการดังกล่าวจึงได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายในช่วงเวลาประมาณ 2 ทศวรรษที่ผ่านมาในหลากหลายวงการที่จำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อชิ้นส่วนของโมเลกุลสองชิ้นเข้าด้วยกัน ตัวอย่างเช่น การสร้างวัสดุใหม่ๆ ที่ต้องการชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่แตกต่างกันมาเชื่อมต่อกัน การตรึงโมเลกุลที่เป็นตัวตรวจวัดลงไปบนพื้นผิววัสดุเพื่อพัฒนาเป็นอุปกรณ์ตรวจวัดทางชีวภาพ (biosensor) การติดฉลากเซลล์หรือองค์ประกอบภายในเซลล์ด้วยฉลากเรืองแสงเพื่อการติดตามด้วยเทคนิคการตรวจวัดการเรืองแสง การตัวยารักษามะเร็งที่เปรียบเสมือนกระสุนเข้าไปกับแอนติบอดีที่ทำหน้าที่เสมือนตัวนำวิถีเพื่อนำส่งยาเคมีบำบัดไปยังเซลล์มะเร็งที่เป็นเป้าหมายอย่างจำเพาะโดยไม่ส่งผลกระทบต่อเซลล์ปกติ และอื่น ๆ อีกมากมาย ยิ่งไปกว่านั้นยังได้มีการค้นพบว่าปฏิกิริยาเกิดวงไตรอะโซลดังกล่าวสามารถเกิดได้แม้แต่ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเป็นจุดกำเนิดของสิ่งที่เรียกว่าเคมีไบโอออร์โธโกนัล (bioorthogonal chemistry) อันเป็นงานส่วนที่ Bertozzi เป็นผู้บุกเบิกและพัฒนาต่อยอดไปอย่างมาก ซึ่งจะได้มีการอธิบายในหัวข้อนี้แยกต่างหากต่อไป
.
สุดท้ายก็อยากจะชี้ให้เห็นว่าเคมีนั้นเป็นศาสตร์พื้นฐานที่มีความสำคัญและใกล้ตัวของทุกคน งานที่ได้รางวัลโนเบลอาจไม่จำเป็นต้องซับซ้อนเข้าใจยากเสมอไป ดังเช่นเคมีคลิกนี้ที่เป็นการค้นพบปฏิกิริยาที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพสูง และเชื่อถือได้ จึงมีผู้นำไปใช้อย่างกว้างขวางและก่อให้เกิดความเปลี่ยนแปลงอย่างใหญ่หลวงในหลาย ๆ วงการ จึงเป็นการสมควรแล้วที่คณะกรรมการรางวัลโนเบลจะพิจารณาให้รางวัลแก่คณะผู้วิจัยข้างต้น ก่อนจบมีเกร็ดเล็กน้อยจะเพิ่มเติมคือ Sharpless เป็นบุคคลที่สองในประวัติศาสตร์ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีถึงสองครั้ง โดยเขาได้รับรางวัลโนเบลครั้งแรกในปี ค.ศ. 2001 ร่วมกับ William Knowles (USA) และ Ryoji Noyori (Japan) เกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตร ที่เป็นที่รู้จักในชื่อของปฏิกิริยา Sharpless dihydroxylation และ Sharpless epoxidation ซึ่งได้ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการสังเคราะห์สารเคมี รวมทั้งการผลิตยา ส่วนอีกคนหนึ่งที่ได้รางวัลโนเบลสาขาเคมีสองครั้งคือ Frederick Sanger ผู้ล่วงลับ โดยเป็นผลงานเกี่ยวกับวิธีการอ่านลำดับกรดอะมิโนของโปรตีนและลำดับเบสของดีเอ็นเอ ในปี ค.ศ. 1958 และ 1980 ตามลำดับ