โนเบลเคมีพาเราข้ามขีดจำกัดกล้องจุลทรรศน์ใช้แสง

รางวัลโนลสาขาเคมีปีนี้ตกเป็นของ 3 นักวิทยาศาสตร์ผู้พัฒนากล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ ซึ่งเราก้าวข้ามข้อกัดกล้องจุลทรรศน์ใช้แสง ช่วยให้เราเข้าถึงการสังเกตสิ่งที่เล็กยิ่งกว่าเส้นผม เห็นถึงการปล่อยสารสื่อประสาท  

สตัฟฟาน นอร์มาร์ก (Staffan Normark) เลขาธิการราชบัณฑิตสภาด้านวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน ประกาศรายชื่อผู้ได้รับรางวัลโนเบล สาขาเคมี ประจำปี 2014 เมื่อวันที่ 8 ต.ค. โดยผู้ได้รับรางวัล ได้แก่ อีริค เบตซิก (Eric Betzig) จากสถาบันการแพทย์โฮเวิร์ดฮิวจ์ (Howard Hughes Medical Institute) สหรัฐฯ, สเตฟาน ดับเบิลยู เฮลล์ (Stefan W. Hell) จากสถาบันเคมีชีวกายภาพมักซ์พลังก์ (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry) เยอรมนี และ วิลเลียม อี โมร์เนอร์ (William E. Moerner) จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) สหรัฐฯ “สำหรับการพัฒนากล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ที่ละเอียดยิ่งยวด”

ข้อมูลจากคณะกรรมการร่างวัลโนเบลระบุ กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (optical microscopy) ทำให้เราเชื่อว่า ไม่มีทางที่เราจะเข้าถึงความละเอียดของภาพที่เล็กกว่าความยาวคลื่นแสง แต่ด้วยโมเลกุลเรืองแสงที่นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลปีล่าสุดพัฒนาขึ้นมาช้วยให้เราก้าวข้ามข้อจำกัดนี้ได้อย่างแยบยล งานบุกเบิกของพวกเขาทำให้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงเข้าถึงมิติระดับนาโนได้

กล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวเป็นที่รู้จักว่า “กล้องจุลทรรศน์นาโน” (nanoscopy) ซึ่งถูกนำปประยุกต์ใช้งานในหลายด้าน อาทิ ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองเห้นเส้นทางของโมเลกุลภายในเซลล์มีชีวิต และยังเห็นกระทั่งว่าโมเลกุลสร้างสัญญาณสื่อประสาทไซแนปส์ (synapses) ระหว่างเซลล์ประสาทในสมองได้อย่างไร หรือติดตามโปรตีนเฉพาะในผู้ป่วยพาร์กินสันหรือโรคฮันติงตัน (Huntington’s diseases) รวมถึงศึกษาโปรตีนของไข่ที่ได้รับการผสม ขณะแบ่งเซลล์เป็นตัวอ่อน และนักวิทยาศาสตร์ยังศึกษาโมเลกลุเล็กสุดในเซลล์สิ่งมีชีวิตได้

เมื่อปี 1873 เอิร์นต์ แอบเบ (Ernst Abbe) นักกล้องจุลทรรศน์ได้ชี้ถึงข้อจำกัดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงว่า ไม่มีทางที่กล้องจุลทรรศน์จะให้ความละเอียดของสิ่งที่เล็กกว่า 0.2 ไมโครเมตรได้ แต่ เบตซิก, เฮลล์ และโมร์เนอร์ ได้ก้าวข้ามข้อจำกัดดังกล่าว โดยความสำเร็จของพวกเขาทำให้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงสามารถส่องลงไปยังโลกระดับนาโนได้

เมื่อปี 2000 เฮลล์ได้พัฒนากล้องจุลทรรศน์สเต็ด (stimulated emission depletion: STED) ซึ่งเป็นหนึ่งในหลักการที่คณะกรรมการโนเบลตัดสินใจมอลรางวัลให้ ส่วนอีกหลักการเป็นเรื่องของการใช้ลำแสงเลเซอร์ซึ่งมี 2 รูปแบบคือแบบที่ใช้ลำแสงเลเซอร์กระตุ้นให้โมเลกุลเกิดการเรือง และอีกแบบคือให้วัตถุที่มีปริมาณในระดับนาโนเมตรเท่านั้นที่เรืองแสง ผลจากการกราดลำแสงเลเซอร์ไปบนตัวอย่างที่ระดับนาโนเมตรทำให้เราได้ภาพที่มีความระเอียดยังกว่าข้อจำกัดที่ถูกทำนายไว้

สำหรับเบทซิกและโมร์เนอร์ต่างทำงานโดยไม่เกี่ยวข้องกัน แต่ได้วางรากฐานของหลักการพัฒนากล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์เหมือนกัน นั่นคือกล้องจุลทรรศน์โมเลกุลเดี่ยว ซึ่งวิธีการนั้นอาศัยความสามารถในการเปิด-ปิดการเรืองแสงบนโมเลกุลเดี่ยว โดยนักวิทยาศาสตร์จะบันทึกภาพที่ตำแหน่งเดิมซ้ำหลายครั้ง ทำให้โมเลกุลเรืองแสงเพียงไม่กี่โมเลกลุ จากนั้นนำภาพมาซ้อนทับเพื่อเพิ่มความละเอียดในระดับนาโน โดยบตซิกใช้ประโยชน์จากวิธีการดังกล่าวครั้งแรกในปี 2006 แต่ปัจจุบันกล้องจุลทรรสน์ประเภทนี้ถูกใช้งานอย่างกว้างขวาง และก่อให้เกิดความรู้ใหม่ๆ ที่เป็นประโยชน์อย่างยิ่งใหญ่