เวลาเราเห็นรูป 3 มิติของโมเลกุล เช่น DNA, myoglobin, haemoglobin, vitamin B12, hormone ฯลฯ ซึ่งมีอะตอมของธาตุชนิดต่างๆ จับตัวเรียงกันนับพัน เรามักรู้สึกตื่นตาและตื่นใจ จนทำให้อดสงสัยไม่ได้ว่า นักวิทยาศาสตร์ เช่น นักเคมี นักชีววิทยา หรือนักฟิสิกส์รู้ได้อย่างไรว่า โมเลกุลมีอะตอมเรียงตัวเป็นรูปร่างดังโครงสร้างที่แสดง และใครคือคนที่ค้นพบความลึกลับและซับซ้อนมากนี้
คำตอบคือ Herbert Hauptman ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1985 ร่วมกับ Jerome Karle
H.A. Hauptman เกิดเมื่อวันที่ 14 กุมภาพันธ์ ค.ศ.1917 ที่ Bronx ใน New York City สหรัฐอเมริกา เขาเป็นเด็กที่สนใจวิชาคณิตศาสตร์มากตั้งแต่เริ่มเรียนหนังสือที่ Townsend Harris High School เมื่อได้รับการสนับสนุนจากพ่อและแม่ให้เลือกเรียนอะไรก็ได้ตามที่สนใจ เขาจึงเข้าเรียนคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย City College of New York จนสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีขณะอายุยังไม่ถึง 20 ปี ยิ่งไปกว่านั้นยังได้รับเหรียญ Belden ในฐานะผู้สอบได้คะแนนสูงสุดในปีที่สำเร็จการศึกษาด้วย
อีกสองปีต่อมา Hauptman ก็สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทจากมหาวิทยาลัย Columbia และได้สมรสกับ Edith Citrynell จากนั้นได้เดินทางไปตั้งรกรากที่กรุง Washington D.C.
เมื่อเกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 ในปี 1942 Hauptman เข้ารับราชการในตำแหน่งนักสถิติแห่งราชนาวีโดยมีหน้าที่หลักคือ พยากรณ์อากาศในบริเวณมหาสมุทรแปซิฟิกตอนใต้ ในเวลาต่อมาทั้งที่มีประสบการณ์ดับเพลิงน้อยมาก แต่ก็ได้รับแต่งตั้งเป็นหัวหน้าหน่วยดับเพลิงที่ฟิลิปปินส์
เวลาว่างจากงาน Hauptman ก็ยังสนใจคณิตศาสตร์เหมือนเดิม และพยายามฝึกลับสมองตลอดเวลาด้วยการแก้โจทย์แคลคูลัสที่ยากๆ
เมื่อสงครามโลกครั้งที่ 2 ยุติในปี 1945 Hauptman ได้กลับไปทำงานต่อที่ Naval Research Laboratory และได้พบกับ Jerome Karle ซึ่งเคยเรียนปริญญาตรีที่เดียวกันคือที่ City College แต่ Karle เรียนวิชาเคมีเชิงฟิสิกส์
ทั้งสองได้ตัดสินใจเรียนต่อระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Maryland ณ College Park
เมื่ออายุ 38 ปี Hauptman ก็สำเร็จปริญญาเอกด้วยการทำวิทยานิพนธ์เรื่อง “An n-dimensional Euclidean algorithm” หลังจากนั้นก็ร่วมมือกัน Karle ในการทำวิจัยคิดวิธีหาโครงสร้างของผลึกด้วยรังสีเอ็กซ์ (X-ray crystallography) โดยมีความมุ่งหมายจะหาโครงสร้าง 3 มิติของผลึกจากรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ที่ถูกส่งผ่านผลึก เพราะในช่วงเวลานั้นวงการชีววิทยาเพิ่งเห็นโครงสร้างของ DNA ที่ James Watson และ Francis Crick พบ แต่การเห็นโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยอะตอมจำนวนนับพันนั้นยังไม่มีใครสามารถทำได้
ความจริงวิทยาการด้านผลิกวิทยารังสีเอ็กซ์ได้อุบัติตั้งแต่ปี 1912 เมื่อพ่อลูกสองคนชื่อ William Bragg กับ Laurence Bragg ได้ศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลเกลือแกง NaCl ที่ประกอบด้วยอะตอม sodium กับอะตอม chlorine และพบว่า โมเลกุลนี้ที่โครงสร้างเป็นรูปลูกบาศก์
หลังการพักผ่อนฤดูร้อนในปี 1912 Lawrence Bragg ซึ่งกำลังเป็นนิสิตปริญญาเอกแห่งมหาวิทยาลัย Cambridge วัย 22 ปี ได้เดินทางไปพักผ่อนกับบิดาและมารดาที่ Yorkshire ในอังกฤษ ขณะอยู่ที่นั่น บิดา William Bragg ได้รับจดหมายจากเพื่อนซึ่งเล่าถึงการทดลองของ Walter Friedrich และ Paul Knipping ซึ่งเป็นนิสิตในความดูแลของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ชื่อ Max von Laue ว่า เมื่อทั้งสองปล่อยรังสีเอ็กซ์เข้าไปในผลึกของ zinc sulphide (ZnS) รังสีเอ็กซ์จะแสดงปรากฏการณ์เลี้ยวเบน
การทดลองนี้จึงแสดงให้โลกประจักษ์เป็นครั้งแรกว่า รังสีเอ็กซ์สามารถแสดงสมบัติของคลื่นได้ เพราะเมื่อ 17 ปีก่อนนั้น คือตั้งแต่ปี 1895 ที่ Röntgen พบรังสีเอ็กซ์ ไม่มีใครรู้ว่า รังสีเอ็กซ์เป็นคลื่นหรือเป็นอนุภาค
ทันทีที่รู้ว่า รังสีเอ็กซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่ตาเห็นมาก William และ Lawrence Bragg สองพ่อลูกก็วางแผนจะวิจัยเรื่องคุณประโยชน์ของปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ทันที เพราะ William Bragg ในฐานะที่เป็นศาสตราจารย์ประจำแห่งมหาวิทยาลัย Leeds มีห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ส่วนตัวที่นั่นจึงสามารถเริ่มงานวิจัยได้ทันที
ด้าน Lawrence Bragg ผู้ลูกก็นำหลักการและแนวคิดของ Laue มาพัฒนาต่อ
ในความพยายามจะอธิบายรูปแบบการเลี้ยวเบนที่เกิดขึ้น Laue ได้ตั้งสมมติฐานว่า รังสีเอ็กซ์ที่ใช้ในการทดลองประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างๆ กันประมาณ 7 คลื่น และ ZnS เป็นโมเลกุลที่มีรูปลูกบาศก์ โดยมีอะตอมของสังกะสี (Zn) และอะตอมของกำมะถัน (S) อยู่ที่มุมของลูกบาศก์สลับกัน Lawrence ได้ตั้งสมมติฐานต่อว่า ในผลึก ZnS มีทั้งอะตอม Zn และ S จำนวนมากมายที่เรียงกันอยู่อย่างเป็นระเบียบ เหมือนแถวทหารยามเดินสวนสนาม นั่นคือผลึกมีระนาบของอะตอมหลายระนาบในหลายทิศทาง ดังนั้นเวลารังสีเอ็กซ์มากระทบระนาบ รังสีจะสะท้อนไปแทรกสอดกัน ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้สามารถบอกลักษณะการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึกได้ เพราะภาพการเลี้ยวเบนที่เกิดขึ้นจะแสดงจุดสว่างมากมายบนแผ่นฟิล์ม บางจุดจะเป็นวงกลม และบางจุดจะเป็นวงรี ที่มีความเข้มแสงต่างกัน
Lawrence Bragg ได้เรียบเรียงแนวคิดทั้งหมดเป็นบทความวิจัย เพื่อนำเสนอต่อ J.J. Thomson (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1906 ในฐานะผู้พบอิเล็กตรอน) ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ปรึกษา และ Thomson ก็นำผลงานของ L. Bragg ไปเสนอในที่ประชุมของ Cambridge Philosophical Society เมื่อวันที่ 12 พฤศจิกายน ค.ศ.1912
ในผลงานนั้นมีประเด็นที่สำคัญ 2 ประการ คือ Lawrence ได้แสดงให้เห็นว่า จุดสว่างต่างๆ บนแผ่นฟิล์มที่ Laue เห็นเกิดจากรังสีเอ็กซ์หลายความยาวคลื่น หลังจากที่ได้สะท้อนจากระนาบของอะตอมในผลึก ตามเงื่อนไข
nλ = 2 dsin Θ
เมื่อ n คือ จำนวนเต็มบวก เช่น 1, 2, 3...
λ คือ ความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์
d คือ ระยะห่างระหว่างระนาบของอะตอมในผลึก
และ Θ คือ มุมระหว่างระนาบของอะตอมกับรังสีเอ็กซ์ที่ตกกระทบ
ส่วนข้อสรุปที่สองคือ Lawrence ได้พบว่า รูปแบบของการเลี้ยวเบนที่เห็น เกิดจากการเรียงตัวของอะตอมของ Zn และ S ที่อยู่ที่มุมทั้ง 8 ของลูกบาศก์ และที่อยู่ใจกลางผิวทั้ง 6 ของลูกบาศก์ใน 3 มิติด้วย
ในปี 1913 ทั้งสองคนได้วิจัยพบว่า เพชรซึ่งประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนล้วนๆ มีโครงสร้างแบบ tetrahedron
ผลงานเหล่านี้ทำให้ W.L. Bragg และ L. Bragg สองพ่อลูกได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันประจำปี 1915
ลุถึงปี 1924 John Desmond Bernal ได้พบโครงสร้างของแกรไฟท์ (graphite) ว่า อะตอมของคาร์บอนจัดเรียงตัวเป็นรูปหกเหลี่ยมด้านเท่าในระนาบซ้อนกันเป็นชั้นๆ
ในปี 1937 James Summer ได้สาธิตให้โลกเห็นว่า โมเลกุลโปรตีนสามารถตกผลึกได้ ผลงานนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลเคมีประจำปี 1946
ในปี 1945 Dorothy Hodgkin พบโครงสร้างของ penicillin ซึ่งเป็นโมเลกุลเชิงซ้อนโมเลกุลแรก ด้วยการใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์ ทำให้เธอได้รับรางวัลโนเบลเคมีประจำปี 1964
ในปี 1952 Rosalind Franklin ใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์ถ่ายภาพของ DNA จากนั้น Francis Crick กับ James Watson และ Maurice Wilkins ก็ใช้ภาพถ่าย DNA ของ Franklin แสดงให้เห็นว่า DNA มีโครงสร้างแบบเกลียวคู่ และผลงานนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามได้รับรางวัลโนแบลสาขาแพทย์ศาสตร์ประจำปี 1962
ในปี 1958 John Kendrew กับ Max Perutz พบโครงสร้างของโปรตีนเป็นครั้งแรกใน myoglobin และ hemoglobin ทำให้คนทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1962
ในปี 1982 D. Shectmann พบผลึกควอไซ (quasicrystal) ที่อะตอมเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ แต่รูปแบบนั้นไม่ซ้ำ ผลงานนี้ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2011
ในปี 1984 Johann Dessenhofer, Robert Hubel และ Hartmut Michel พบโครงสร้างของ photosynthesis reaction site และได้รับรางวัลโนเบลเคมีประจำปี 1988
ถึงปี 2000 Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steiz และ Ada Yonath พบโครงสร้างของ ribosorne ซึ่งเป็นโครงสร้างโปรตีนของเซลล์ ผลงานนี้ทำให้ทั้งสามคนได้รับรางวัลโนเบลเคมีปี 2009
ในปี 2012 ยานสำรวจ Curiosity บนผิวดาวอังคารได้วิเคราะห์องค์ประกอบของหิน และดินบนดาว นับเป็นการทดลองด้านผลึกวิทยารังสีเอ็กซ์ครั้งแรกบนดาวเคราะห์ดวงอื่น
ปี 2013 เทคนิคผลิกวิทยารังสีเอ็กซ์ได้เปิดเผยโฉมหน้าของโปรตีนที่เชื้อ HIV ใช้ในการรุกรานและทำร้ายเซลล์ภูมิคุ้มกัน
การมอบรางวัลโนเบลหลายรางวัลแก่นักเคมี ผู้พบโครงสร้าง 3 มิติของโมเลกุล โดยเฉพาะชีวโมเลกุลที่ซับซ้อนมาก เพราะนักวิทยาศาสตร์ตระหนักว่าดีว่า สมบัติทางกายภาพ และชีวภาพของโมเลกุลทุกโมเลกุลขึ้นกับโครงสร้างของมัน ดังนั้น การเห็นโครงสร้างของโมเลกุลอย่างละเอียดจะนำไปสู่การสร้างวัสดุชนิดใหม่ ยาใหม่ รวมถึงวิธีที่จะรักษาโรคร้ายแรง เช่น Ebola, มะเร็ง และเอดส์ด้วย เหล่านี้คือเป้าหมายที่ Hauptman และ Karle ได้ตั้งใจไว้เมื่อ 60 ปีก่อนนี้ ว่าจะต้องทำให้ได้โดยใช้ความรู้ฟิสิกส์เป็นพื้นฐาน และใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการสร้างภาพ 3 มิติ
เพราะภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์บอกแต่ความเข้มของรังสี ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับแอมปลิจูดของรังสี แต่ไม่ได้บอกเฟสของรังสีเลย และเฟสมีบทบาทสำคัญในการสร้างภาพการเลี้ยวเบน เมื่อไม่รู้เฟส การวิเคราะห์โครงสร้างของโมเลกุลที่มีอะตอมประมาณ 15 อะตอมจึงต้องใช้วิธีเดาตำแหน่งของอะตอม แล้วคำนวณรูปแบบการเลี้ยวเบนที่คาดว่าจะเห็นจนผลคำนวณตรงกับผลการทดลอง การทำเช่นนี้ต้องใช้เวลานานเป็นเดือน
จนกระทั่ง Hauptman และ Karle พัฒนาเทคนิค direct method ที่ทำให้รู้เฟสของคลื่นที่จะมาแทรกสอดกัน และเทคนิค structure invariant ที่แสดงผลรวมของเฟสต่างๆ มาผสมผสานกับทฤษฎีความเป็นไปได้ทางคณิตศาสตร์ในการบอก structure factor ของผลึก
ผลงานของ Hauptman และ Karle ที่ตีพิมพ์ในปี 1953 ในหนังสือ Solution of the Pharse ProblemⅠ: The Centrosymmetric Crystal ที่จัดพิมพ์โดย American Crystallographic Association (ACA) ไม่ได้เป็นที่ยอมรับในทันที เพราะไม่มีใครเข้าใจ และเทคนิคการคำนวณก็ยากและยุ่ง
จนกระทั่งปี 1965 เมื่อ Michael Woolfson นำคอมพิวเตอร์มาช่วยในการหาโครงสร้าง และใช้เทคนิคการวิเคราะห์แบบ Fourier เพื่อหาคำตอบที่เป็นไปได้ จนได้คำตอบที่แท้จริง เทคนิค direct method ของ Hauptman กับ Karle ก็ได้รับว่าเป็นวิธีคิดที่มีสมรรถภาพมากในการหาโครงสร้าง 3 มิติของโมเลกุล
ครั้นเมื่อ Algorithm ที่ใช้ในโปรแกรมคอมพิวเตอร์ได้รับการพัฒนายิ่งขึ้น ในที่สุดนักเคมีก็สามารถหาโครงสร้างของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอม 250 อะตอมได้ภายในเวลาไม่กี่นาที
ในปี 1984 Hauptman และ Karle ได้รับรางวัล Patterson ของสมาคมผลิกศาสตร์แห่งอเมริกา และรับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1985
เมื่ออายุ 53 ปี Hauptman ได้รับตำแหน่งผู้อำนวยการแห่ง Medical Foundation ที่เมือง Buffalo รัฐ New York (ซึ่งในเวลาต่อมาได้เปลี่ยนชื่อเป็น Hauptman-Woodward Medical Research Institute เพื่อเป็นเกียรติแก่ Hauptman และ Helen Woodward ซึ่งเป็นมหาเศรษฐินีที่ได้อุทิศเงินในการจัดตั้งหน่วยงานนี้)
ถึงปี 1988 เทคนิคของ Hauptman และ Karle ได้ทำให้โลกตื่นตาตื่นใจที่ได้เห็นโครงสร้างของโมเลกุลที่มีอะตอมมากกว่า 1,000 อะตอม
ขณะ Hauptman ทำงานที่มหาวิทยาลัย Buffalo เขาครองตำแหน่งศาสตราจารย์ประจำภาควิชา Structural Biology ภาควิชา Biophysical Sciences และภาควิชา Computer Science และทำงานร่วมกับนิสิตและนักผลิกศาสตร์จากทั่วโลก
ในเวลาต่อมาเทคนิค direct method ของ Hauptman ก็ถูกนำไปพัฒนาให้ใช้ได้กับโมเลกุลที่มีอะตอมไฮโดรเจนมากกว่า 100 อะตอม โดยการปรับเปลี่ยนเฟสของคลื่นภายใต้เงื่อนไขต่างๆ และ Hauptman เรียกเทคนิคนี้ว่า shake and bake ซึ่งมีประสิทธิภาพยิ่ง เพราะไม่เพียงแต่บอกตำแหน่งของอะตอมเท่านั้น แต่ทำให้นักผลิกศาสตร์รู้ระยะห่างระหว่างอะตอม มุมระหว่างพันธะเคมี อธิบายความว่องไว และความเชื่องช้าในการทำปฏิเคมีของโมเลกุลใดๆ ได้หมด
ปัจจุบันนี้นักผลิกศาสตร์มีข้อมูลโครงสร้างของโมเลกุลนับแสนโมเลกุลแล้ว เพื่อนำไปใช้ในการออกแบบตัวยา และใช้สังเคราะห์สารตามเงื่อนไขต่างๆ
ในชีวิตส่วนตัว Hauptman เป็นคนที่มีบุคลิกภาพอบอุ่นชอบสอนหนังสือ มีความอดทนและตั้งใจสอนมาก อนึ่งเวลาสอนบรรยาย เขาจะพูดช้าๆ เพื่อให้นิสิตติดตามฟังจนเข้าใจ และเปิดโอกาสให้นิสิตถามหลังการบรรยายเสมอ ทั้งสมัยก่อนและหลังจากที่ได้รับรางวัลโนเบล
เมื่ออายุ 89 ปี Hauptman ก็ยังได้ทุนวิจัยของ Human Frontier Science Program ในการหาโครงสร้างของสสารด้วยเทคนิคเลี้ยวเบนของนิวตรอน
ในยามว่าง Hauptman พักผ่อนด้วยการฟังดนตรีคลาสสิก และปีนเขาเมื่อถึงวันที่ 23 ตุลาคม ค.ศ.2011 Hauptman เสียชีวิตที่ Buffalo ในวัย 94 ปี
อ่านเพิ่มเติมจาก Biomolecular Crystallography: Principles, Practice and Application to Structural Biology โดย B. Rupp จัดพิมพ์โดย Garland Science, New York ในปี 2009
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
