'กล้องจุลทรรศ์นาโน' พิชิตรางวัลโนเบลสร้างมิติใหม่ต่องานวิจัยไทย

โดย...อาทิตย์ ลมูลปลั่ง งานประชาสัมพันธ์และสร้างความตระหนัก ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สวทช.

เป็นที่ยอมรับในระดับโลก โดยเฉพาะในแวดวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอีกครั้ง เมื่อวิทยาการด้าน “นาโนเทคโนโลยี” ถูกนักวิทยาศาสตร์นำมาพัฒนาเทคนิควิธีการต่างๆ จนกระทั่งเกิดคุณสมบัติพิเศษขึ้นกับนวัตกรรมใหม่ๆ และได้รับรางวัลโนเบลปีนี้

นั่นคือการพัฒนาเทคโนโลยีกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ความละเอียดสูง (superresolved fluorescence microscopy) ซึ่งสมาคมวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน กรุงสตอกโฮล์ม ได้มอบรางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี 2557 ให้กับ 3 ท่าน ที่พัฒนาเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ความละเอียดสูงในระดับนาโนเมตร ได้แก่ เอริค เบตซิค แห่งสถาบันวิจัยการแพทย์โฮเวิร์ด ฮิวจส์ สหรัฐอเมริกา วิลเลียม อี. โมร์เนอร์ แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด สหรัฐอเมริกา และ สเตฟาน ดับเบิ้ลยู เฮลล์ แห่งสถาบันวิจัยแม็กซ์แพลงค์เพื่อการวิจัยเคมีชีวกายภาพ ประเทศสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี

ซึ่งเทคนิควิธีการที่ได้รับรางวัลโนเบลปีนี้ ก็สามารถล้มล้างทฤษฎีของนักฟิสิกส์และนักประดิษฐ์ที่ชื่อ เอิร์นส์ แอบเบ (Ernst Abbe) ที่เคยเสนอไว้เมื่อปี ค.ศ. 1873 หรือ 141 ปีที่แล้ว ว่า เทคโนโลยีกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่ใช้กันอยู่ทั่วโลกนั้น ไม่สามารถให้ความละเอียดสูงที่เล็กกว่าระดับ 200 นาโนเมตรได้ (เห็นได้แค่แบคทีเรีย) อย่างสิ้นเชิง และช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันสามารถเห็นความละเอียดที่คมชัดสูงยิ่งขึ้นในระดับ 50 นาโนเมตร หรือสามารถมองเห็นไวรัสได้แล้วนั่นเอง

 

แล้ว 3 นักวิทย์ฯ ใช้เทคนิควิธีการอะไร ถึงทำได้อย่างนั้น

ดร.ณัฐพันธุ์ ศุภกา หัวหน้าห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ระดับนาโน ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สวทช. อธิบายการพัฒนาเทคนิควิธีการที่ทำให้ 3 นักวิทยาศาสตร์พิชิตรางวัลโนเบล ว่ามี 2 เทคนิค โดยเทคนิคแรก เป็นเทคนิคที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเห็นอนุภาคและรายละเอียดขนาดเล็กในระดับนาโนเมตรได้ โดยไม่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน แม้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะให้ภาพที่ละเอียดคมชัดกว่า ซึ่งเทคนิคที่เรียกว่า STED (stimulated emission depletion) นี้เอง ถูกพัฒนาขึ้นโดย สเตฟาน ดับเบิ้ลยู เฮลล์ อาศัยการทำงานของลำแสงเลเซอร์พร้อมกัน 2 ลำแสง ซึ่งลำแสงแรกจะไปกระตุ้นให้โมเลกุลฟลูออเรสเซนต์เรืองแสงขึ้นมา

ส่วนอีกลำแสงจะทำหน้าที่หักล้างลำแสงลำแรก โดยเว้นให้เหลือเส้นลำแสงแคบๆ เล็กๆ ในระดับนาโนเมตร เมื่อขยับส่องไฟฉายนาโนนี้ไปทีละนาโนเมตรทั่วๆ วัตถุก็จะได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นภาพที่มีความละเอียดในระดับนาโนเมตรนั่นเอง

ดร.ณัฐพันธุ์ กล่าวว่า สำหรับเทคนิคที่สอง คือ เทคนิคที่เรียกว่า singlemolecule microscopy ซึ่งพัฒนาโดย เบตซิค และวิลเลียม อี. โมร์เนอร์ หลักการของเทคนิคนี้อาศัยพื้นฐานความน่าจะเป็นที่จะเกิดการเรืองแสงของแต่ละโมเลกุลฟลูออเรสเซนต์ เมื่อกระตุ้นให้เกิดการเรืองแสงและใช้กล้องจุลทรรศน์ถ่ายภาพในตำแหน่งเดียวกันหลายๆ ภาพ จากนั้นก็นำภาพมาซ้อนกันและประมวลรวมให้เป็นภาพเดียว ก็จะได้ภาพความละเอียดสูงออกมา

เมื่อใช้เทคนิควิธีการที่สามารถเห็นได้ภาพชัดเจนกว่า นั่นหมายความว่านักวิจัยสามารถดูพัฒนาการการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างเช่น เซลล์ “ปลาม้าลาย” ซึ่งเดิมจะไม่สามารถเห็นระดับโปรตีนแต่ละอันได้เลย แต่การใช้เทคนิควิธีการที่ถูกพัฒนาขึ้นนี้จะทำให้นักวิทยาศาสตร์ค่อยๆ เห็นการเจริญเติบโตของเซลล์ที่ยังมีชีวิตอยู่ ที่สำคัญยังเป็นเซลล์เดียวกันด้วย

 

“โดยปกติวิธีการทั่วไปที่ใช้อยู่จะถ่ายภาพที่เซลล์เดียว แต่เมื่อจะกลับมาที่เวลาอย่างเช่น ชั่วโมงที่ 7 จะไม่ใช่เซลล์เดียวกันแล้ว จะเป็นเซลล์อื่นแต่เวลาเดียวกัน ดังนั้นนักวิจัยจะไม่สามารถเห็นพัฒนาจากเซลล์เริ่มต้นในเซลล์เดียวกันได้เลย แต่วิธีการ STED ที่ได้รางวัลโนเบลนี้ จะเห็นจากเซลล์เดียวกัน ที่เวลาเปลี่ยนไปเรื่อยๆ โดยไม่มีความผิดพลาดในเรื่องระยะเซลล์ที่เจริญเติบโตต่างกัน” ดร.ณัฐพันธุ์ กล่าวและว่า

ประโยชน์ของการใช้เทคโนโลยีที่ไม่ทำลายเซลล์นี้ ในทางคลินิกมีตัวอย่างหนึ่งของการนำไปพัฒนาด้านการรักษามะเร็งให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยที่ถ้าย้อมเฉพาะเซลล์มะเร็งขณะทำการผ่าตัด จะช่วยให้เห็นขอบเขตของเซลล์มะเร็งชัดเจน จะสามารถเลาะเฉพาะเซลล์มะเร็งออกได้แม่นยำและเสียเนื้อเยื่อที่ดีน้อยที่สุด

สิ่งที่สำคัญอย่างมากสำหรับประเทศไทยก็คือ ในปี 2558 ศูนย์นาโนเทคกำลังจะนำเทคนิควิธีการดังกล่าวมาใช้กับห้องปฏิบัติการวิจัยของศูนย์ฯ และจะเป็นเทคนิคแรกของประเทศไทย เพื่อพัฒนางานวิจัยนาโนเทคโนโลยีทางด้านการแพทย์และสาธารณสุขที่เกิดประโยชน์อย่างมาก โดยเฉพาะช่วยการจำแนกอาการของโรคต่างๆ การติดเชื้อของเซลล์และนำมาสู่การเป็นโรคได้อย่างไร นอกจากนี้ยังสามารถใช้ตรวจวินิจฉัยระยะของโรคต่างๆ ว่าเซลล์เนื้อเยื่อเหล่านั้นเป็นโรคที่มาจากอะไร เช่น เป็นมะเร็งระยะอะไร ช่วยในการวินิจฉัยโรค ค้นหา และยับยั้งป้องกันการเกิดโรคโดยเฉพาะโรคมะเร็งได้อย่างมีประสิทธิภาพและทันท่วงที