มารู้จักการค้นพบอายุ 100 ปีที่ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คว้ารางวัลโนเบลถึงปัจจุบัน

หุ่นยนต์ตัวหนึ่งกำลังค้นหาคำตอบอย่างโดดเดี่ยวในทะเลทรายบนดาวอังคาร ในปี 2012 ยานสำรวจ "คิวริออซิที โรเวอร์" (Curiosity Rover) ของนาซา ได้ตักทรายกองเล็ก ๆ ขึ้นมา ก่อนนำเข้าสู่อุปกรณ์วิเคราะห์ด้วยการฉายรังสีเอกซ์ เพื่อหาคำตอบว่าทรายส่วนประกอบด้วยอะไรบ้าง เพราะมันอาจเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับการมีอยู่ของน้ำบนดาวอังคารในอดีตได้ เนื่องจากน้ำในที่ราบสีแดงที่เต็มไปด้วยฝุ่นบนดาวอังคารนั้นหายไปนานแล้ว

เกือบหนึ่งศตวรรษก่อนหน้านี้ ในปี 1915 วิลเลียมและลอว์เรนซ์ แบรกก์ สองพ่อลูก ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการคิดค้นเทคนิคการวิเคราะห์ผลึกด้วยรังสีเอกซ์ หรือผลึกศาสตร์เอกซ์เรย์ (X-ray crystallography) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ทำให้สามารถระบุโครงสร้างอะตอมและโมเลกุลของผลึก ด้วยการสังเกตว่าโครงสร้างอะตอมและโมเลกุลหักเหหรือเบี่ยงเบนไปอย่างไร เมื่อพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับรังสีเอกซ์

วัสดุหลายชนิดตั้งแต่โปรตีนขนาดเล็กไปจนถึงโลหะสามารถก่อตัวเป็นผลึกได้ และผลึกศาสตร์รังสีเอกซ์กลายเป็นมาตรฐานที่ดีที่สุดในการเผยให้เห็นว่าสสารในรูปแบบต่าง ๆ ประกอบกันขึ้นมาได้อย่างไร

ในเวลานั้น ไมเคิล เวลเบล จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนสเตต กำลังรอคอยข้อมูลจากยานคิวริออซิทีบนดาวอังคารอย่างใจจดใจจ่อ ซึ่งนั่นเป็นครั้งแรกที่มีการวิเคราะห์โครงสร้างผลึก ด้วยเทคนิคการถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์บนดาวเคราะห์ดวงอื่น

"ผมติดตามภารกิจนี้มาโดยตลอด" เวลเบล เล่า

การวิเคราะห์ของยานคิวริออซิตีเผยให้เห็นรายละเอียดเกี่ยวกับปริมาณน้ำในแร่ธาตุบนดาวอังคาร ซึ่งช่วยยืนยันสมมติฐานที่ว่าดาวเคราะห์ดวงนี้มีแหล่งน้ำขนาดใหญ่เมื่อหลายแสนปีก่อน แม้จะยังไม่ได้รับการพิสูจน์ก็ตาม

"ในที่สุดเราก็พอจะเข้าใจเรื่องนี้ได้บ้างแล้ว" เวลเบล กล่าวเสริม

การรู้ว่าสิ่งต่าง ๆ ประกอบไปด้วยอะไรบ้าง ทำให้เราสามารถทำสิ่งมหัศจรรย์ได้มากมาย

การวิเคราะห์โครงสร้างอะตอมและโมเลกุลช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบยา ไขความลับของดีเอ็นเอ หรือแม้กระทั่งการสร้างแบตเตอรีที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

นอกจากนี้ การวิเคราะห์ผลึกด้วยรังสีเอกซ์ยังมีบทบาทสำคัญต่อผลงานที่ได้รับรางวัลโนเบลมากมาย โดยบางคนระบุว่าเทคนิคนี้ทำให้เจ้าของรางวัลโนเบลคว้ารางวัลมานับสิบ แต่มีน้อยคนนักที่จะรู้ว่าเทคนิคนี้ยอดเยี่ยมเพียงใด

รูปแบบที่สม่ำเสมอ

เทคนิคการวิเคราะห์นี้ต้องอาศัยผลึก (crystals) เพราะเมื่อฉายรังสีเอกซ์ลงบนโครงสร้างผลึกที่เรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบจะทำให้เกิดรูปแบบการเลี้ยวเบนที่สม่ำเสมอ ซึ่งเป็นรูปแบบที่แม่นยำและเฉพาะเจาะจงกับลักษณะทางเคมีของวัสดุนั้น ๆ

อย่างไรก็ตาม การสร้างผลึกเหล่านี้อาจเป็นเรื่องท้าทายเมื่อคุณต้องใช้ส่วนประกอบอย่างโปรตีน และสภาพแวดล้อมก็ต้องเหมาะสมอีกด้วย

คริสตัล สตาร์เบิร์ด นักผลึกศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยนอร์ทแคโรไลนา แชเปิลฮิลล์ กล่าวว่า บางครั้งเธอพยายามหลายร้อยครั้งในการผลิตผลึก โดยใช้สารเคมี อุณหภูมิ หรือระดับความชื้นที่แตกต่างกันกว่าจะได้ผล

"ฉันเป็นคนที่ยอมรับความพึงพอใจที่ล่าช้า" เธอกล่าวอย่างติดตลก

นักวิทยาศาสตร์คนหนึ่งที่น่าจะเกี่ยวข้องกับเรื่องนี้คือ ดอโรธี ฮอดจ์กิน การทดลองของเธอเริ่มต้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 โดยเธอใช้เวลา 34 ปี ในการใช้เทคนิคผลึกศาสตร์รังสีเอกซ์ศึกษาโครงสร้างของอินซูลิน ซึ่งเป็นฮอร์โมนที่ช่วยควบคุมระดับน้ำตาลในเลือด

ในกรณีของฮอดจ์กิน การได้มาซึ่งผลึกอินซูลินไม่ใช่เรื่องยาก แต่เนื่องจากอินซูลินมีอะตอมไม่น้อยกว่า 788 อะตอม เธอจึงใช้เวลานานในการทำแผนที่โครงสร้างทั้งหมดโดยใช้วิธีการวิเคราะห์ผลึกด้วยรังสีเอกซ์ในยุคแรก

ความสำเร็จของเธอทำให้การผลิตอินซูลินจำนวนมากสำหรับการรักษาโรคเบาหวานเป็นเรื่องที่ง่ายขึ้นมาก ซึ่งโรคเบาหวานเป็นภาวะที่จะเกิดขึ้นเมื่อร่างกายไม่สามารถผลิตอินซูลินได้

"เธอเป็นแรงบันดาลใจที่ยอดเยี่ยม" เอลสเพธ การ์แมน จากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด ผู้ซึ่งรู้จักกับฮอดจ์กิน กล่าว

ความเป็นเลิศของนักวิทยาศาสตร์หญิง

การ์แมนตั้งข้อสังเกตว่า ผู้หญิงหลายคนมีความเป็นเลิศด้านการวิเคราะห์โครงสร้างผลึกด้วยรังสีเอกซ์

นอกจากฮอดจ์กินแล้ว ยังมีโรซาลินด์ แฟรงคลิน ซึ่งภาพดีเอ็นเอจากการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์อันสำคัญยิ่งของเธอ ถูกใช้โดยฟรานซิส คริก เจมส์ วัตสัน และมอริซ วิลกินส์ เพื่อศึกษาโครงสร้างที่ซับซ้อนของดีเอ็นเอ ซึ่งทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ในปี 1962 ขณะที่หลายคนโต้แย้งว่า โรซาลินด์ แฟรงคลิน ไม่ได้รับการยกย่องมากพอ

การวิเคราะห์โครงสร้างผลึกด้วยรังสีเอกซ์ยังเกี่ยวข้องกับงานวิจัยที่ได้รับรางวัลโนเบลเมื่อไม่นานมานี้ ซึ่งรวมถึงรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2020 ซึ่งเป็นผลงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีการปรับแต่งจีโนม อันมีรากฐานมาจากการศึกษาผลึกศาสตร์ของอาร์เอ็นเอ (RNA)

การประยุกต์ใช้เทคนิควิเคราะห์ผลึกด้วยรังสีเอกซ์ที่สำคัญอย่างยิ่งยวดประการหนึ่งคือการคิดค้นยา มันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบยาสำหรับโรคเม็ดเลือดรูปเคียวและแม้แต่โรคมะเร็งบางชนิด

"การวิเคราะห์ผลึกด้วยรังสีเอกซ์… ให้ภาพที่แสดงให้เห็นว่าสารประกอบนี้จับกับโมเลกุลได้อย่างไร" ร็อบ แวน มงฟอร์ต หัวหน้ากลุ่มศูนย์ค้นพบยารักษาโรคมะเร็ง สถาบันวิจัยโรคมะเร็งแห่งสหราชอาณาจักรกล่าว

นักวิจัยยังใช้ผลึกศาสตร์รังสีเอกซ์ศึกษาวัสดุของแบตเตอรี ซึ่งเป็นเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการเปลี่ยนผ่านจากเชื้อเพลิงฟอสซิล

แบตเตอรีลิเธียมไอออนทำงานโดยให้ลิเธียมไอออนเคลื่อนที่ระหว่างชั้นวัสดุ ซึ่งเป็นวิธีการชาร์จและคายพลังงาน

"การรักษาโครงสร้าง [ชั้น] นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรีเหล่านี้" ฟิล แชเตอร์ หัวหน้ากลุ่มวิทยาศาสตร์ผลึกศาสตร์แห่งศูนย์วิทยาศาสตร์ไดมอนด์ ไลท์ ซอร์ส (Diamond Light Source) ในสหราชอาณาจักร กล่าว

แต่ชั้นวัสดุอาจเสื่อมสภาพลงเมื่อเวลาผ่านไป และผลึกศาสตร์รังสีเอกซ์สามารถเผยให้เห็นได้อย่างแม่นยำว่าเป็นอย่างไร

การสำรวจน้ำแข็งของดาวหางระยะใกล้ เป็นไปได้หรือยัง

บางคนโต้แย้งว่าความสามารถของปัญญาประดิษฐ์ (เอไอ) ในการทำนายโครงสร้างโมเลกุลอาจลดความจำเป็นในการวิเคราะห์ผลึกด้วยรังสีเอกซ์ แต่สตาร์เบิร์ด เตือนว่ามีหลายโครงสร้างที่เอไอยังทำนายได้ไม่ดีนัก

"ฉันคิดว่าผู้คนเข้าใจผิดว่าการวิเคราะห์ผลึกอาจจะเกิดขึ้นในเร็ว ๆ นี้ เพราะเรามีเอไอ ซึ่งเรายังห่างไกลจากคำว่าใกล้เคียงเลย" เธอกล่าว

ครอบครัวแบรกก์คงดีใจที่ได้ยินเรื่องนี้ และอุปกรณ์วิเคราะห์ผลึกศาสตร์ด้วยรังสีเอกซ์อาจได้ออกไปผจญภัยไปในที่ที่น่าตื่นเต้นยิ่งกว่านี้ในอนาคต เวลเบล เสนอให้ส่งอุปกรณ์นี้ไปยังดาวหางที่อยู่ห่างไกลซึ่งโคจรรอบดวงอาทิตย์ของเรา

"ผมอยากเห็นน้ำแข็งของดาวหางว่าหน้าตาเป็นอย่างไร" เขากล่าว พร้อมกับอธิบายถึงส่วนผสมที่น่าตื่นเต้นของสารประกอบแปลก ๆ ที่อาจพบได้หากเราสามารถศึกษาน้ำแข็งในระยะใกล้ "ผมคิดว่ามันน่าสนใจมาก"

เนื้อหานี้สร้างขึ้นจากการร่วมผลิตระหว่าง Nobel Prize Outreach และ บีบีซี