เหตุใดจึงต้องมีกรดอะมิโนถึง 20 ชนิด ทั้งที่กรดอะมิโนเพียง 13 ชนิดก็เพียงพอแล้วสำหรับการสร้างรูปแบบการทำงานของโปรตีนในร่างกาย? หนึ่งในคำถามเชิงเคมีอินทรีย์ที่น่าสนใจที่ได้รับการตอบคำถามแล้วด้วยวิธีการทางเคมีเชิงควอนตัม

ภาพที่ 1 กรดอะมิโน
ที่มา Duncan Hull/Flickr

       เคมีควอนตัมเป็นวิธีการหนึ่งในหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม ที่อธิบายอนุภาคตามความน่าจะเป็น(Probabilistic) สมบัติคล้ายคลื่น (Wave-like properties) และนำมาประยุกต์ใช้กับการแสดงออกของอะตอมในปฏิกิริยาทางเคมี

      สิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกมีพื้นฐานจากกรดอะมิโน 20 ชนิด ซึ่งถูกสังเคราะห์ขึ้นผ่านการควบคุมโดยดีเอ็นเอ โดยในกระบวนการสร้างโปรตีนนั้นจะต้องมีรหัสพันธุกรรมหรือที่เรียกว่า โคดอน (codon) เพื่อเข้ารหัสและแปลผลให้ได้เป็นลำดับของกรดอะมิโนชนิดต่าง ๆ ที่เห็นบนตารางรหัสพันธุกรรม และจากการการศึกษาด้านชีวเคมีมาเป็นเวลาหลายศตวรรษ นักวิทยาศาสตร์ต่างมีข้อสงสัยเกี่ยวกับกรดอะมิโนมากมาย รวมทั้งปริศนาที่ว่า เหตุใดวิวัฒนาการจึงได้เลือกกรดอะมิโน 20 ชนิดเพื่อเข้ารหัสทางพันธุกรรม ทั้งที่กรดอะมิโน 10-13 ตัวแรกที่เกิดขึ้นก่อนหน้ามีความเหมาะสมและจำเป็นต่อร่างกายเพียงพอแล้ว ทั้งนี้การปรากฏตัวขึ้นของกรดอะมิโน 7 ตัวสุดท้ายก็ยังคงเป็นเรื่องยากที่จะอธิบายได้

      ทีมวิจัยนำโดยดร. Matthias Granold และศาสตราจารย์ Bernd Moosmann จากสถาบัน Pathobiochemistry มหาวิทยาลัยไมนซ์ ประเทศเยอรมนี ได้ทำการศึกษาโดยใช้วิธีการทางเคมีควอนตัม (Quantum chemical method) เปรียบเทียบกรดอะมิโนทั้งหมดที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตบนโลกกับกรดอะมิโนที่พบในอวกาศผ่านการตรวจสอบหินอุกาบาตพบว่า กรดอะมิโนที่เพิ่มขึ้นมาใหม่นี้มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดปฏิกริยาทางเคมีที่ดีขึ้นในหน่วยย่อยของโปรตีน แม้ว่าในความเป็นจริงแล้วการเพิ่มขึ้นจะไม่มีความแตกต่างในแง่ของโครงสร้างเชิงพื้นที่ (spatial structure) นอกจากนี้การเพิ่มขึ้นของออกซิเจนบนโลกในช่วงก่อกำเนิดโลกเมื่อประมาณ 4.54 พันล้านปีก่อนยังกระตุ้นการเพิ่มขึ้นของกรดอะมิโนด้วย

      ศาสตราจารย์ Bernd Moosmann กล่าวว่า การเปลี่ยนแปลงจากวิทยาศาสตร์ที่ตายไปแล้วในอวกาศมาเป็นเคมีอินทรีย์ที่สำคัญของสิ่งมีชีวิตบนโลกถือเป็นการเพิ่มขึ้นของความละเอียดอ่อนและการปรับปรุงปฏิกิริยาทางเคมีที่ดีขึ้นในหน่วยย่อยของโปรตีน ซึ่งความละเอียดอ่อนมีความหมายว่า กรดอะมิโนทั้ง 7 ชนิดที่เพิ่มขึ้นมามีการตอบสนองที่ง่ายและยืดหยุ่นมากขึ้นในแง่ของการเปลี่ยนแปลงทางเคมี

      หากแทนกรดอะมิโนด้วยวงกลม เราจะสามารถวาดวาดวงกลมได้หลายวงเพื่อเป็นตัวแทนของการสร้างโปรตีนที่หลากหลายและแตกต่างกัน แทนที่จะเป็นวงกลมเดียวที่มีความแข็งและมีความสามารถในการสังเคราะห์โปรตีนที่คล้ายคลึงกัน

ภาพที่ 2 แบบจำลองเชิงสัญลักษณ์แทนกรดอะมิโน
ที่มา https://www.sciencealert.com/quantum-chemistry-solves-question-of-why-life-needs-many-amino-acids

        อย่างไรก็ตาม ปัญหาที่ยังเป็นข้อสงสัยอยู่ก็คือ ทำไมกรดอะมิโนที่ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นของปฏิกริยาทางเคมีของร่างกายจึงถูกเพิ่มเข้ามาในกล่องเครื่องมือของโปรตีน และกรดอะมิโนเหล่านั้นตอบสนองต่อปฏิกิริยาอย่างไร?

        หลังจากพิจารณาถึงสมมติฐานที่ได้จากวิธีการทางเคมีเชิงควอนตัมแล้วนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาเพิ่มเติมด้วยใช้ชุดการทดสอบทางชีวเคมีซึ่งสรุปได้ว่า กรดอะมิโนที่เพิ่มขึ้นมานั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมไธโอนีน (methionine) ทริปโตรเฟน (tryptophan) และ ซีลีโนซิสเทอีน (selenocysteine) สามารถตอบสนองต่อการเพิ่มขึ้นของระดับออกซิเจนได้ดีในช่วงที่โลกเพิ่งเริ่มก่อตัวขึ้น ทั้งยังถูกปรับปรุงได้ง่ายหลังจากผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation reaction) นอกจากนี้ยังช่วยปกป้องโครงสร้างทางชีววิทยาอื่นๆ ที่ไม่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้เนื่องด้วยความเสียหายจากออกซิเจนด้วย จากข้อมูลดังกล่าวแสดงให้เห็นว่า กรดอะมิโนเป็นเซลล์ที่ดีที่สุดที่ปรับตัวเข้ากับออกซิเจนและปฏิกิริยาออกซิเดชั่นได้ในช่วงเวลานั้น หากมองย้อนกลับไปในช่วงก่อตัวของโลกที่แทบจะไม่มีหลักฐานฟอสซิลหลงเหลือให้ได้พิสูจน์ ผลการศึกษานี้อาจเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการที่ทำให้เกิดการพัฒนาและก่อตัวของสิ่งมีชีวิตบนโลกใบนี้

       เซลล์ที่ปรับตัวได้เร็วที่สุดและมีความพร้อมในการจัดการกับภาวะเครียดที่เกิดจากออกซิเดชันอย่างกรดอะมิโนทั้ง 7 ชนิดที่เพิ่มขึ้นมาใหม่นั้นเป็นตัวอย่างของประโยคที่ว่า “ผู้ที่เหมาะสมที่สุดเท่านั้นจึงอยู่รอด”

แหล่งที่มา

Matthias G., Parvana H., Monica I. T., Florin-Dan I. and Bernd M. Modern diversification of the amino acid repertoire driven by oxygen. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018. 115 (1); 41-46.

Johannes Gutenberg. (2018. February 1). Quantum chemistry solves mystery why there are these 20 amino acids in the genetic code.
      Retrieved March 4, 2018,
      from https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180201104631.htm

DAVID NIELD. (2018. February 3). Quantum Chemistry Solves The Question of Why Life Needs So Many Amino Acids.
      Retrieved March 4, 2018,
      from https://www.sciencealert.com/quantum-chemistry-solves-question-of-why-life-needs-many-amino-acids