เวลาเราเห็นโครงสร้าง 3 มิติของโมเลกุล เซ่น DNA, myoglobin, haemoglobin และ vitamin B₁₂ ซึ่งโมเลกุลเหล่านี้ประกอบด้วยอะตอมของธาตุต่าง ๆ ที่อยู่เรียงกันอย่างไม่เป็นระเบียบ รามักรู้สึกตื่นตา ตื่นใจและอดสงสัยไม่ได้ว่า นักเคมี นักชีววิทยา และนักฟิสิกส์รู้ได้อย่างไรว่า โมเลกุลขนาดใหญ่มีโครงสร้างดังที่ปรากฎ และใครคือผู้พบวิธีหาความลึกลับและขับซ้อนนี้คำตอบคือ เฮอร์เบิร์ต เฮาท์มาน (Herbert Hauptman) ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ ที่ได้รับรางวัลโนเมลสาขาเคมีประจำปี 1985 ร่วมกับ Jerome Karle

เฮอร์เบิร์ต เฮาท์มาน (Herbert Hauptman)

            H.A. Hauptman เกิดเมื่อวันที่ 14 กุมภาพันธ์ ค.ศ.1917 ที่กรุง New Yok ในสหรัฐอเมริกา และเริ่มสนใจคณิตศาสตร์ตั้งแต่สมัยเรียนหนังสือที่โรงเรียน Townsend Harris เมื่อบิดามรดาอนุญาตให้สามารถเลือกอาชีพอะไรก็ได้ Hauptman ได้ขอเป็นนักคณิตศาสตร์ จึงเข้าเรียนที่มหาวิทยาลัย City College of New York จนสำเร็จการศึกษาระตับปริญญาตรี ขณะอายุยังไม่ถึง 20 ปี อีกสองปีต่อมา Hauptman ก็สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทจากมหาวิทยาลัย Columbia แล้วได้ไปหางานทำที่กรุง Washington D.C.

            เมื่อเกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 Hauptman  เข้ารับราชการในตำแหน่งนักสถิติในสังกัดราซนาวี และมีหน้าที่พยากรณ์สภาพอากาศเหนือดินแตนในแถบมหาสมุทรแปซิฟิกตอนใต้ ต่อมาได้รับแต่งตั้งให้เป็นหัวหน้าหน่วยดับเพลิงที่ฟิลิปปินส์ ทั้ง ๆ ที่ไม่มีความรู้เรื่องการดับเพลิงเลย

            เมื่อสงครามโลกครั้งที่ 2 ยุติ Hauptman ได้กลับไปทำงานต่อที่ห้องปฏิบัติการ Naval Research Laboratoryและได้พบกับ Jerome Karle ซึ่งเคยเรียนระดับปริญญาตรีที่ City College เดียวกัน แต่ Karle เรียนเคมีเชิงกายภาพคนทั้งสองได้ตัดสินใจเรียนต่อระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Maryland ที่ College Park

            Hauptman สำเร็จปริญญาเอกเมื่ออายุ 38 ปี หลังจากนั้นได้ร่วมมือกับ Karleในการทำวิจัยเรื่องวิธีหาโครงสร้าง 3 มิติของผลึกโดยช้รังสีเอกซ์มาวิเคราะห์รูปแบบการเลี้ยวเบนโดยผลึก เพราะในปี ค.ศ. 1953 โลกเพิ่งเห็นโครงสร้างที่เป็นเกลียวคู่ของ DNA ที่ James Watson และ Francis Crick เป็นผู้พบแต่การจะเห็นใครงสร้างของโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่า DNA และประกอบด้วยอะตอมจำนวนนับพัน และนับหมื่นนั้นยังไม่มีใครสามารถทำได้

            ความจริงวิทยาการด้านผลึกวิทยารังสีเอกซ์ได้ถือกำเนิดเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1912 เมื่อสองพ่อลูกชื่อ William Bragg กับ Lawrence Bragg พบโครงสร้างโมเลกุลของเกลือแกง (NaCl) ว่าประกอบด้วยอะตอมโซเดียมกับอะตอมคลอรีนอยู่สลับกันที่มุมทั้งแปดของลูกบาศก์ โดยได้วิเคราะห์จุดสว่างที่ปรากฏบนแผ่นฟิล์ม หลังจากที่ได้รับรังสีเอกซ์ซึ่งได้สะท้อนจากระนาบอะตอมในผลึก ตามเงื่อนไข

            ในปีต่อมา สองพ่อลูกก็ได้พบอีกว่า เพชรประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนล้วน ๆ  และอะตอมวางตัวที่มุมของโครงสร้างรูปทรงสี่หน้า (tetrahedron) โดยมีอะตอมคาร์บอนอีกหนึ่งอะตอมอยู่ที่ศูนย์กลางของรูปทรงนั้น ผลงานเหล่านี้ทำให้สองพ่อลูกได้รับรางวัลในเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1915 ร่วมกัน

            วิวัฒนาการของวิทยาการนี้ปรากฏว่าในปี ค.ศ. 1924 John  Desmond Bernal ใช้เทคนิคเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ศึกษาโครงสร้างของแกรไฟต์ (graphite) และพบว่า อะตอมคาร์บอนอยู่เรียงกันเป็นที่มุมของรูปหกเหลี่ยมด้านเท่าที่เรียงซ้อนกันเป็นชั้น ๆ

            ในปี ค.ศ. 1937 James Summer พบว่า โมเลกุลโปรตีนสามารถตกผลึกได้ ผลงานนี้ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 1946

            ในปี ค.ศ. 1945 Dorothy Hodgkin พบโครงสร้างของ penciling ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีโครงสร้างซับซ้อนมากโดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ ผลงานนี้ทำให้เธอได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 1964

            ในปี ค.ศ. 1952 Rosalind Frankin ใช้เทคนิคการเลี้ยวบนรังสีเอกซ์ถ่ายภาพของโมเลกุล DNA ได้ และ Francis Crick. James Watson กับ Maurice Wilkins ได้ใช้ภาพถ่ายนี้แสดงให้เห็นว่า DNA มีโครงสร้างแบบเกลียวคู่ ผลงานนี้ทำให้ Crick.Watson และ Wilkins ได้รับรางวัลโนเบลสาขาแพทย์ศาสตร์ร่วมกันประจำปี 1962

            ในปี ค.ศ. 1958 John Kendrew กับ Max Perutzพบโครงสร้างของ myoglobin และ hemoglobin และร่วมกันรับรางวัลในเบลสาขาเคมีปี 1962

            ในปี ค.ศ. 1982 D. Shectmann พบผลึกควอไซ (quasicrystal) ที่อะตอมอยู่เรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบแต่ในภาพรวมเป็นรูปแบบที่ไม่เหมือนเดิม ผลงานนี้ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2011

            ถึงปี ค.ศ. 2000 Venkatraman  Ramakrishnan.Thomas Steiz และ Ada Yonath พบครงสร้างผลึกของribosorne ซึ่งเป็นโปรตีนที่อยู่ภายในเซลล์ ผลงานนี้ทำให้คนทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2009

            ในปี ค.ศ. 2012 ยานสำรวจ Curiosity ได้ถูกส่งไปวิเคราะห์องค์ประกอบของหิน และดินบนดาวอังคารโดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ นี่จึงเป็นการทดลองผลึกวิทยารังสีเอกซ์ที่กระทำนอกโลกเป็นครั้งแรก

            ลุถึงปี ค.ศ. 2013 เทคนิคผลึกวิทยารังสีเอกซ์ได้เปิดเผยโครงสร้างของโปรตีนที่เชื้อ HIV ใช้ในการบุกรุกและทำร้ายเซลล์ภูมิคุ้มกัน

            การศึกษาประวัติการมอบรางวัลในเบลหลายรางวัลแสดงให้เห็นว่าเป็นของนักเคมีผู้พบโครงสร้าง 3 มิติที่ซับซ้อนของชีวโมเลกุล เพราะวงการวิทยาศาสตร์ตระหนักดีว่าสมบัติกายภาพ และสมบัติชีวภาพของโมเลกุลทุกโมเลกุลขึ้นกับโครงสร้าง ดังนั้น การรู้โครงสร้างของโมเลกุลจะนำไปสู่การสร้างวัสดุชนิดใหม่ ยาขนานใหม่ และวิธีใหม่ ๆ ในการรักษาโรคร้าย เช่น Ebola. มะเร็ง หรือเอดส์ได้ ด้วยเหตุนี้การรู้โครงสร้างของชีวโมเลกุลจึงได้กลายเป็นเป้าหมายที่ Hauptman และ Karle ตั้งใจจะทำให้ได้เมื่อ 60 ปีก่อน โดยการนำความรู้ฟิสิกส์ และคอมพิวเตอร์มาประยุกต์ใช้เป็นพื้นฐานในการสร้างภาพ 3 มิติของโมเลกุล

            เพราะคนทั้งสองรู้ดีว่า ภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จะบอกเฉพาะความเข้มของรังสี ซึ่งขึ้นตรงกับแอมพลิจูดของรังสียกกำลังสองเท่านั้น แต่ไม่ขึ้นกับเฟสของคลื่น เพราะไม่มีใครรู้เฟสของคลื่น ดังนั้น ในสมัยก่อนการวิเคราะห์ใครงสร้างของโมเลกุลที่มีอะตอมจำนวนมากกว่า 15 อะตอมขึ้นไปจึงต้องใช้วิธีเดาต่ำแหน่งของอะตอม แล้วคำนวณรูปแบบการเลี้ยวเบนที่คาดว่าจะเกิดขึ้น จนกระทั่งผลการเดาสอดคล้องกับผลการทดลอง และนั่นก็หมายความว่าการวิจัยเรื่องต่าง ๆ ในแนวนี้จึงใช้เวลานานเป็นเดือน

            แต่เมื่อ Hauptman และ Karle ได้พัฒนาเทคนิค direct method ขึ้นมา ซึ่งสามารถช่วยให้นักทดลองรู้เฟสของคลื่นทุกคลื่นที่มาแทรกสอดกัน แล้วใช้เทคนิค structure invariant ซึ่งแสดงผลรวมของเฟสต่าง ๆ โดยใช้ทฤษฎีความเป็นไปได้ทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อาศัยการหา structure factor ของผลึกการพัฒนาเทคนิคนี้ขึ้นมาทำให้นักทดลองใช้เวลาน้อยลงมาก

            ผลงานของ Hauptman และ Kare ที่ตีพิมพ์เผยแพร่ในปี ค.ศ. 1953 ในหนังสือ Solution of the Phase Problem: The Centrosymmetric Crystal ซึ่งจัดพิมพ์โดย American Crystallographic Association (ACA) มิได้เป็นที่ยอมรับในวงวิชาการในทันที เพราะไม่มีใครเข้าใจความสำคัญของเรื่องนี้และเทคนิคการคำนวณที่ใช้ก็ยุ่งยากด้วย

            จนกระทั่งปี ค.ศ. 1965 เมื่อ Michael Woolfson เริ่มนำคอมพิวเตอร์มาใช้ในการหาโครงสร้างของผลึก แล้วใช้เทคนิคการวิเคราะห์แบบ Fourier กับเทคนิค direct methodของ Hauptman กับ Karle เพื่อหาโครงสร้างที่เป็นไปได้ จนได้คำตอบ เทคนิคของ Hauptman กับ Karie จึงได้รับการยอมรับว่ามีสมรรถภาพสูงในการหาโครงสร้าง 3 มิติของโมเลกุล

            ในเวลาต่อมา เมื่อโลกคอมพิวเตอร์มี algorithm ที่ได้รับการพัฒนา นักเคมีระดับธรรมดาก็สามารถหาโครงสร้างของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอม 250 อะตอมได้ภายในเวลาไม่กี่นาที ผลงานนี้ทำให้ Hauptman และ Karle ได้รับรางวัลในเบลสาขาเคมีปี 1985

Jerome Karle (ซ้าย), Herbert Aaron Hauptman (ขวา)
ที่มา: http://www.iucr.org/gallery/1992/nobelists-75th

            เมื่ออาย 53 ปี Hauptman ได้เข้ารับตำแหน่งผู้อำนวยการ Medical Foundation ที่เมือง Buffalo รัฐ New York (ในเวลาต่อมาสถาบันนี้ได้เปลี่ยนชื่อเป็น Hauptman-Wood-ward Medical Research Institute เพื่อเป็นเกียรติแก่ Hauptman และ Helen Woodward ซึ่งเป็นมหาเศรษฐินีผู้ได้อุทิศเงินในการจัดตั้งสถาบันนี้) ลุถึงปี ค.ศ. 1988 เทคนิคของ Hauptman  และKarle ก็ทำให้โลกตื่นตาตื่นใจเมื่อได้เห็นโครงสร้างของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมจำนวนกว่า 1,000 อะตอม

            ในเวลาต่อมาเทคนิค direct method ของ Hauptmanได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้กับโมเลกุลที่มีอะตอมไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมเบาที่ไม่สามารถใช้รังสีเอกซ์ศึกษาได้ ด้วยการปรับเปลี่ยนเฟสของคลื่นต่าง ๆ ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม และHauptman เรียกเทคนิคนี้ว่า shake and bake เพราะเทคนิคนี้ไม่เพียงแต่สามารถบอกตำแหน่งของอะตอมได้เท่านั้น ยังทำให้นักผลึกศาสตร์รู้ระยะห่างระหว่างอะตอม มุมระหว่างพันธะเคมี และอธิบายความว่องไวในการทำปฏิกิริยาเคมีของโมเลกุลได้ด้วย

            ทุกวันนี้นักผลึกศาสตร์มีข้อมูลด้านโครงสร้างของโมเลกุลจำนวนหลายแสนโมเลกุลแล้ว และใครงสร้างเหล่านี้มีประโยชน์ในการออกแบบทดสอบตัวยา และสารตามเงื่อนไขต่าง ๆ

ในด้านชีวิตส่วนตัว Hauptman เป็นคนที่มีบุคลิกภาพอบอุ่น ชอบการเป็นครูและตั้งใจสอนหนังสือ  มีความอดทนเวลาสอนมักพูดช้า เพื่อให้นิสิตฟังจนเข้าใจ และมักเปิดโอกาสให้นิสิตถามหลังการบรรยายเสมอ ทั้งตั้งแต่ในสมัยก่อนและหลังจากที่ได้รับรางวัลโนเบล

เมื่ออายุ 89 ปี Hauptman ได้รับทุนวิจัยของ Human Frontier Science Program เพื่อหาโครงสร้างของสสารด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนนิวตรอน ในยามว่าง Hauptman ชอบพักผ่อนด้วยการฟังดนตรีคลาสสิก และปืนเขา Hauptman เสียชีวิตที่เมือง Buffaloในวัย 94 ปี เมื่อวันที่ 23 ตุลาคม ค.ศ.2011

            บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Rupp, B. (2009). Bimolecular Crystallography: Principles. Practice and Applications to Structural Biology. New York: Garland Science.