นาโนเทคโนโลยี  นาโนเทคโนโลยีจากระบบธรรมชาติสู่การสังเคราะห์ นาโนเทคโนโลยีชีวภาพในระบบธรรมชาติ (3)
 
 
 
          เซลล์เป็นสิ่งมหัศจรรย์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ซึ่งภายในเซลล์ก็จะมีโปรตีนต่างๆ ที่เป็นจักรกลนาโนทำหน้าที่เกี่ยวกับกลไกต่างๆ ภายในเซลล์ แต่บางครั้งเซลล์ก็อาจจะพบกับปัญหาในการสร้างจักรกลนาโนโปรตีนเหล่านั้นได้ และเป็นที่ทราบกันแล้วว่าโปรตีนเป็นสายโพลีเปปไทด์ที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นโดยผู้ประกอบระดับนาโนที่เป็นโมเลกุล นั่นก็คือไรโบโซม โดยกระบวนการในการสังเคราะห์นั้นเกิดขึ้นจากการทำงานร่วมกันระหว่างโมเลกุล tRNA ที่ทำหน้าที่เป็นตัวแปลรหัสจากลำดับเบสที่อยู่บนสาย mRNA มาเป็นกรดอะมิโนแต่ละชนิด  โดย tRNA นี้จะเป็นตัวนำกรดอะมิโนที่ถูกต้องเข้ามาเพื่อเชื่อมต่อกันเป็นสายโพลีเปปไทด์ตรงไรโบโซม  โดยในกระบวนการสังเคราะห์นั้นจะมีไรโบโซมหลายๆ ตัวทำงานพร้อมกันบนสาย mRNA สายเดียวกัน จนกระทั่งสุดท้ายได้เป็นสายโพลีเปปไทด์ออกมา จากการที่มีไรโบโซมหลายๆ ตัวทำงานพร้อมๆ กันนี้ ทำให้สายโพลีเปปไทด์หลายสายถูกสร้างขึ้นมา ผลที่อาจจะเกิดขึ้นก็คือสายโพลีเปปไทด์เหล่านี้อาจเกิดการรวมตัวเข้าด้วยกัน  หรือสายโพลีเปปไทด์ที่เพิ่งถูกสร้างขึ้นอาจเกิดการม้วนตัวผิดรูปแบบไป  ซึ่งโครงสร้างที่ผิดไปนี้ทำให้เป็นโปรตีนที่ไม่สามารถทำงานได้ (โดยปกติสายโพลีเปปไทด์แต่ละสายจะม้วนตัวเข้าเป็นโครงสร้างแบบต่างๆ)
 
              <---- ใช้เม้าส์วางบนรายละเอียดของภาพส่วนใดส่วนหนึ่งที่ต้องการทราบว่าสิ่งนั้นคืออะไรได้ --->
 
         แต่จากการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ที่ผ่านมาพบว่า ในธรรมชาตินั้นปัญหาที่เกิดขึ้นนี้ถูกจัดการได้โดยการทำงานของโปรตีนชนิดหนึ่งที่เรียกว่า แชพเพอโรน (chaperone) ซึ่งมีอยู่มากกว่า 50 ชนิด แต่ชนิดหนึ่งที่มีการศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างและบทบาทอย่างจริงจังนั้น คือ แชพเพอโรนิน (chaperonin)  โดยพบว่า เป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่ป้องกันการม้วนพับของสายโพลีเปปไทด์ที่เพิ่งถูกสร้างไม่ให้ม้วนผิดรูปแบบ  ป้องกันการรวมตัวกันของสายโพลีเปปไทด์แล้วเกิดเป็นโปรตีนที่ไม่สามารถทำงานได้   และช่วยให้สายโพลีเปปไทด์ม้วนพับได้เป็นโครงสร้างที่ถูกต้อง
 
          โปรตีนแชพเพอโรนินเป็นหน่วยรวมของ GroEL กับ GroES (GroEL/GroES complex) พบได้ในแบคทีเรีย E. Coli โดยจากการศึกษาพบว่าหน่วยรวมของ GroEL กับ GroES มีส่วนหนึ่งของโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นกรง (cage) ที่มีขนาดระดับนาโน (โดยมีขนาดกว้าง 8 นาโนเมตรและยาว 8.5 นาโนเมตรเท่านั้น ดังนั้นจึงเรียกได้ว่าเป็นกรงนาโน (nanocage) ที่ทำหน้าที่ช่วยเหลือในการม้วนตัวของสายโพลีเปปไทด์ที่เกิดการม้วนตัวผิดรูปแบบไป (อันจะส่งผลให้เกิดเป็นโปรตีนที่ไม่สามารถทำงานได้) ให้สามารถม้วนตัวได้อย่างถูกต้อง  โดยเมื่อสายโพลีเปปไทด์เคลื่อนที่เข้าไปภายในโครงสร้างกรงนาโนของแชพเพอโรนินแล้ว จะทำให้สายโพลีเปปไทด์ที่ม้วนพับผิดรูปนั้นคลายแยกออกจากกัน  และสามารถม้วนตัวต่อไปอย่างถูกต้องได้ภายในกรงนาโนนี้ นอกจากนั้นยังพบว่าสายโพลีเปปไทด์ที่เข้ามาภายในกรงนาโนนี้สามารถที่จะม้วนตัวได้เร็วมากขึ้นถึง 3-4 เท่าเลยทีเดียว
 
          โครงสร้างโมเลกุล GroEL – GroES นั้นประกอบไปด้วยโมเลกุล GroEL, โมเลกุล GroES และเอนไซม์เอทีพีเอส (ATPase) ซึ่งโมเลกุล GroEL ประกอบด้วยวงแหวน 2 วง ซึ่งแต่ละวงแหวนประกอบขึ้นมาจากหน่วยย่อยทั้งสิ้น 7 หน่วยย่อยที่จัดเรียงตัวกัน และโมเลกุล GroES เป็นวงแหวนเดี่ยวรูปโดมที่ประกอบขึ้นมาจากหน่วยย่อย 7 หน่วยเช่นเดียวกัน  โดยที่วงแหวนแต่ละวงของ GroEL จะสามารถต่อตัวเข้าด้วยกันได้นั้นต้องอาศัยให้วงแหวนวงใดวงหนึ่งถูกจับตัวอยู่กับโมเลกุลของเอทีพี (ATP) หรือเอดีพี (ADP) เสียก่อน หลังจากนั้นโมเลกุล GroES ก็จะเคลื่อนที่เข้าจับกับวงแหวนเดียวกันนั้นของโมเลกุล GroEL ก็จะทำให้เกิดเป็นโครงสร้างของกรงนาโนขึ้นมาได้
 
 
          กลไกการทำงานของหน่วยรวม GroEL – GroES จะเริ่มขึ้นเมื่อสายโพลีเปปไทด์ที่สังเคราะห์เสร็จถูกปล่อยออกมาจากโมเลกุลของไรโบโซม ซึ่งในระหว่างนั้นก็เกิดการม้วนตัวไปแล้วบางส่วน โดยสายโพลีเปปไทด์นั้นก็จะเข้าจับตัวกับด้านหนึ่งที่เป็นปลายเปิดของ GroEL (ในขณะที่อีกด้านหนึ่งถูกปิดคลุมโดยการจับตัวของ GroES ) แต่สายโพลีเปปไทด์จะยังไม่สามารถผ่านเข้ามาสู่ช่องภายในของ GroEL ได้ อันเนื่องจากคุณสมบัติของการไม่ชอบน้ำบริเวณในส่วนที่เป็นปลายเปิดของ GroEL นั่นเอง ต่อจากนั้นเมื่อมีโมเลกุลเอทีพี (ATP ) มาจับตัวกับวงแหวนของ GroEL (ส่วนที่มีสายโพลีเปปไทด์ติดอยู่) ทำให้เกิดการหลุดออกไปของโมเลกุลเอดีพี (ADP) ที่ติดอยู่กับอีกวงแหวนหนึ่ง พร้อมกันนั้นก็ทำให้ GroEL เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงรูปไป และทำให้สายโพลีเปปไทด์ที่ติดอยู่ถูกปล่อยให้เลื่อนลงผ่านเข้ามาสู่บริเวณภายในของ GroEL ได้ แล้วสุดท้ายก็จะมี GroES (เป็นโมเลกุลที่มีลักษณะเหมือนเป็นฝาปิดที่เคลื่อนที่ได้) เคลื่อนที่เข้ามาปิดคลุมส่วนที่เป็นปลายเปิดของ GroEL นั้น และจับตัวเข้าด้วยกันอันส่งผลให้เกิดเป็นช่องว่างภายในของ GroEL ที่มีลักษณะเป็นกรง (หรือที่เรียกว่ากรงนาโนนั่นเอง) เพื่อกักเก็บสายโพลีเปปไทด์ไว้ภายใน หลังจากนั้นโมเลกุลเอทีพีที่จับตัวอยู่กับ GroEL ก็จะเกิดการไฮโดรไลซ์ขึ้นกลายเป็นโมเลกุลเอดีพี ในขณะเดียวกันนั้นสายโพลีเปปไทด์ก็จะทำการม้วนตัวอยู่ภายในกรงนาโนของคอมเพล็ก GroEL – GroES นี้เป็นระยะเวลาประมาณ 10 -15 วินาที (จนกระทั่งกรดอะมิโนที่มีหมู่ที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic) ของสายโพลีเปปไทด์ถูกจัดตัวเข้าเป็นโครงสร้างของโปรตีนเฉพาะอย่างถูกต้องได้) ต่อจากนั้นเมื่อมีโมเลกุลเอทีพีใหม่เข้ามาจับตัวกับวงแหวนอีกวงหนึ่งของ GroEL (คือวงแหวนที่มีด้านหนึ่งเป็นส่วนปลายเปิดอยู่) ก็จะทำให้โมเลกุลเอดีพีที่ติดอยู่กับอีกวงแหวนหนึ่งหลุดออกไป พร้อมทั้งกระตุ้นให้ GroES และสายโพลีเปปไทด์ที่ม้วนตัวอย่างถูกต้องแล้วภายในกรงนาโนก็จะถูกปล่อยออกไป
 
 
 
 
          มอเตอร์ที่ใช้ขับเคลื่อนแฟลเจลลัมของแบคทีเรีย (bacterial flagellar motor) เป็นจักรกลนาโนชีวภาพที่สมบูรณ์แบบของธรรมชาติอีกตัวอย่างหนึ่ง ที่ทำหน้าที่ช่วยในการว่ายเพื่อเคลื่อนที่ของแบคทีเรีย โดยการเคลื่อนที่ได้นี้เกิดจากการทำงานของมอเตอร์โดยการหมุนสายยาวที่อยู่ในแฟลเจลลัม (filament) หลายๆ สาย ซึ่งในปัจจุบันเหล่านักวิทยาศาสตร์กำลังทำการศึกษาค้นคว้า  เพื่อให้เข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับการทำงานของมอเตอร์ของแบคทีเรียนี้ และในอนาคตอาจจะมีการนำมาประยุกต์ใช้ทางด้านนาโนเทคโนโลยีในการสร้างมอเตอร์ที่มีขนาดเล็กที่สุด  เพื่อนำมาใช้ประโยชน์ต่อไปในวันข้างหน้า
 
ลักษณะการทำงานของมอเตอร์ที่ใช้ขับเคลื่อนแฟลเจลลัมของแบคทีเรีย
 
          สำหรับเซลล์โปรคาริโอต  ระบบธรรมชาติได้สร้างอวัยวะนอกเซลล์ที่เรียกว่า  แฟลเจลลัม (flagellum) ให้กับเซลล์ เช่น แบคทีเรียหรือสเปิร์ม  โดยเป็นอวัยวะที่มีมอเตอร์แบบหมุน (rotary motor) ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 30 นาโนเมตร  เพื่อให้แบคทีเรียสามารถที่จะเคลื่อนที่ไปได้ อย่างเช่น แบคทีเรียแซลโมเนลลา (salmonella) และแบคทีเรียเอสเชอริเชีย โคไล (escherichia coli หรือ E. coli) ซึ่งมีขนาดลำตัวประมาณ 1 – 2 ไมครอน ความสามารถในการเคลื่อนที่ของแบคทีเรียนี้  ถูกขับเคลื่อนโดยการหมุนอย่างรวดเร็วของใบพัดแบบเกลียวที่ติดอยู่กับมอเตอร์ขนาดเล็ก  ซึ่งเป็นมอเตอร์ที่อยู่ภายในส่วนที่เป็นฐาน (basal body) ที่อยู่บริเวณผิวของเซลล์ของอวัยวะนี้  โดยในส่วนที่เป็นฐานประกอบไปด้วยมอเตอร์แบบหมุนขนาดเล็กมากตัวหนึ่ง  ยึดติดกับสายฟิลาเมนท์ที่เป็นเกลียวบางยาวประมาณ 15 ไมครอน มอเตอร์ของออร์แกเนลล์สามารถที่จะทำงานโดยการหมุนได้โดยมีรอบสูงสุดประมาณ  20,000 รอบต่อนาที หรือ 20,000 rpm (revolution per minute) แต่ใช้พลังงานในการหมุนเพียง 10 -16 วัตต์ และมีประสิทธิภาพในการอนุรักษ์พลังงานได้เกือบร้อยเปอร์เซ็นต์เลยทีเดียว
 
 
ส่วนที่เป็นมอเตอร์หมุนของแฟลเจลลัม
 
สายพอลิเมอร์แฟลเจลลินของแฟลเจลลัม
 
 
          แฟลเจลลัมถูกสร้างขึ้นมาด้วยความสามารถในการประกอบตัวเองได้ (self-assembly) ของโปรตีนรวมทั้งสิ้น 25 ชนิด วงแหวนตัวหมุนถูกสร้างขึ้นมาจากโปรตีน FliF เป็นส่วนประกอบลำดับแรกที่ถูกประกอบขึ้นมาให้อยู่ติดกับเยื่อหุ้มเซลล์ จากนั้นโมเลกุลของโปรตีนอื่นก็จะประกอบกันขึ้นเป็นวงแหวนวงอื่นๆ ที่อยู่บนโครงสร้างส่วนฐานของมอเตอร์ หลังจากที่มอเตอร์ก่อรูปขึ้นและสร้างจนเสร็จสมบูรณ์แล้ว สายยาวลักษณะคล้ายแส้ที่อยู่ในแฟลเจลลัมก็จะถูกสร้างขึ้นเป็นลำดับต่อมา (หรือเรียกกันว่าแฟลเจลลา (flagellar)) โดยสายแฟลเจลลาจะถูกสร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อกันเป็นพอลิเมอร์ของหน่วยย่อยแฟลเจลลิน (flagellin) จำนวน 20,000 – 30,000 หน่วยเข้าเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นเหมือนท่อเกลียว ซึ่งโมเลกุลแฟลเจลลินจะถูกส่งผ่านมาภายในช่องแคบที่อยู่ในตำแหน่งใจกลางของแฟลเจลลัม โดยส่งออกมาในทิศทางจากภายในตัวเซลล์ไปสู่ทางด้านส่วนปลายของสายแฟลเจลลา
 
          แฟลเจลลาประกอบไปด้วยสายเกลียวจำนวนทั้งหมด 11 สาย  โดยในแต่ละสายนั้นจะมีลักษณะการจัดเรียงตัวที่แตกต่างกันออกเป็น 2 แบบ ได้แก่ L-type และ R-type ซึ่งสายเกลียวตั้งต้นจะเป็นแบบ L-type มีความยาวประมาณ 5.27 นาโนเมตร แล้วต่อจากนั้นยาวออกมาจะเป็นสายลักษณะแบบ R-type ซึ่งมีความยาวประมาณ 5.09 นาโนเมตร และสายเกลียวทั้งสองแบบนี้ก็จะจับตัวเข้าด้วยกันเป็นสายเดียวต่อเนื่องกัน  ทำให้โครงสร้างของสายแฟลเจลลานั้นมีลักษณะเป็นท่อเกลียวได
 
ลักษณะการพันตัวของสายแฟลเจลลาเป็นลักษณะโครงสร้างท่อเกลียว ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 23 นาโนเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน  2 นาโนเมตรเท่านั้น  (ภาพภาคตัดขวางตั้งฉากกับสายแฟลเจลลา)
 
          การที่สายแฟลเจลลาสามารถที่จะประกอบตัวเองเข้าเป็นเกลียวได้  ก็เนื่องจากการช่วยเหลือของแคพ (cap) ที่อยู่ส่วนยอดสุดของสายแฟลเจลลา โดยแคพมีรูปร่างลักษณะเป็นแบบห้าเหลี่ยม ประกอบไปด้วยแผ่นเพลทห้าเหลี่ยม 1 แผ่นและขาย่อย 5 ขาอยู่ร่วมกันเป็นวง แคพถูกสร้างขึ้นมาจากโปรตีน Flid หรือ HAP2 (hook-associated protein2) โดยที่แคพนี้เป็นกลไกสำคัญสำหรับกระบวนการของการประกอบตัวเองได้ของโมเลกุลแฟลเจลลิน โดยทำหน้าที่จัดเตรียมพื้นที่ยึดติดสำหรับโมเลกุลแฟลเจลลินในแต่ละช่วงเวลาของการสร้างเป็นสายแฟลเจลลา  และยังเป็นตัวนำทางระหว่างการยึดติดกันของโมเลกุลแฟลเจลลิน
 
การประกอบตัวเองได้แบบพอลิเมอร์ของแฟลเจลลิน โดยที่มีแคพเป็นส่วนควบคุมกลไกการจัดเรียงตัว  ตามทิศทางที่กำหนดได้
 
          ด้วยคุณสมบัติของการที่โมเลกุลรู้จักว่าจะต้องวางตัวอย่างไรเมื่ออยู่ในระหว่างตัวอื่น  ในรูปแบบเชิงโครงสร้างของการก่อร่างสายแฟลเจลลา  และการสร้างมอเตอร์แบบหมุนนี้  ทำให้กระบวนการสร้างแฟลเจลลัมโดยความสามารถในการประกอบกันได้นั้นมีความถูกต้องแม่นยำ และเกิดความผิดพลาดน้อยมาก  หรืออาจจะปราศจากข้อผิดพลาดเลยก็ว่าได้
 
 
          แต่สำหรับเซลล์ยูคาริโอต  แฟลเจลลัมมีรูปร่างเป็นแท่งทรงกระบอก มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 0.2 ไมครอน โครงสร้างของซิเลียและแฟลกเจลลัมในเซลล์ยูคาริโอตไม่แตกต่างกัน  คือประกอบด้วยชุดของไมโครทิวบิล 9 ชุดจัดเรียงตัวเป็นวงกลมอยู่รอบนอก  โดยแต่ละชุดประกอบด้วยไมโครทิวบิล 2 แท่ง   ส่วนไมโครทิวบิลที่อยู่เป็นเส้นเดี่ยวจะอยู่ตรงกลางอีก 2 แท่ง (เรียกว่ามีลักษณะแบบ 9+2)  แต่ละแท่งคู่ของไมโครทิวบิลที่อยู่รอบนอกจะมีแขนของไดนีอีน (dynein arms) ยื่นออกไปสัมผัสกับแท่งคู่ที่อยู่ใกล้เคียงกัน และมีแกนยึด (radial spoke) ยื่นเข้าไปติดต่อกับแท่งคู่ที่อยู่ตรงกลาง  โดยในซิเลียจะมีขนาดความยาวประมาณ 10 ไมครอนและมีจำนวนมาก  ส่วนแฟลเจลลัมจะมีขนาดความยาวที่ยาวกว่า คืออาจยาวได้ถึง 150 ไมครอนและมีจำนวนน้อย โดยอาจมีเพียงเซลล์ละ 2 - 3 เส้นเท่านั้น 
 
          การเคลื่อนไหวของแฟลเจลลัมเพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่ของเซลล์โปรคาริโอตนั้น  จะมีลักษณะเป็นแบบแกว่งคล้ายไม้พาย  แต่สำหรับแฟลเจลลัมที่พบในเซลล์ยูคาริโอตนั้นจะพบว่ามีการเคลื่อนไหวแบบเป็นคลื่นเสมอ  ซึ่งเกิดจากการทำงานของมอเตอร์โปรตีนไดนีอีน (dynein) ขนาดประมาณ 50 นาโนเมตร ที่เกาะกับแท่งไมโครทิวบิลคู่หนึ่งไปเกาะกับอีกแท่งคู่หนึ่ง  โดยเป็นการเกาะและปล่อยสลับกันไปจนทำให้แท่งไมโครทิวบิล  เกิดการเลื่อนที่ในแนวข้างหรือสไลด์ไปมาตามการทำงานของมอเตอร์ไดนีอีน  พบว่าในการสไลด์ได้จะต้องใช้ไดนีอีนอย่างน้อยจำนวน 12 โมเลกุล  โดยแต่ละครั้งของการสไลด์ทำให้เกิดระยะทาง 8 นาโนเมตร  และระยะทางโดยรวมของการสไลด์มากที่สุดเท่ากับ 100 นาโนเมตร   ซึ่งในการทำงานได้ของไดนีอีนนี้ต้องใช้พลังงานจากโมเลกุลเอทีพีเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวนี้  จึงมีผลทำให้เกิดเป็นการเคลื่อนไหวของแฟลเจลลัมหรือซีเลียในลักษณะเบนโค้งโก่งตัวกลับไปมาได้  (ลักษณะคล้ายคลื่น)  จนทำให้เซลล์ยูคาริโอตสามารถเคลื่อนที่ได้
 
 
 

คำศัพท์คณิตศาสตร์ที่น่าสนใจ

หมวด : | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

    ศัพท์เคมี    ศัพท์คณิตศาสตร์   ศัพท์ฟิสิกส์   

  บทความวิทยาศาสตร์      ศัพท์ชีววิทยา      สื่อการสอนฟิสิกส์      ศัพท์วิทยาศาสตร์

พจนานุกรมเสียง 1   แมว    วัว 1    วัว 2    วัว 3   

เหมียว   แกะ     พจนานุกรมภาพการ์ตูน

พจนานุกรมภาพเคลื่อนไหว   ดนตรี  Bullets แบบ JEWEL 

พจนานุกรมภาพต่างๆ  ภาพเคลื่อนไหวของสัตว์ต่างๆ  โลกและอวกาศ

อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ

 

การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

 

 1. ไฟฟ้าสถิต   2.  สนามไฟฟ้า   3. ความกว้างของสายฟ้า 

4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า   6. กระแสไฟฟ้า  7. สนามแม่เหล็ก   8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ   10. ทรานซิสเตอร์  11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตร์ควอนตัม   

15. โครงสร้างของอะตอม   16. นิวเคลียร์   

17. การสอนไฟฟ้าแม่เหล็กของมหาวิทยาลัยรังสิต

กลับหน้าสารบัญ

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

หนังสืออิเล็กทรอนิกส์