จุดเริ่มต้นของนิทรรศการการเดินทาง Design4Science
ซึ่งปัจจุบันดำเนินการอยู่ที่พิพิธภัณฑ์โนเบลในสตอกโฮล์ม คือห้องปฏิบัติการบุกเบิกชีววิทยาโมเลกุลในเมืองเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของผลึกศาสตร์โปรตีน Max Perutz ซึ่งเป็นประธานของห้องปฏิบัติการเมื่อก่อตั้งขึ้นในปี 2505 ได้สนับสนุนให้ช่างภาพและนักออกแบบเป็นส่วนหนึ่งของทีมวิทยาศาสตร์ตั้งแต่เริ่มต้น
เมื่อเดินไปรอบๆ แบบจำลองโปรตีนและไวรัสที่เป็นที่รู้จักซึ่งส่งผลให้มีชิ้นใหม่ที่โดดเด่นกว่ามาก: ผีที่เวียนหัวของโมเลกุลโปรตีนที่ติดตั้งอยู่ในแก้ว Colin Rennie ศิลปินหนุ่มจากซันเดอร์แลนด์ สหราชอาณาจักร ได้รับแรงบันดาลใจจาก ATP synthase ซึ่งเป็นโมเลกุลที่หมุนรอบเพื่อผลิต adenosine triphosphate ซึ่งเป็นสกุลเงินสากลของพลังงานชีวภาพ Rennie ใช้เครื่องตัดแบบวอเตอร์เจ็ทอันทรงพลังเพื่อสร้างโครงสร้างสามมิติของโมเลกุลขึ้นมาใหม่ในลูกบาศก์ขนาด 780 กิโลกรัมจากชั้นแก้ว 30 ชั้นที่มีความกว้าง 1 เมตร
เครดิต: DESIGN4SCIENCE
งานศิลปะที่มีชีวิตชีวาของ Rennie จับภาพการตรึงเชิงพื้นที่และเวลาของผลึกศาสตร์ของโปรตีนและความรู้สึกของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเฉพาะนี้ กระจกใสสะท้อนความตึงเครียดระหว่างสิ่งที่มองเห็นและสิ่งที่มองไม่เห็นซึ่งมีอยู่ในการรับรู้ของเราเกี่ยวกับโลกของโมเลกุล ในเวลาเดียวกัน มันเลียนแบบผลึกโปรตีนที่ให้แบบจำลองอะตอมแก่นักวิทยาศาสตร์
เออร์วิง ไกส์ ศิลปินวิทยาศาสตร์ชื่อดังเคยกล่าวไว้ว่า “เราพูดได้เพียงว่า ‘มันเป็นแบบนั้น’ และสร้างเพียงอุปมาที่มองเห็นได้เท่านั้น”
ข้อพิพาทเหล่านี้มีความสำคัญกับใครก็ตาม ยกเว้นผู้ที่เกี่ยวข้อง? จุดแข็งประการหนึ่งของวิทยาศาสตร์คือสามารถทำงานในลักษณะโมดูลาร์ได้ เราสามารถก้าวหน้าไปในทิศทางเดียวได้มาก ในขณะที่คำถามที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับปัญหาพื้นฐานอื่นๆ ยังไม่ได้รับการแก้ไข หากไม่เป็นเช่นนั้น ทุกสนามจะหยุดจนกว่าเราจะมีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม นักเคมีสามารถกำหนดแบบจำลองที่มีประสิทธิภาพของพันธะอะตอมและโครงสร้างโมเลกุลโดยไม่ต้องรู้ฟิสิกส์นิวเคลียร์ นักชีววิทยาวิวัฒนาการไม่จำเป็นต้องเข้าใจเคมีของพันธุศาสตร์
“แม้แต่คนที่ทำงานในทฤษฎีทั่วไปเกี่ยวกับสถานะของเหลวของสสารก็ยังไม่ยอมเข้าใกล้น้ำ”
แต่อณูชีววิทยาขึ้นอยู่กับว่าน้ำเป็นอย่างไรในระดับโมเลกุล ตัวอย่างเช่น มุมมองที่เป็นสัญลักษณ์ของเกลียวคู่ของ DNA นั้นไม่สมเหตุสมผล: มันเป็นเพียงโครงสร้างของโมเลกุลในน้ำเท่านั้น ในระยะแก๊ส เกลียวจะดูเหมือนเด็กประทับบนนั้น การเปลี่ยนแปลงของความชุ่มชื้น เช่น การกำจัดน้ำออกจากพื้นผิวของโมเลกุล สามารถกระตุ้นสวิตช์ในโครงสร้างของดีเอ็นเอ การทดลองล่าสุดแสดงให้เห็นว่าเกลียวคู่จะคลายซิปโดยธรรมชาติเมื่อลากเข้าไปในตัวทำละลายที่ไม่ใช่น้ำ ซึ่งบ่งชี้ว่าสิ่งเดียวกันอาจเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำน้อย มีแนวโน้มว่าธรรมชาติจะใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเหล่านี้เพื่อจัดการกับดีเอ็นเอ บางที ตัวอย่างเช่น โพรงที่ไม่ชอบน้ำในเอนไซม์ช่วยคลายซิปที่นำหน้าการจำลองแบบ
เมื่อโปรตีนจับกับซับสเตรตของพวกมัน น้ำที่ขวางทางจะต้องเคลื่อนออกไปให้พ้นทาง กระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของน้ำขัง ยิ่งกว่านั้น ตำแหน่งการจับของเอนไซม์จำนวนมากมีโมเลกุลของน้ำติดอยู่กับบริเวณที่ชอบน้ำ โมเลกุลเหล่านี้บางส่วนยอมให้ตำแหน่งของพวกมันกับซับสเตรตที่เข้ามา โมเลกุลอื่นยังคงอยู่ในตำแหน่งการจับและจ่ายสะพานเชื่อมไฮโดรเจนให้กับเอนทิตีการเทียบท่า
ความโกลาหลและระเบียบ
ทั้งหมดนี้ทำให้เกิดความสมดุลของค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน: การสร้างและการทำลายพันธะ (เอนทาลปี) และการเปลี่ยนแปลงที่ไม่เป็นระเบียบในส่วนประกอบโมเลกุล (เอนโทรปี) ค่าใช้จ่ายของเอนทาลปีขึ้นอยู่กับจำนวนไฮโดรเจนที่โมเลกุลของน้ำที่ถูกขับออกมาทำในของเหลวจำนวนมาก การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีก็ขึ้นอยู่กับระดับของการสั่งซื้อด้วย ค่าประมาณบอกเป็นนัยว่า โดยเฉลี่ยแล้ว ค่าใช้จ่ายและผลประโยชน์ต่างๆ ของการปล่อยโมเลกุลน้ำจะถูกยกเลิก ดังนั้นปัจจัยเล็กๆ เฉพาะสำหรับแต่ละกรณีจึงสามารถเอียงตาชั่งได้ทั้งสองทาง ทำให้การผูกมัดเป็นประโยชน์มากขึ้นหรือน้อยลง ความสมดุลที่ดีที่คล้ายกันอาจควบคุมปฏิกิริยาที่สำคัญของโปรตีนกับคาร์โบไฮเดรต
พลังงานที่ทรงตัวที่ละเอียดอ่อนเหล่านี้มีความสำคัญต่อการออกแบบยา จุดมุ่งหมายคือการสร้างการเชื่อมโยงที่ดีระหว่างยากับเป้าหมาย ซึ่งเป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่อาจสอดเข้าไปในจุดยึดของเอนไซม์เพื่อสกัดกั้น สารยับยั้งโปรตีเอส HIV-1 บางชนิด ซึ่งเป็นเป้าหมายหลักในการรักษาโรคเอดส์ ผูกมัดผ่านโมเลกุลของน้ำเชื่อม อื่น ๆ ได้รับการออกแบบเพื่อยกเว้น แต่การออกแบบท่าเทียบเรือได้ใช้ประโยชน์จากโมเลกุลของน้ำเพียงเล็กน้อย เนื่องจากบทบาทของพวกมันยังไม่เป็นที่เข้าใจหรือในเชิงปริมาณที่เพียงพอสล็อตแตกง่าย
