แอนเจลา เบลเชอร์ : สร้างแบตเตอรี่ด้วยวิถีธรรมชาติ

ดิฉันคิดไว้ค่ะว่าจะอธิบายสักหน่อยว่าธรรมชาติสร้างวัสดุออกมาได้ยังไง ดิฉันเอาเปลือกหอยเป๋าฮื้อติดตัวมาด้วย เปลือกเป๋าฮื้อชิ้นนี้เป็นวัสดุคอมโพสิตชีวภาพ (biocomposite) ที่มวลร้อยละ 98 คือ หินปูน (calcium carbonate) และมวลอีกร้อยละ 2 เป็นโปรตีน แต่กระนั้น มันแข็งแรงทนทานกว่า 3,000 เท่า ของคู่คล้ายในทางธรณีวิทยาของมัน (หินปูน) และหลายๆคนอาจจะใช้โครงสร้างอย่างเปลือกเป๋าฮื้อนี้ แทนชอล์กได้ ดิฉันรู้สึกทึ่งกับวิธีการที่ธรรมชาติสรรสร้างวัสดุขึ้นมา และมีลำดับขั้นตอนหลายลำดับ ในการที่ธรรมชาติสามารถทำหน้าที่ได้อย่างยอดเยี่ยม ส่วนหนึ่งก็คือวัสดุพวกนี้ มีโครงสร้างที่มองเห็นด้วยตาเปล่า (macroscopic) แต่สร้างขึ้นมาในระดับนาโน วัสดุพวกนี้ถือกำเนิดขึ้นมาในระดับนาโน และมันใช้โปรตีนซึ่งถูกป้อนรหัสไว้ในระดับพันธุกรรม ที่ทำให้มันสร้างโครงสร้างที่เยี่ยมยอดเป็นอย่างยิ่งแบบนี้ได้

ดังนั้น มีสิ่งที่ดิฉันคิดว่าน่าทึ่งเอามากๆ ก็คือ จะเป็นยังไงนะถ้าหากว่าเราสามารถให้กำเนิดชีวิต กับพวกโครงสร้างที่ปราศจากชีวิต อย่างพวกแบตเตอรี่และเซลล์แสงอาทิตย์ได้? จะเป็นยังไงกันถ้ามันมีขีดความสามารถ อย่างที่เปลือกเป๋าฮื้อมี ในขอบข่ายของความสามารถ ในการสร้างโครงสร้างที่ยอดเยี่ยมเป็นที่สุด ที่ความดันและอุณหภูมิห้อง โดยใช้สารเคมีที่ไม่เป็นพิษ และสร้างวัสดุที่ไม่เป็นพิษกลับคืนสู่สิ่งแวดล้อม? ฉะนั้น นั่นก็คือวิสัยทัศน์ที่ดิฉันได้มองภาพไว้ค่ะ และถ้าเช่นนั้นแล้ว จะเป็นยังไงถ้าเราสามารถสร้างแบตเตอรี่ขึ้นมาได้ในจานเพาะเชื้อ? หรือ จะเป็นยังไงนะถ้าเราสามารถใส่ข้อมูลพันธุกรรมเข้าไปในแบตเตอรี่ เพื่อให้มันทำงานได้ดียิ่งๆขึ้นไป ตามเวลาที่ผ่านไป และก็เป็นแบบนั้นได้แบบเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมด้วย?

ถ้างั้น กลับไปที่เปลือกเป๋าฮื้อนี้ก่อน นอกจากจะมีโครงสร้างนาโน ซึ่งเป็นอย่างหนึ่งหละที่น่าทึ่ง เมื่อหอยเป๋าฮื้อตัวผู้กับตัวเมียมาอยู่ด้วยกัน มันส่งผ่านข้อมูลพันธุกรรม ที่บอกว่า "นี่คือวิธีสร้างวัสดุที่ยอดเยี่ยม นี่คือวิธีที่จะทำได้ในความดันและอุณหภูมิห้อง โดยใช้วัสดุที่ไม่มีพิษ" เหมือนกับตัวไดอะตอม (diatom) ซึ่งนำเสนอไว้ตรงนี้ มีโครงสร้างของแก้ว ทุกๆครั้งที่ไดอะตอมแบ่งตัว พวกมันใส่ข้อมูลพันธุกรรมที่บอกว่า "นี่เป็นวิธีทำแก้วในมหาสมุทร ที่เป็นโครงสร้างนาโนสมบูรณ์แบบ และเธอก็สามารถทำแบบนี้ได้เช่นเดียวกัน ครั้งแล้วครั้งเล่า" แล้วจะเป็นยังไงถ้าหากว่าเราสามารถทำเหมือนๆกันนี้ได้ กับเซลล์แสงอาทิตย์หรือแบตเตอรี่? ดิฉันชอบพูดว่าวัสดุชีวภาพชิ้นโปรดของดิฉันคือลูกวัย 4 ขวบของดิฉันค่ะ

แต่ใครก็ตามที่เคยมีหรือเคยรู้เกี่ยวกับเด็กเล็กๆ จะรู้ว่าพวกเขาเป็นสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนอย่างเหลือเชื่อ และงั้นถ้าเราอยากจะโน้มน้าวพวกเขา ให้ทำอะไรที่พวกเขาไม่อยากทำ ช่างเป็นเรื่องยากเย็นเหลือเกินค่ะ เพราะฉะนั้น เมื่อเราคิดไปถึงเทคโนโลยีแห่งอนาคต เราจึงต้องคิดไปถึงการใช้แบคทีเรียกับไวรัส สิ่งมีชีวิตพื้นๆธรรมดาๆ แล้วเราจะโน้มน้าวให้มันทำงานกับเครื่องมือใหม่ๆได้ยังไง ที่จะทำให้มันสามารถสร้างโครงสร้าง ที่จะมีความสำคัญกับดิฉัน?

อีกอย่าง เราคิดไปถึงเทคโนโลยีแห่งอนาคต เราเริ่มต้นกันด้วยการอุบัติขึ้นของโลก พื้นๆนะคะ ใช้เวลาเป็นพันล้านปีกว่าที่จะ มีสิ่งมีชีวิตก่อกำเนิดขึ้นมาในโลก และในเวลาอันสั้นๆ พวกมันกลายเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ สิ่งมีชีวิตพวกนี้แบ่งตัวได้ ใช้การสังเคราะห์แสง เป็นวิธีให้ได้มาซึ่งแหล่งพลังงาน แต่มาเมื่อราว 500 ล้านปีก่อนนี่เอง ซึ่งอยู่ช่วงเวลาของยุคแคมเบรียน (Cambrian) ที่สิ่งมีชีวิตในมหาสมุทรเริ่มสร้างวัสดุที่มีความแข็ง ก่อนหน้านั้น พวกมันนุ่มนิ่มเป็นปุยเบา และในช่วงเวลานั้นนั่นเอง ที่มีปริมาณแคลเซียมกับเหล็ก และซิลิคอนเพิ่มมากขึ้นในสิ่งแวดล้อม และสิ่งมีชีวิตเรียนรู้วิธีสร้างวัสดุที่มีความแข็ง แล้วนั่นก็เป็นสิ่งที่ดิฉันอยากจะทำให้ได้ ซึ่งก็คือการโน้มน้าวให้ชีววิทยา มาทำงานร่วมกับตารางธาตุทั้งหมดที่เหลือค่ะ

ตอนนี้ถ้าเราลองมาดูที่ชีววิทยา มีโครงสร้างที่คล้ายดีเอ็นเอกับสารภูมิต้านทาน (antibody) และโปรตีนกับไรโบโซมที่เราได้ยินกันมา ที่ต่างก็เป็นโครงสร้างระดับนาโนกันอยู่แล้ว ดังนั้นธรรมชาติได้ให้ โครงสร้างที่ยอดเยี่ยมจริงแท้มากับเราแล้วในระดับนาโน แล้วจะเป็นอย่างไรถ้าเราสามารถควบคุมมันได้ และสามารถโน้มน้าวให้มันอย่าได้กลายเป็นภูมิต้านทาน ที่ทำให้เกิดอะไรแบบเดียวกับเชื้อเอชไอวี? แต่จะเป็นอย่างไรถ้าเราสามารถโน้มน้าวให้มัน มาสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ให้เราได้? งั้นนี่เป็นตัวอย่างบางส่วนนะคะ เป็นเปลือกหอยจากธรรมชาติ

ที่จัดเป็นวัสดุทางชีววิทยาที่มาจากธรรมชาติ เปลือกเป๋าฮื้อนี่ -- และถ้าเราหักมันให้แตกออก เราก็จะเห็นความจริงว่ามันเป็นโครงสร้างระดับนาโน มีพวกไดอะตอมที่ประกอบด้วยซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) และพวกมันเป็น "แบคทีเรียแม่เหล็ก" (magnetotactic bacteria) ที่สร้างแม่เหล็กขนาดเล็กเรียงตัวแถวเดี่ยวเพื่อใช้สำหรับนำทาง สิ่งมีชีวิตพวกนี้มีสิ่งที่เหมือนกัน ก็คือวัสดุพวกนี้เป็นโครงสร้างในระดับนาโน และพวกมันมีลำดับพันธุกรรม ที่มีรหัสสำหรับสร้างลำดับโปรตีน ที่เป็นพิมพ์เขียวให้พวกมัน สามารถสร้างโครงสร้างพวกนี้ที่น่าอัศจรรย์อย่างยิ่ง ตอนนี้ กลับมาที่เปลือกเป๋าฮื้อกันก่อน เป๋าฮื้อสร้างเปลือกด้วยการมีโปรตีน โปรตีนมีประจุลบสูงมาก และมันสามารถถึงเอาแคลเซียมมาจากสิ่งแวดล้อม มาเรียงเป็นชั้นแคลเซียมและต่อด้วยคาร์บอเนต เป็นแคลเซียมกับคาร์บอเนต (หินปูน) เป็นลำดับสารเคมีของกรดอะมิโน ที่บอกว่า "นี่เป็นวิธีสร้างโครงสร้าง นี่คือลำดับพันธุกรรม นี่คือลำดับโปรตีน ที่จะใช้ในการสร้าง" และดังนั้น แนวคิดที่น่าสนใจก็คือ จะเป็นอย่างไรถ้าเราสามารถเอาวัสดุอะไรก็ได้ที่เราอยากได้ หรือธาตุใดก็ได้ในตารางธาตุ แล้วหาลำดับพันธุกรรมที่สมนัยกัน แล้วป้อนรหัสเพื่อสร้างลำดับโปรตีนที่สมนัยกัน ที่จะสร้างโครงสร้าง แต่ไม่ใช่สร้างเปลือกเป๋าฮื้อนะคะ แต่สร้างอะไรบางอย่างที่ ด้วยวิถีธรรมชาติ ไม่เคยมีโอกาสที่จะได้ทำแบบนั้นมาก่อน

และนี่ก็คือตารางธาตุ ดิฉันรักตารางธาตุจับจิตจับใจค่ะ ทุกๆปี สำหรับนักศึกษาชั้นปี 1 ที่เข้ามาเรียนที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเสตต์ (MIT) ดิฉันจะทำตารางธาตุที่เขียนว่า "ยินดีต้อนรับสู่ MIT ตอนนี้เธอจะมีธาตุแท้ๆของตัวเอง" ถ้ากลับด้านก็จะเป็นกรดอะมิโน พร้อมกับความเป็นกรดด่างที่ต่างก็มีประจุแตกต่างกัน และดิฉันก็จะแจกจ่ายไปยังนักศึกษาเป็นพันๆ ดิฉันรู้ค่ะว่ามันเขียนว่า MIT และที่นี่คือ สถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย (Caltech) แต่ดิฉันทำเกินมาสองสามอันถ้าใครอยากได้ และดิฉันก็โชคดีมากเหลือเกิน ที่ปีนี้ ท่านประธานาธิบดีโอบามา มาเยี่ยมชมห้องทดลองของดิฉันด้วย ในช่วงที่ท่านมาเยี่ยมชม MIT และดิฉันก็อยากจะมอบตารางธาตุให้แก่ท่านมากๆเลย ดิฉันก็เลยไม่หลับไม่นอนทั้งคืนและบอกกับสามีว่า "ฉันจะเอาตารางธาตุนี้ไปให้ท่านประธานาธิบดีโอบามาได้ยังไง? แล้วจะทำไงล่ะถ้าท่านบอกว่า 'อ๋อ ผมมีอันนึงแล้วหละ' หรือไม่ก็ 'ผมท่องจำได้หมดแล้ว' ?" พอเขามาเยี่ยมห้องทดลองของดิฉัน แล้วสำรวจไปทั่วห้อง -- เป็นการเยี่ยมชมที่เยี่ยมมากค่ะ แล้วต่อมาหลังจากนั้น ดิฉันก็ว่า "ท่านคะ ดิฉันมีความประสงค์จะมอบตารางธาตุนี่แด่ท่านค่ะ ในกรณีว่าท่านเกิดเผชิญปัญหาและจำเป็นต้องคำนวณน้ำหนักโมเลกุล" และดิฉันคิดว่าน้ำหนักโมเลกุลฟังดูวิชาการน้อยกว่า ค่ามวลโมล (molar mass) มากอยู่ แล้วท่านก็มองดูตารางธาตุ และบอกว่า "ขอบคุณครับ "ผมจะใส่ตารางธาตุในตารางเวลาของผมเป็นพักๆนะครับ" (เสียงหัวเราะ) (เสียงปรบมือ) และต่อมาในช่วงที่ท่านบรรยายเรื่องพลังงานสะอาด ท่านก็หยิบมันขึ้นมาแล้วกล่าวว่า "และผู้คนที่ MIT นี่พวกเขาแจกจ่ายตารางธาตุกันครับ"

เอาหละค่ะ จริงๆแล้วสิ่งที่ดิฉันไม่ได้บอกคุณ ก็คือ ราว 500 ล้านปีก่อน สิ่งมีชีวิตได้เริ่มสร้างวัสดุ แต่ใช้เวลาอีกราว 50 ล้านปีกว่าจะทำได้ดี แล้วก็ใช้เวลาอีกราว 50 ล้านปี ในการเรียนรู้ที่จะสร้างเปลือกเป๋าฮื้อได้อย่างสมบูรณ์แบบ และนั่นก็จะยากมากเลยที่จะชวนนักศึกษา ป.โท-เอก มาร่วมงานด้วย "อาจารย์มีโครงการสุดยอดมาก -- ใช้เวลา 50 ล้านปีนะ" และดังนั้น เราจึงต้องพัฒนาวิธีการ ที่จะพยายามเร่งกระบวนการให้เร็วมากขึ้น เพราะงั้น เราจึงใช้ไวรัสที่เป็นไวรัสไม่มีพิษ ชื่อว่า ไวรัสทำลายแบคทีเรีย เอ็มสิบสาม (M13 bacteriophage) งานของมันก็คือแพร่เชื้อใส่แบคทีเรีย มันมีโครงสร้างพันธุกรรมที่พื้นๆมาก ที่เราสามารถเข้าไปตัดออกแล้วใส่ ลำดับพันธุกรรมเพิ่มให้มัน การทำแบบนั้นทำให้ไวรัส สามารถแสดงลำดับโปรตีนออกมาแบบสุ่ม

และนั่นเป็นเทคโนโลยีชีวภาพที่ง่ายมากๆค่ะ และเราก็อาจทำแบบนี้ได้เป็นพันล้านครั้ง ดังนั้น เราเข้าไปตกแต่งดีเอ็นเอให้ไวรัสเป็นพันล้าน ซึ่งมันมีสารพันธุกรรมเหมือนๆกัน แต่ต่างกันตรงที่แต่ละตัวจะใช้รหัสพันธุกรรมจาก ลำดับพันธุกรรมอันเดียว ที่จะป้อนรหัสสร้างลำดับโปรตีนอันหนึ่ง ถ้าเราเอาไวรัสทั้งพันล้าน แล้วใส่เข้าไปในของเหลวขนาดหนึ่งหยด เราก็สามารถบังคับให้มันทำปฏิกิริยากับอะไรก็ตามจากตารางธาตุที่เราต้องการ และด้วยกระบวนการคัดเลือกทางวิวัฒนาการ เราสามารถดึงเอามาเพียงแค่ตัวเดียวในพันล้านตัว ตัวที่ทำในสิ่งที่เราอยากให้ทำ เช่นทำแบตเตอรี่ หรือทำเซลล์แสงอาทิตย์

โดยพื้นฐานแล้ว ไวรัสไม่สามารถแบ่งตัวได้ มันจำเป็นต้องอาศัยสิ่งมีชีวิตอื่น พอเราเจอตัวที่ "ใช่" จากพันล้านตัวนั่นแล้ว เราก็ใส่มันเข้าไปให้แพร่เชื้อในแบคทีเรีย แล้วเราก็จะได้ไวรัสออกมาเป็นล้านๆ เป็นพันล้าน ที่มีลำดับพันธุกรรมแบบนั้น อีกสิ่งหนึ่งที่เป็นความสวยงามของชีววิทยา ก็คือ ชีววิทยาทำให้คุณมีโครงสร้างที่ยอดเยี่ยมเป็นที่สุด ในขนาดที่สามารถนำใช้ได้ดี ไวรัสพวกนี้ตัวยาวผอมเพรียว และเราสามารถทำให้มันแสดงออกถึงความสามารถ ในการสร้างอะไรอย่าง สารกึ่งตัวนำ (semiconductor) หรือ วัสดุสำหรับแบตเตอรี่

นี่เป็นแบตเตอรี่กำลังสูงที่เราสร้างขึ้นมาในห้องทดลอง เราสร้างไวรัสที่ไปจับเอาท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube) ส่วนหนึ่งของไวรัสไปจับเอาท่อนาโนคาร์บอน อีกส่วนมีลำดับพันธุกรรม ที่สามารถสร้างวัสดุที่เป็นขั้วไฟฟ้าสำหรับแบตเตอรี่ แล้วถัดมามันก็เชื่อมต่อตัวมันเองเข้ากับตัวเก็บกระแสไฟฟ้า เพราะฉะนั้น ด้วยกระบวนการคัดเลือกทางวิวัฒนาการ เราเปลี่ยนไวรัสที่สร้างแบตเตอรี่คุณภาพแย่ ไปเป็นไวรัสที่สร้างแบตเตอรี่คุณภาพดี ไปเป็นไวรัสที่สร้างแบตเตอรี่กำลังสูงกว่าแบตเตอรี่ที่เราเคยมีมา แล้วทั้งหมดนี้ก็ทำในอุณหภูมิห้อง แล้วก็ทำกันที่บนโต๊ะนี่แหละค่ะ แล้วแบตเตอรี่นั่นก็เดินทางไปทำเนียบขาวในงานแถลงข่าว ดิฉันพกติดตัวมาที่นี่ด้วยนะ คุณจะเห็นว่ามันอยู่ในกล่องนี้ค่ะ -- กำลังจ่ายไฟให้หลอดแอลอีดี (LED) คราวนี้ถ้าเราสามารถทำให้มันใหญ่ขึ้น เราก็จะสามารถใช้มัน ขับเคลื่อนรถพรีอุส (Toyota Prius) ให้เราได้ ซึ่งเป็นความฝันของดิฉันค่ะ ความฝันที่จะขับรถที่ขับเคลื่อนด้วยไวรัส

แต่จริงๆแล้ว เราสามารถดึงไวรัสตัวนึงออกมาจากพันล้านตัว แล้วทำให้มันเพิ่มจำนวนขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า จริงๆแล้ว เราเพิ่มจำนวนครั้งเดียวในห้องทดลอง จากนั้นเราก็ทำให้มันประกอบชิ้นส่วนด้วยตัวเอง ให้เป็นโครงสร้างอย่างเช่นแบตเตอรี่ เราทำแบบนี้ได้ด้วยการเร่งปฏิกิริยาเคมี (catalysis) ได้ด้วย นี่เป็นตัวอย่าง ของการแยกโมเลกุลน้ำด้วยการเร่งปฏิกิริยาเคมีด้วยแสง และสิ่งที่พวกเราสามารถทำกันมาได้ ก็คือสร้างไวรัสที่ไปจับเอาโมเลกุลที่ดูดสีย้อม แล้วเอามาเรียงไว้ที่พื้นผิวหน้าของมัน ให้ทำหน้าที่เป็นเหมือนเสาอากาศ แล้วเราก็ส่งผ่านพลังงานข้ามไวรัสได้ จากนั้นเราก็ใส่ยีนส์ตัวที่สองเข้าไป ให้สร้างวัสดุอนินทรีย์ ที่จะใช้ในการแยกโมเลกุลน้ำ ให้เป็นออกซิเจนกับไฮโดรเจน ที่สามารถนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงสะอาดได้ และดิฉันเอาตัวอย่างมากับดิฉันด้วยในวันนี้ นักศึกษาของดิฉันสัญญากับดิฉันไว้ว่ามันจะทำงานได้แน่ นี่เป็นสายไฟระดับนาโนที่ไวรัสประกอบขึ้นมา พอเราฉายไฟลงไป เราจะเห็นว่ามันปล่อยฟองออกมา ในกรณีนี้ เราจะเห็นฟองออกซิเจนลอยออกมา และจริงๆแล้วก็ควบคุมด้วยยีนส์ เราสามารถควบคุมวัสดุพร้อมกันหลายชนิดเพื่อยกระดับสมรรถนะของอุปกรณ์

ตัวอย่างสุดท้ายเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ เราใช้เทคนิคนี้กับเซลล์แสงอาทิตย์ได้เช่นกัน กลุ่มวิจัยของดิฉันสามารถสร้างไวรัส ที่ไปจับเอาท่อนาโนคาร์บอน แล้วมาสร้างไทเทเนียมไดออกไซด์รอบๆตัวมัน เพื่อใช้เป็นวิธีดึงอิเล็กตรอนเข้าหาตัวอุปกรณ์ แล้วเราได้ค้นพบว่า ด้วยพันธุวิศกรรม เราสามารถจะเพิ่ม ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์พวกนี้ ได้สูงเป็นประวัติการณ์ สำหรับระบบประเภทที่สนองตอบกับสีย้อม และดิฉันก็ติดมาด้วยอันนึง ที่คุณๆสามารถมาลองเล่นดูได้ ข้างนอกหลังจบบรรยายค่ะ ดังนั้น นี่ก็คือเซลล์แสงอาทิตย์ที่อาศัยไวรัส ด้วยวิวัฒนาการและการคัดเลือก เราพัฒนาประสิทธิภาพเซลล์แสงอาิทิตย์จากประสิทธิภาพร้อยละ 8 ไปเป็นร้อยละ 11

ฉะนั้น ดิฉันหวังค่ะว่าดิฉันจะโน้มน้าวให้คุณเชื่อ ได้ว่ามีอะไรอีกมากมายที่น่าสนใจเป็นอย่างยิ่งที่เราสามารถเรียนรู้ เกี่ยวกับว่าธรรมชาติสร้างวัสดุต่างๆมาได้อย่างไร แล้วนำมาพัฒนาประยุกต์ใช้ ดูว่าเราจะทำได้หรือไม่ที่จะสามารถ ผลักดัน หรือฉกฉวยเอาวิธีการที่ธรรมชาติสร้างวัสดุต่างๆ มาสร้างเป็นอะไรที่ธรรมชาติเองไม่แม้แต่จะวาดฝันไว้ว่าสามารถทำขึ้นมาได้จริง

ขอบคุณค่ะ