สวัสดีครับ วันนี้เราจะพาไปพูดคุยกับ ดร.เจมส์ เกี่ยวกับงานวิจัยที่ทำทางด้านชีวฟิสิกส์นะครับ ซึ่งเป็นศาสตร์ที่สำคัญมากๆอันหนึ่งในปัจจุบันเลยก็ว่าได้นะครับ
ขออนุญาติเริ่มต้นด้วยการแนะนำตัวหน่อยครับ เรียนจบปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยอะไรและทำงานวิจัยทางด้านไหนตอนเรียน
สวัสดีครับผม ชื่อเจมส์นะครับ ผมจบ ป.เอก จาก University of Leeds สหราชอาณาจักรครับ ช่วงเรียน ป.เอก ทำงานวิจัยเกี่ยวกับการจำลองโมเลกุล DNA ที่มีการขด หรือ supercoiling ด้วยเทคนิคการจำลองพลวัตโมเลกุลหรือที่รู้จักกันในชื่อของMolecular Dynamics หรือที่เรียกกันย่อๆ คุ้นหูว่า MD ครับ ซึ่ง supercoiling เป็นกระบวนการที่มีความสำคัญกับกระบวนการทำงานของเซลล์สิ่งมีชีวิตทั้งในแง่ที่เกี่ยวกับการเป็นเหมือนสวิตช์ที่ ปิด-เปิด ฟังก์ชั่นการทำงานของ DNA ในการคัดลอกรหัสพันธุกรรมต่อไป
การจำลอง MD ในสเกลระดับอะตอมเนี่ยมันจะเป็นอารมณ์ว่าเรามีกล้องจุลทรรศน์ในอุดมคติที่มีกำลังขยายสูงมากๆๆๆ มากพอที่จะทำให้เราเห็นรายละเอียดของการเคลื่อนที่สำหรับทุกๆ อะตอม และมีความเร็วชัตเตอร์ที่เร็วมากพอที่จะทำให้เราเห็นการสั่นของพันธะเคมีทุกๆพันธะ
ผลจากการจำลองที่เป็นการแก้สมการการเคลื่อนที่สำหรับทุกๆอะตอมด้วยsupercomputer จะทำให้เราได้ข้อมูลของตำแหน่ง และความเร็วของทุกอะตอมที่เวลาต่างๆ ออกมา จากนั้นเราก็จะทำการวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่เพื่อที่จะดึงเอาปริมาณที่เราสนใจมาอธิบายกระบวนการในเชิงชีวโมเลกุลที่เกิดขึ้น ซึ่งนี่ถือว่าเป็นวิธีการหนึ่งที่เราใช้ในการศึกษาชีวฟิสิกส์ในเชิงโมเลกุลครับ
เหตุผลที่ทำให้สนใจทำวิจัยทางด้านนี้
เหตุผลของผมอาจจะดูแหวกแนวสักนิดนึงนะครับ คือเริ่มจากการที่ผมอาจจะเป็น นศ.ฟิสิกส์ ไม่กี่คนที่ตอน ป.ตรี ชอบเรียนวิชาเคมี (ชอบเฉพาะส่วนที่เป็น phychemที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างอะตอม โมเลกุล พันธะเคมี และ kineticsนะครับ ส่วนพวก or-chem biochem ตอนนั้นก็อยู่ในระดับถูๆไถๆเหมือนคนอื่นๆ 555+) ส่วนชีวะน่ะเหรอครับ ตอนนั้นสิ่งเดียวที่ดึงดูดใจผมคือ ภาพประกอบใน textbook ของ Campbell มันสวยมากกก นั่นทำให้ช่วงปี 3-4 ผมตั้งใจเรียนวิชาควอนตัมเป็นพิเศษ พร้อมๆกับที่ผมไปลงเรียนวิชาเลือกของภาคเคมีที่เป็นแนว Molecular Modelling และทำโปรเจค ป.ตรี ที่เป็นการลองแกะ Algorithm ของการจำลอง Quantum Monte-Carlo อย่างง่ายๆ
จากนั้น ผมก็ได้ลองยื่นสมัครทุนกระทรวงวิทย์เพื่อไปเรียนต่อต่างประเทศ ซึ่งสาขาที่เปิดตอนนั้นเป็น biophysics ตามความต้องการของ มจธ. ตอนนั้นไม่ได้คิดอะไรครับ คือทำยังไงก็ได้ขอแค่ให้ได้โกอินเตอร์ ไปดูแมนยูทีมโปรดถึงขอบสนามก็พอ (55+) สุดท้ายก็สอบติด และตอนหาที่เรียน อาจารย์ของทางฝั่งอังกฤษก็เสนอหัวข้อ biophysics ที่ใช้เทคนิคเชิง Molecular Modelling ซึ่งก็เข้าทางผมพอดิบพอดี ส่วนเรื่องชีวะที่ไม่ค่อยชอบ (เช่นเดียวกับเด็กฟิสิกส์ทั่วๆไป) ก็คิดว่าฝืนๆเอาหน่อยน่าจะไหว
แต่พอมาทำงานด้านนี้จริงๆ ก็พบว่าการเรียน Molecular Biology หรือ Biochem แบบเจาะลึกทีละเรื่องๆ หรือเจาะลึกแค่ทีละโมเลกุล มันก็ไม่ได้เลวร้ายไปซะทีเดียวสำหรับนักฟิสิกส์ (เชื่อผม) ออกจะสนุกด้วยซ้ำนะครับ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากที่ผมได้อ่านบทความที่เกี่ยวกับผลจากทฤษฎีวิวัฒนาการของ Darwin ที่เกิดขึ้นตั้งแต่ระดับของโมเลกุล เป็นกลไกของธรรมชาติที่สิ่งมีชีวิตมีการปรับตัวโดยการ Design เครื่องจักรขนาดเล็กจำนวนมากที่เรียกว่า Enzyme ให้ทำงานสอดประสานกันได้เป็นระบบอย่างน่าทึ่งและทำให้สิ่งมีชีวิตมันมีชีวิตขึ้นมาได้จริงๆ แล้วการที่เราสามารถจำลองเหตุการณ์ขึ้นมาโดยที่ฟิสิกส์ของเหตุการณ์นั้นมีความแม่นยำมากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ มันอารมณ์เหมือนเรามีพลังพิเศษที่เราจะเข้าไปนั่งมองเหตุการณ์นั้นเกิดขึ้นจริงๆ
เลยคิดว่าการที่เราสามารถใช้มุมมองในเชิงฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ สถิติ ผนวกเข้ากับทักษะทางด้านโปรแกรม ในการมาอธิบายกลไกที่ซับซ้อนเช่นการม้วนพับของโปรตีน (Protein Folding) หรือการขดตัวของ DNA (DNA supercoiling) ให้มีโครงสร้างและหน้าที่ (หรือที่ติดปากกันว่า Structures and Functions) ในแบบที่ธรรมชาติช่วยรังสรรค์มาให้นั้นจึงเป็นงานที่ท้าทายอย่างยิ่ง เมื่อเราต้องพิจารณาระบบ coordinate ของโมเลกุลในรูปแบบใหม่ที่ไม่เคยพบเคยเจอมาก่อน
พอเรียนจบกลับมาที่ไทยก็ได้ค้นพบอีกว่าวิธีการ จำลอง MD และแนวทางการวิเคราะห์เชิงโมเลกุลที่เราเรียนรู้มา มันสามารถใช้ประโยชน์ได้กว้างกว่าที่เราคิด จากช่วงเรียน ป.เอก เราโฟกัสไปที่การอธิบายกลไกในระดับ fundamental ของสิ่งที่เกิดขึ้นในแต่ละช่วงของcell cycle ซึ่งมีงานวิจัยที่พบว่าระดับของ Supercoiling จะมีการเปลี่ยนแปลงไปเรื่อยๆเป็นคาบ ที่จะส่งผลต่ออัตราการผลิตโปรตีนแต่ละชนิดในแต่ละช่วงเวลา มาเป็นโจทย์ที่เน้นการประยุกต์ในเชิงอุตสาหกรรมมากขึ้น โดยเฉพาะในด้านเทคโนโลยีชีวภาพซึ่งมีการดึงเอาฟังก์ชั่นของเอ็นไซม์หลายๆชนิด มาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี ซึ่งผมมองว่านี่เป็นเหมือนการดึงเอาพลังจากธรรมชาติมาใช้เลย และนอกจากนั้นเรายังสามารถนำเทคนิคการจำลอง MD มาใช้ในการออกแบบและพัฒนาโครงสร้างโมเลกุลของวัสดุพอลิเมอร์ได้อีกด้วย
ทีนี้จากไม่ชอบ ไม่ใช่ กลายเป็น รัก ซะอย่างนั้นเลยครับ :D <3 <3 <3
งานวิจัยที่คุณทำอยู่ถือได้ว่าเป็นต้นน้ำ(พื้นฐาน) กลางน้ำ(ส่งต่อ) หรือปลายน้ำ(นำไปใช้)
มันอยู่กึ่งๆระหว่างต้นน้ำกับกลางน้ำครับ ถ้ามองจากมุมมองของฟิสิกส์ การจำลองหรือ simulation คือการดึงเอาสมการฟิสิกส์กับระเบียบวิธีเชิงตัวเลข (numerical methods) มาใช้อธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุล ซึ่งจะเอาฟิสิกส์ตัวไหนมาคิดก็แล้วแต่สเกลของปัญหา เช่น ถ้าอยากจำลองปรากฏการณ์การถ่ายโอนอิเล็กตรอนหรือโปรตอน หรือการเกิดขึ้นและการสลายตัวของพันธะเคมี ก็จำเป็นที่จะต้องคำนึงถึงผลทางควอนตัม แต่ถ้าต้องการศึกษาพลวัตของระบบโมเลกุลใหญ่ๆ ที่เกิดขึ้นจากความผันผวนเชิงอุณหภูมิ (thermal fluctuation) ซึ่งโดยทั่วไปจะมีผลมากกว่าผลทางควอนตัมที่อุณหภูมิสูงๆ ก็จะใช้การผสมผสานระหว่างกลศาสตร์นิวตันกับกลศาสตร์เชิงสถิติ ดังนั้น เลยขอสรุปว่าจากมุมมองของนักฟิสิกส์งานผมน่าจะอยู่แถวๆกลางน้ำครับ คือเหมือนเป็นการส่งต่อทฤษฎีฟิสิกส์ไปให้นักเคมีและนักชีวะใช้อีกทีนึง
แต่ถ้ามองจากมุมมองของ customer ที่เป็นนักเคมีและนักชีววิทยาเชิงโมเลกุล ที่ต้องการคนมาช่วย วิเคราะห์ และอธิบายกลไกของสมมุติฐานที่ขาสร้างขึ้น รวมทั้งมาช่วย visualize ปัญหาของเขาให้อยู่ในรูปแบบที่เข้าใจได้ง่ายขึ้นนั้น งานผมก็อาจจะสามารถมองว่าเป็นงาน ต้นน้ำ ที่จะมีส่วนช่วยในการออกแบบการทดลองเพื่อทดสอบสมมุติฐานของเขาได้ครับ และอาจจะถือเป็นการทำนายสมมุติฐานเพื่อ scope ปัญหาของเขาให้แคบลง ซึ่งจะช่วยประหยัดเวลาและทรัพยากรในการทดลองในห้องปฏิบัติการได้มาก แต่มีข้อแม้คือระเบียบวิธีการ simulationจะต้องมีความเหมาะสมกับปัญหาแต่ละปัญหา และมีการพิสูจน์มาก่อนว่าสามารถเชื่อถือได้สำหรับโมเลกุลนั้นๆ
แล้วคิดว่างานวิจัยส่วนไหน(แบบไหน)สำคัญมากน้อยอย่างไร
ผมว่างานวิจัยทุกๆส่วนสำคัญพอๆกันหมดครับ ผมเชื่อว่าในการบูรณาการแนวคิดทางด้านวิจัย นอกจากการบูรณาการเทคนิคหรือวิธีการคิดของหลายๆ สาขาวิชาเข้ามาไว้ด้วยกันเพื่อที่จะแก้ปัญหายากๆสักอย่างแล้ว เราก็ยังสามารถมองปัญหาเดียวกันด้วยแนวคิดที่คล้ายๆกัน แต่ทำเป็นแบบ Multiscale ได้
ยกตัวอย่างง่ายๆ นะครับ เช่น เราต้องการที่จะพัฒนาคุณสมบัติของวัสดุ A ให้ดีขึ้นในสักแง่มุม ( อาจจะเป็นเรื่องคุณสมบัติทางไฟฟ้า (electrical) คุณสมบัติเชิงแสง (optical) หรือคุณสมบัติเชิงกล (mechanical) ประมาณว่าการตอบสนองต่อแรงกด ก็แล้วแต่ ) คำถามที่ต้องตอบคือ โครงสร้าง หมู่ฟังก์ชั่นทางเคมี การจัดเรียงตัว พารามิเตอร์ความเป็นระเบียบของโมเลกุล ซึ่งอยู่ในสเกลจุลภาค (microscopic) จะส่งผลต่อปริมาณที่เราสามารถวัดได้ในแลป เช่น การนำไฟฟ้า การเปล่งแสง หรือค่ามอดูลัส ซึ่งเป็นปริมาณในสเกลมหภาค (macroscopic) เช่นไร แล้วจากนั้นเราก็จะมาประเมินว่า คุณสมบัติที่ถูกพัฒนาขึ้นจะสามารถเพิ่มมูลค่าของวัสดุได้เท่าไร อันนี้ผมขอเรียกว่าeconomic scale ละกัน 55+ ซึ่งนี่เป็นกระบวนการในการวิจัยที่มีครบตั้งแต่ต้นน้ำ กลางน้ำ ยันปลายน้ำ
แต่ในความเป็นจริงมันอาจจะไม่ได้ง่ายขนาดนั้นครับ เนื่องจากธรรมชาติของโจทย์วิจัยแต่ละอย่างที่อาจจะไม่เหมือนกัน โจทย์วิจัยต้นน้ำบางอย่างเป็นแนวคิดที่ใหม่มาก อาจยังไม่สามารถทำให้เกิดผลกระทบทางเศรษฐกิจได้ทันที ในขณะที่โจทย์วิจัยปลายน้ำบางอย่างก็จำเป็นที่จะต้องปรับแนวทางเพื่อให้ตอบโจทย์ของผู้ใช้งานเฉพาะ และทำให้เกิดผลและแนวคิดต่อยอดในเชิงวิชาการได้ค่อนข้างยาก
อย่างไรก็ตาม ผมก็ยังคงมองว่าสำหรับคนที่ทำงานวิจัยปลายน้ำ ต้องไม่ลืมว่าเรื่องของวิทยาศาสตร์พื้นฐานหรืองานต้นน้ำที่ทำหน้าที่เป็น core technology/knowledge หรือเป็น แก่น ของงานวิจัยก็มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเช่นกัน กลุ่มที่มีความรู้เข้าใจในงานด้านพื้นฐานจะได้เปรียบเพราะมีความเป็นไปได้ที่จะพัฒนาต่อยอดออกมาเป็นงานใหม่ได้เร็วกว่า ในขณะที่กลุ่มวิจัยต้นน้ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งโครงการใหญ่ๆ ที่ดำเนินงานในระยะยาวๆ จำเป็นที่จะต้องมีกลไกโดยอ้อมในการที่จะทำให้การดำเนินงานของกลุ่มเป็นไปได้อย่างยั่งยืน เช่น โครงการวิจัยนิวเคลียร์ฟิวชั่น ซึ่งเป็นโครงการระยะยาวที่ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ แต่ในระหว่างขั้นตอนการวิจัยและพัฒนาก็ยังสามารถสร้างองค์ความรู้ใหม่ทางด้านฟิสิกส์ของพลาสมา และวิศวกรรมวัสดุออกมาได้อย่างต่อเนื่องครับ
ทิศทางของงานวิจัยในอนาคตที่สนใจทำ
ก็คงจะรับบทบาทเป็นเหมือนมือปืนรับจ้าง ทำงานด้าน Molecular Modeling โดยปรับโจทย์และเทคนิคไปตามความต้องการของกลุ่มวิจัยในภาควิชา คณะ และมหาวิทยาลัยไปเรื่อยๆ ซึ่งถ้ามีโอกาสได้เป็นส่วนหนึ่งในโครงการและได้รับเงินทุนมาสนับสนุนในการหาซื้ออุปกรณ์คอมพิวเตอร์เพิ่มเติม หรือสนับสนุนรายได้ให้กับ นศ. ในทีม ก็จะถือว่าเป็นโบนัส ในส่วนของตัวผมเองก็ถือว่าเป็นการได้เก็บประสบการณ์ทางด้านการทำวิจัยไปเรื่อยๆ ซึ่งในตอนนี้จากที่ได้พัฒนาเทคนิคในการออกแบบและทดสอบโครงสร้างเอนไซม์ และพอลิเมอร์คอมโพสิทในแบบจำลองแล้ว ก็กำลังจะขยับไปมอง application ของวัสดุสองมิติ เช่น แกรฟีน หรือวัสดุอื่นที่มีทอพอลอจีของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์คล้ายคลึงกัน ในการเป็นตัวตรวจวัดและจำแนกชนิดของสารชีวโมเลกุล เทคนิคที่ใช้ก็จะลองขยับมาเป็น density functional theory เนื่องจากในการคำนวณ transport properties ของอิเล็กตรอนเพื่อที่จะตีความเป็นปริมาณของสัญญาณไฟฟ้าที่ได้ จำเป็นต้องคำนึงถึงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุที่จำเป็นต้องอาศัยกลศาสตร์ควอนตัม
ในอีกด้านหนึ่งนะครับ หลังจากที่เรามีองค์ความรู้ เกี่ยวกับธรรมชาติของโมเลกุลที่เราศึกษาอยู่ รวมถึงประสบการณ์เกี่ยวกับเทคนิคในการจำลองโมเลกุลนั้นๆ มากเพียงพอแล้ว ก็จะทำการศึกษาและพัฒนาเทคนิคใหม่ที่จะทำให้เราสามารถจำลองโมเลกุลได้อย่างรวดเร็วมากขึ้น และใช้ทรัพยากรคอมพิวเตอร์น้อยลง เช่น ที่ผ่านมามีคนใช้ทฤษฎีกลศาสตร์เชิงสถิติทำสิ่งที่เป็นเสมือนกับการ “โกง” การจำลอง Molecular Dynamics ในการเพิ่มเทอม bias เพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ในทิศทางที่จำเพาะเจาะจง หรือการเพิ่ม-ลด อุณหภูมิในแบบเดียวกับการทำ annealing เพื่อเร่งการเปลี่ยนเฟสของโครงสร้างวัสดุ ซึ่งทำให้ระบบโมเลกุลเข้าสู่สภาวะสมดุลได้เร็วขึ้น หรืออีกด้านหนึ่งอาจจะเป็นการสร้าง database ที่บันทึก feature ที่สำคัญของการ engineer โครงสร้างโปรตีนหรือโครงสร้างวัสดุในรูปแบบต่างๆ แล้วพัฒนามาเป็น AI หรือ machine learning ในการช่วยออกแบบโครงสร้างโปรตีนหรือวัสดุตามสเปกที่ต้องการได้ครับ
จบไปแล้วครับสำหรับการพูดคุยกับ ดร.เจมส์ ทีม QuTE ต้องขอขอบคุณ ดร.เจมส์ เป็นอย่างมากที่สละเวลามาพูดคุยกับเรา ในครั้งหน้าทางทีมงานจะพาไปรู้จักกับใครก็รอติดตามกันนะครับ
