นักวิทยาศาสตร์จับภาพปฏิกิริยาเคมีสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตได้ในเวลาเสี้ยววินาที

สิ่งมีชีวิตทั้งหมด ตั้งแต่สาหร่ายขนาดเล็กที่สุดไปจนถึงสัตว์ที่ใหญ่ที่สุด ล้วนขึ้นอยู่กับกระบวนการพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง ตัวอย่างเช่น การสังเคราะห์ด้วยแสงเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานเคมี ในขณะที่การหายใจจะเปลี่ยนกลูโคสให้เป็นโมเลกุลที่นำพลังงานที่เรียกว่า อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) หากไม่มีกระบวนการเหล่านี้ ชีวิตในรูปแบบที่เราคุ้นเคยก็ไม่สามารถดำรงอยู่ได้

เพื่อทำความเข้าใจว่าพลังงานถูกเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่งได้อย่างไร คุณต้องซูมเข้าไปในระดับโมเลกุล ซึ่งคุณอาจจับการเคลื่อนที่ของทั้งอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวกจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า ปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนควบคู่กับโปรตอน (PCET) การจับคู่ของอิเล็กตรอนและโปรตอนก่อให้เกิดระบบที่มีประสิทธิภาพอย่างเหลือเชื่อ เนื่องจากไม่ส่งผลกระทบต่อประจุโดยรวมของอะตอม แต่มันก็เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเป็นพิเศษ ซึ่งหมายความว่าสังเกตได้ยากมาก

ขณะนี้นักวิจัยที่เขียนในวารสาร Nature Communications ได้ทำการถ่ายภาพการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับทั้งโมเลกุลและน้ำโดยรอบได้เป็นครั้งแรก

“เราสามารถเฝ้าดูในช่วงเวลาที่รวดเร็วมาก – ในระดับพิโคเซคันด์ หรือหนึ่งในล้านล้านของวินาที – ว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อตำแหน่งอะตอมที่เฉพาะเจาะจงในโมเลกุลได้รับโปรตอน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราสามารถเห็นว่าประจุไหลไปยังตำแหน่งนี้อย่างไร และปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลของน้ำโดยรอบเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร” Elisa Biasin หัวหน้านักวิจัยที่ Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) กล่าวกับ Discover

“จนถึงขณะนี้ การสังเกตโดยตรงว่าองค์ประกอบที่แตกต่างกันเหล่านี้พัฒนาร่วมกันอย่างไรเป็นเรื่องยาก”

การถ่ายภาพ ‘Snapshots’ ของ PCET

แล้วพวกเขาทำได้อย่างไร? ทีมงานใช้โมเลกุลที่ใช้รูทีเนียมซึ่งดูดซับแสงและจับโปรตอนจากสภาพแวดล้อมภายใต้สภาวะที่เป็นกรด จากนั้น ด้วยการใช้เทคนิคเอ็กซ์เรย์ความเร็วสูงพิเศษหลายอย่าง รวมถึงสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนเอ็กซ์เรย์ที่เฉพาะเจาะจงกับธาตุและการกระเจิงของรังสีเอ็กซ์แบบวัดเวลา นักวิจัยได้ติดตามว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ระหว่างตำแหน่งโมเลกุลอย่างไร และอะตอมในน้ำโดยรอบจัดเรียงตัวใหม่ระหว่างปฏิกิริยา PCET อย่างไร

Biasin เปรียบเทียบการกระเจิงของรังสีเอ็กซ์กับการถ่ายภาพชุดหนึ่งด้วยกล้อง “ยกเว้นว่า ‘กล้อง’ ของเราใช้พัลส์รังสีเอ็กซ์ที่สั้นมาก และภาพจะถูกสร้างขึ้นใหม่จากการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณการกระเจิงของรังสีเอ็กซ์”

“ด้วยการวัดว่าสัญญาณการกระเจิงของรังสีเอ็กซ์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรหลังจากกระตุ้นปฏิกิริยาด้วยแสง เราสามารถระบุได้ว่าการกระจายตัวและการจัดเรียงตัวของโมเลกุลน้ำโดยรอบพัฒนาไปอย่างไรเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้น” Biasin กล่าว

การวิจัยเชิงทดลองของทีมถูกรวมเข้ากับการจำลองและการคำนวณเชิงทฤษฎี ซึ่งให้นักวิจัยมีเครื่องมือและข้อมูลที่จำเป็นในการตีความสัญญาณรังสีเอ็กซ์และเชื่อมโยงสัญญาณเหล่านั้นกับการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่เกิดขึ้นทั้งในโมเลกุลและสภาพแวดล้อมโดยรอบ

ความสัมพันธ์ทำงานได้ทั้งสองทาง Christopher Larsen ผู้ร่วมเขียนบทความและอาจารย์อาวุโสจาก School of Chemical Sciences แห่งมหาวิทยาลัยโอ๊คแลนด์ นิวซีแลนด์ กล่าวกับ Discover “การคำนวณช่วยให้เราตีความการสังเกตเชิงทดลอง ในขณะที่การวัดเชิงทดลองให้การทดสอบที่เข้มงวดสำหรับแบบจำลองโมเลกุล”

“ความสอดคล้องระหว่างสองสิ่งนี้ทำให้เรามั่นใจว่ากระบวนการโมเลกุลที่ระบุในการจำลองและการคำนวณนั้นเป็นสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงที่เราสังเกตเห็นจากการทดลอง” Larsen เสริม

การศึกษาปฏิกิริยา

Biasin อธิบายปฏิกิริยาว่าเป็นฝูงชนของผู้คนที่ตอบสนองต่อใครบางคนที่วิ่งผ่านใจกลาง “การกระตุ้นด้วยแสงเริ่มต้นนั้นเร็วมาก – มันเหมือนกับว่าคนคนหนึ่งเปลี่ยนตำแหน่งกะทันหัน” Biasin อธิบาย “แล้วคนรอบข้างก็ตอบสนองและจัดเรียงตัวใหม่ แต่พวกเขาไม่ได้เคลื่อนไหวพร้อมกันทั้งหมด การเปลี่ยนแปลงบางอย่างเกิดขึ้นเกือบจะทันที ในขณะที่บางอย่างใช้เวลานานกว่ามาก”

ใน PCET นักวิจัยสังเกตเห็นว่าการกระจายตัวของอิเล็กตรอนเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก แต่การเคลื่อนที่ของโปรตอนและการจัดเรียงตัวใหม่ของน้ำที่ล้อมรอบโมเลกุลใช้เวลานานกว่า

“ประเด็นสำคัญคือโมเลกุลและสภาพแวดล้อมของมันตอบสนองต่อกันและกันอย่างต่อเนื่อง” Biasin กล่าว

PCET และการออกแบบแบตเตอรี่

แม้ว่างานวิจัยนี้ส่วนใหญ่จะเป็นพื้นฐาน — กล่าวคือ เป็นความรู้เพื่อความรู้ — แต่อาจมีนัยยะในทางปฏิบัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาการอนุรักษ์พลังงานและการจัดเก็บพลังงาน การทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุล อาจช่วยให้วิศวกรปรับปรุงประสิทธิภาพและการออกแบบแบตเตอรี่แบบไหล (flow batteries) เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cells) และตัวเร่งปฏิกิริยา (catalysts) ได้ในอนาคต

ที่มา: Discover Magazine