แนะนำห้องปฏิบัติการ ของ
ศาสตราจารย์ ดร. พิมพ์ใจ ใจเย็น
|
สาขางานวิจัย |
หัวข้องานวิจัย |
|
Enzyme Catalysis/Mechanism
Enzyme Engineering
Biocatalysis
Biorefinery/Bioenergy
Biosensor
Bioreporter
Synthetic Biology
Drug Discovery |
Discovery of new enzymes and new mechanisms
Production of valuable chemicals and energy from biomass
Novel bioreporter and biosensor for biomedical applications
Finding new anti-malarial drugs from enzyme inhibition |
การศึกษากลไกการทำงานของเอนไซม์
เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความสำคัญต่อการทำงานต่างๆภายในเซลล์ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องอาศัยเอนไซม์ในการเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นเอนไซม์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เอนไซม์ส่วนใหญ่เป็นสารประเภทโปรตีน ซึ่งมีการขดม้วนตัวเป็นโครงสร้างสามมิติ มีบริเวณที่เป็นที่จับของสารตั้งต้นและเป็นบริเวณที่เกิดของปฏิกิริยา (active site) และมีตัวช่วยเร่งปฏิกิริยา หรือ cofactor ที่ช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดได้อย่างเหมาะสม |
เอนไซม์มีประโยชน์ต่อการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมหลายประเภท เนื่องจากปฏิกิริยาที่ใช้เอนไซม์เป็นตัวเร่งสามารถเกิดได้โดยใช้พลังงานกระตุ้น ที่น้อยกว่าปฏิกิริยาที่เกิดโดยไม่ได้ใช้เอนไซม์ ทำให้ปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้เร็วกว่ามาก นอกจากนั้นปฏิกิริยาสามารถเกิดได้อย่างจำเพาะ ได้ผลผลิตอย่างถูกต้องตามที่ต้องการ อุตสาหกรรมสมัยใหม่หลายประเภทในประเทศที่พัฒนาแล้ว ได้ประยุกต์ใช้เอนไซม์ในขั้นตอนผลิตสารเคมีที่มีมูลค่าสูง เนื่องใช้สามารถลดต้นทุนจากการใช้้พลังงานที่น้อยกว่าในกระบวนการผลิต ลดปริมาณการใช้สารเคมีอันตราย และลดการปล่อยขยะเคมีในสิ่งแวดล้อม
นอกจากนี้การเข้าใจกลไกการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ ที่มีความสำคัญต่อการดำรงชีวิตของเชื้อโรค จะสามารถนำไปสู่การคัดเลือกหาตัวยับยั้งปฏิกิริยา ที่อาจนำไปสู่การค้นพบยารักษาโรคตัวใหม่
เทคนิคที่ใช้ในการศึกษากลไกปฏิกิริยาของเอนไซม์
การศึกษากลไกปฏิกิริยาของเอนไซม์ต้องอาศัยศาสตร์หลายแขนงประกอบกันอย่างบูรณาการ ทั้งทางด้านชีวเคมี เคมีเชิงฟิสิกส์ เคมีอินทรีย์และ ชีววิทยาโมเลกุล เพื่อให้มีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งว่า ขั้นตอนต่างๆของปฏิกิริยาเคมีเป็นอย่างไร อาทิเช่น การวัดค่าคงที่ทางอุณหพลศาสตร์ (themodynamics) และทางจลนพลศาสตร์ (kinetics) ของปฏิกิริยา การวัดคุณสมบัติทางแสงที่เปลี่ยนไปของปฏิกิริยาด้วยเทคนิค absorbance, fluorescence, electron praramagenetic spectroscopy การศึกษาบทบาทหน้าที่ของกรดอะมิโนในเอนไซม์ต่อการเร่งปฏิกิริยา โดยใช้เทคนิค site-directed mutagenesis เพื่อทำการเปลี่ยนกรดอะมิโนที่คาดว่ามีความสำคัญต่อการเร่งปฏิกิริยาไปเป็นกรดอะมิโนตัวอื่น แล้วทำการเปรียบเทียบข้อมูลทั้งทางด้านจลนพลศาสตร์และโครงสร้างของเอนไซม์ เพื่อที่จะเข้าใจถึงหน้าที่ของกรดอะมิโนตัวนั้นในการเร่งปฏิกิริยา
นอกจากนี้ทางกลุ่มวิจัยเป็นกลุ่มวิจัยเดียวในประเทศสามารถศึกษาเทคนิคเฉพาะหลายอย่างที่จำเป็นต่อการเข้าใจกลไกปฏิกิริยาของเอนไซม์ เช่น
- จลนพลศาสตร์ก่อนสภาวะคงตัว (pre-steady kinetics) การศึกษา pre-steady state kinetics ของปฏิกิริยาโดยใช้เครื่อง Stopped-flow spectrometer และเครื่อง Rapid quench flow ทำให้สามารถติดตามการทำงานของเอนไซม์ได้อย่างรวดเร็ว ตั้งแต่ 0.002 s เป็นต้นไป ทำให้เราสามารถเห็นการเปลี่ยนแปลงทางเคมี และคุณสมบัติทางการดูดกลืนและการเรืองแสงของปฏิกิริยา ตั้งแต่เอนไซม์และ substrate เริ่มจับกัน จะทำให้ได้ข้อมูลด้านอัตราเร็วของปฏิกิริยาในแต่ละขั้นตอน
- การศึกษาผลของไอโซโทปต่อจลนพลศาสตร์ (Kinetic isotope effect): การศึกษาผลของไอโซโทปต่อการแตกของพันธะในปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ (primary kinetic isotope effect) หรือผลของไอโซโทปตัวทำละลาย (solvent kinetic isotope effect) สามารถใช้ระบุการสร้างหรือการแตกของพันธะที่สำคัญในขั้นกำหนดปฏิกิริยา (rate-determining step) และทำให้เข้าใจว่าการเคลื่อนย้ายอะตอมใดที่มีความสำคัญต่อการเกิดปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์
กลุ่มวิจัยของศาสตราจารย์ พิมพ์ใจ ใจเย็น ศึกษากลไกการทำงานของเอนไซม์กลุ่มออกซิโดรีดักเทส และอัลโดเลสอยู่เกือบ 20 ชนิด โดยแบ่งกลุ่มของเอนไซม์ที่กำลังศึกษาออกเป็น 4 กลุ่ม ตามความสามารถในการประยุกต์ใช้ ดังนี้
- เอนไซม์ที่มีประโยชน์ในการเร่งปฏิกิริยาการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ทางยาหรือสารเคมีที่มีมูลค่าสูง (Enzymes for biocatalysis applications)
เอนไซม์เหล่านี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพที่ช่วยให้กระบวนการผลิตใช้เทคโนโลยีสะอาด เนื่องเอนไซม์สามารถช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดได้อย่างจำเพาะและสามารถเกิดได้ในน้ำ จึงลดปริมาณการใช้ตัวทำละลายและสารเคมีที่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม ได้แก่
- เอนไซม์ para-hydroxyphenylacetate hydroxylase (HPAH) (ดูรายละเอียดเพิ่มเติม)
เป็นเอนไซม์ที่มีความจำเพาะในการเติมหมู่ไฮดรอกซิลเข้ากับสารประกอบอะโรมาติกที่ตำแหน่ง ortho ปฏิกิริยานี้มีประโยชน์ต่อปฏิกิริยาการสังเคราะห์ยาตระกูลแคททีโคลามีน (catecholamines) ซึ่งเป็นยารักษาโรคเกี่ยวกับระบบประสาท
- เอนไซม์ pyranose 2-oxidase (ดูรายละเอียดเพิ่มเติม)
เป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของน้ำตาลกลูโคสหรือกาแลคโทสอย่างจำเพาะที่คาร์บอนตำแหน่งที่สอง ปฏิกิริยาของเอนไซม์ pyranose 2- oxidase มีประโยชน์ในการสังเคราะห์น้ำตาลเทียม และสารประกอบน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบทางยาที่มีมูลค่าสูง
- เอนไซม์ที่มีประโยชน์ในกระบวนการเปลี่ยนผลผลิตเหลือใช้จากการเกษตรให้เป็นสารเคมีหรือพลังงานที่มีประโยชน์ (Enzymes for biorefinery process) เนื่องจากแหล่งปิโตรเคมีในโลกกำลังจะหมดไป การพัฒนากระบวนการผลิตสารเคมีที่มีสารตั้งต้นจากภาคอุตสาหกรรมการเกษตรโดยเฉพาะจากผลผลิตเหลือใช้ จะช่วยลดการพึ่งพาอุตสาหกรรมปิโตรเลียม เพิ่มความยั่งยืนของภาคการผลิตในประทศไทย และเป็นแหล่งพลังงานทางเลือก
เนื่องจากประเทศไทยมีผลิตภัณฑ์เหลือใช้จากภาคการเกษตรค่อนข้างมาก กลุ่มวิิจัยของศาสตราจารย์ พิมพ์ใจ ใจเย็น ศึกษาการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซมออกซิโดรีดักเทสและอัลโดเลสอยู่หลายตัว ที่สามารถประยุกต์ใช้ในกระบวนการเปลี่ยนผลผลิตเหลือใช้จากการเกษตร เช่น สามารถเปลี่ยนอนุพันธ์ของ lignocellulose ให้เป็นสารเคมีที่ใช้ประโยชนได้เช่น อนุพันธ์พลาสติกชีวภาพ (bioplastic) เอนไซม์ที่สำคัญต่อกระบวนการผลิตก๊าซชีวภาพ (biogas) และเอนไซม์ที่เปลี่ยนพลังงานศักย์เคมีของสารชีวมวลเช่นนำ้ตาลเป็นพลังงานไฟฟ้า
- เอนไซม์ที่มีประโยชน์ในการประยุกต์ใช้เป็นตัวตรวจวัดชีวภาพ (Enzymes for bioreporter applications)
เอนไซม์ในกลุ่มนี้ที่ศึกษาอยู่ ได้แก่ เอนไซม์ luciferase จากเชื้อแบคทีเรีย Vibrio campbellii และ Photobacterium leiognathi ที่แยกได้จากทะเลไทย สามารถเร่งปฏิกิริยาการเรืองแสง มีประโยชน์ในการใช้เป็นเครื่องมือในการตรวจวัดและการวินิจฉัย ปริมาณการแสดงออกของยีน ทางกลุ่มวิจัยอยู่ในระหว่างการสร้าง reporter gene เพื่อใช้สำหรับตรวจวัดการแสดงออกของยีนสำหรับเซลล์สัตว์ชั้นสูงและเซลล์แบคทีเรีย (ดูรายละเอียดเพิ่มเติม) และเอนไซม์ออกซิโดรีดักเทส เช่น pyranose 2-oxidase pyranose dehydrogenase หรือ flavin reductase ที่สามารถเร่งปฏิกิริยาการรับส่งอิเลคตรอน ทำให้สามารถตรวจจับสารเคมี โดยการวัดสัญญานไฟฟ้า
- เอนไซม์ที่เป็นเป้าหมายใหม่สำหรับยาต้านเชื้อมาลาเรีย (Enzymes for malarial drug target) เอนไซม์ serine hydroxymethyl transferase มีความสำคัญต่อการดำรงชีวิตของเชื้อมาลาเรีย การศึกษากลไกการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ตัวนี้เพื่อคัดเลือกหาตัวยับยั้งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพ อาจสามารถนำไปสู่การค้นพบยาต้านมาลาเรียตัวใหม่ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติม)
|