เลเซอร์จากเซลล์สิ่งมีชีวิต

 

             ในการ์ตูนหรือภาพยนตร์ที่เกี่ยวกับยอดมนุษย์ ตัวละครจะมีความสามารถพิเศษต่างๆ มากมาย ความสามารถยอดฮิตที่เหล่ายอดมนุษย์มักมีติดตัวคือ ท่ายิงเลเซอร์ ไม่ว่าจะเป็นยิงจาตา ปล่อยจากฝ่ามือ หรือจากส่วนอื่นๆ ของร่างกาย

              ในความเป็นจริงการที่ร่างกายหรือเซลล์ของสิ่งมีชีวิตจะผลิตเลเซอร์แล้วปล่อยออกมาได้เองนั้น ยังห่างไกลจากความเป็นไปได้มากนัก แต่เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการผลิตเลเซอร์จากเซลล์สิ่งมีชีวิตเป็นครั้งแรก

              ก่อนจะกล่าวถึงการผลิตเลเซอร์จากสิ่งมีชีวิต ขออธิบายถึงหลักการทั่วไปของเลเซอร์และวิธีการผลิตเลเซอร์แบบดั้งเดิมก่อน

               แสงเลเซอร์กับแสงทั่วๆ ไปที่เราพบเห็นในชีวิตประจำวันแตกต่างกันตรงที่ แสงทั่วไป เช่น แสงจากหลอดไฟ มีแสงหลายความยาวคลื่นผสมกันอยู่ และคลื่นแสงที่เปล่งออกมามีทิศทางไม่เป็นระเบียบ แต่แสงเลเซอร์จะประกอบด้วยคลื่นแสงเพียงความยาวคลื่นเดียว มีเฟส (ลูกคลื่น) ตรงกัน คลื่นแสงเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ และมีความเข้มสูง คุณสมบัติของเลเซอร์แปล่านี้เรียกรวมๆ ว่า คุณสมบัติโคฮีเรนต์ (coherent)

             คำที่เราเรียกจนติดปากว่า "เลเซอร์"  (LASER) เป็นตัวย่อของคำว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ซึ่งหมายถึง การกระตุ้น (stimulation) ให้เกิดการปลดปล่อยแสง (emission of radiation) จากนั้นนำไปผ่านกระบวนการขยายแสง (light amplification) หรือเพิ่มความเข้ม  ซึ่งทำให้ได้แสงที่มีคุณสมบัติโคฮีเรนต์หรือแสงเลเซอร์นั่นเอง

 

การผลิตแสงเลเซอร์นั้นประกอบด้วย 3 ส่วน

 

               1.  gain medium หรือวัสดุตัวกลางที่รับการกระตุ้นให้ปลดปล่อยแสง อาจเป็นของแข็ง ของเหลว แก๊สหรือสารประกอบ

               2. laser pumping ทำหน้าที่ส่งพลังงานจากภายนอกไปยัง gain medium เพื่อทำให้อะตอมของตัวกลางอยู่ในสถานะกระตุ้น และปลดปล่อยพลังงานออกมาพร้อมๆ กัน การส่งพลังงานนี้อาจส่งในรูปของไฟฟ้า หรือแสงความเข้มสูงก็ได้

               3. laser oscillation เป็นกระบวนการเพิ่ม (amplify)  ความเข้มของกระบวนการปล่อยโฟตอนให้สูงขึ้น ทำโดยใช้กระจก 2 แผ่น สะท้อนแสงจาก gain medium ไปมา ทำให้คลื่นแสงเกิดการสั่นพ้อง จนเป็นระเบียบมากขึ้น และมีความเข้มสูงพอจะทะลุกระจกออกมาเป็นลำแสงเลเซอร์

 

เลเซอร์ชีวภาพ

 

           หากมองในธรรมชาติจะพบว่าสิ่งมีชีวิตหลายชนิดสามารถเปล่งแสงได้ด้วยตัวเอง เช่น หิ่งห้อย หรือแมงกะพรุน ซึ่งสามารถเปล่งแสงจากโปรตีนที่เซลล์ผลิตขึ้น

            โปรตีนที่ว่าคือ green fluorescent protein (GFP ) ซึ่งค้นพบครั้งแรกในแมงกะพรุน โปรตีนนี้สามารถเปล่งแสงสีเขียวเมื่อได้รับการกระตุ้นด้วยแสงสีน้ำเงิน นอกจากนี้แสงที่โปรตีนเปล่งออกมายังสามารถกระตุ้นโปรตีนตัวอื่นๆ ให้เปล่งแสงต่อไปได้ได้ด้วย

นักวิทยาศาสตร์สองคน Malte Gather และ Seok-Hyun Yun แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด จึเกิดแนวคิดในการใช้โปรตีนที่เรืองแสงได้เป็น gain medium แทน โดยนำยีน GFP ที่ผลิตโปรตีนเรืองแสงในแมงกะพรุน มาตัดต่อใส่ในเซลล์ไตของมนุษย์

             Malte Gather และ Seok-Hyun Yun ได้นำเซลล์ไตที่เรืองแสงได้ไปวางไว้ระหว่างกระจก 2 แผ่น ที่มีระยะห่างเพียง 20 ไมโครเมตร จากนั้นกระตุ้นเซลล์เพื่อให้เกิดการเรืองแสง แสงที่เปล่งออกมาจะสะท้อนไปมาระหว่างกระจก 2 แผ่น ซึ่งทำให้เกิดแสงเลเซอร์ขึ้น

             แม้แสงเลเซอร์จะเกิดขึ้นเป็นช่วงเวลาสั้นๆ เพียงเสี้ยววินาที และมีพลังงานไม่สูงนัก แต่ก็สามารถตรวจจับได้อย่างชัดเจน และที่สำคัญคือเซลล์ไตที่นำมาทดลองนั้นไม่ถูกทำลายด้วยเลเซอร์ และอยู่รอดปลอดภัยจนจบการทดลอง

             การทดลองนี้เป็นการทดลองแรกๆ ที่ทำให้เซลล์สิ่งมีชีวิตผลิตเลเซอร์ออกมาได้ อย่างไรก็ตามการผลิตเลเซอร์แบบนี้ยังห่างไกลจากการปล่อยเลเซอร์จากลูกนัยน์ตาออกมาถล่มตึกแบบในภาพยนตร์มากนัก  เพราะแม้ในสิ่งมีชีวิตจะมีกระบวนการผลิตแสงได้ด้วยตัวเองแต่ยังขาดกระบวนการในการขยายแสง

 

             งานวิจัยนี้ไม่ได้มุ่งเน้นที่จะทำให้สิ่งมีชีวิตปล่อยเลเซอร์ออกมาได้อย่างในภาพยนตร์ แต่เป็นนี้พื้นฐานในการผลิตเลเซอร์แบใหม่ๆ เพราะโปรตีนเรืองแสงมีจุดเด่นตรงที่มีความสามารถอัตราการเปลี่ยนพลังงานที่ใช้กระตุ้นไปเป็นแสงได้สูงกว่าตัวกลางแบบอื่นๆ นอกจากนี้การใช้โปรตีนซึ่งเป็นสารชีวภาพอาจสามารถนำไปใช้ในแง่ของการตรวจวินิจฉัยระดับเซลล์ หรือการรักษาเซลล์มะเร็งได้อย่างปลอดภัยกว่า

 

อ้างอิง + เพิ่มเติม

 

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2011.99.html#/supplementary-information

http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/illpres.html

http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/285/19/laser/k07.htm