บทความวิจัยโดย รศ. ดร.ธีระพงษ์ พวงมะลิ และคณะ
“คาร์บอนควอนตัมดอท…อนุภาคจิ๋วสำหรับตรวจวัดนิวคลีโอเบสที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงเหนือพันธุกรรม”
ดีเอ็นเอเมทิลเลชัน (DNA methylation) เป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงเหนือพันธุกรรมของยีน (Epigenetics) ที่เกิดขึ้นในระดับเซลล์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ไม่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลำดับเบสบนสายดีเอ็นเอ แต่ทำให้เกิดการเติมหมู่เมทิลที่ตำแหน่งเบสไซโทซีน (cytosine; C) บนสายดีเอ็นเอ โดยเรียกเบสที่ถูกเติมหมู่เมทิลนี้ว่า 5-เมทิลไซโทซีน (5-methylcytosine; 5-mC) กระบวนการนี้มีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงระดับเซลล์ และมีผลสำคัญต่อการควบคุมการเจริญเติบโตของเซลล์ มักเกี่ยวข้องกับการเกิดโรคหลายชนิด เช่น โรคมะเร็ง เป็นต้น การแยกความแตกต่างระหว่างเบสที่มีการเติมหมู่เมทิลและไม่มีการเติมหมู่เมทิลนั้นเป็นสิ่งค่อนข้างท้าทาย เนื่องจากโมเลกุลทั้งสองมีความแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย การพัฒนาวัสดุนาโนที่สามารถแยกความแตกต่างระหว่างโมเลกุลทั้งสองนี้ได้ จึงเป็นจุดเริ่มต้นที่สำคัญในการต่อยอดการพัฒนาเป็นไบโอเซนเซอร์สำหรับตรวจคัดกรองโรคที่มีความเกี่ยวข้องกับกระบวนการเปลี่ยนแปลงเหนือพันธุกรรมที่เกิดขึ้นในมนุษย์
ในงานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นสังเคราะห์วัสดุนาโนประเภทคาร์บอนควอนตัมดอท (Carbon quantum dots) และพัฒนาเซนเซอร์เพื่อตรวจวัดโมเลกุลไซโทซีน และ 5-เมทิลไซโทซีน โดยอาศัยสมบัติการเรืองแสงฟลูออเรสเซนต์ของคาร์บอนควอนตัมดอท โดยเมื่อคาร์บอนควอนตัมดอททำอันอันตรกริยากับโมเลกุลไซโทซีน พบว่าสเปกตรัมการเปล่งแสงฟลูออเรสเซนต์มีการเลื่อนไปในทิศทางความยาวคลื่นที่ลดลง (blue-shift) และมีความเข้มแสงเพิ่มขึ้น ในทางกลับกันเมื่อคาร์บอนควอนตัมดอททำอันตรกริยากับ 5-เมทิลไซโทซีนส่งผลให้ความเข้มแสงฟลูออเรสเซนต์ลดลง ด้วยสมบัติเชิงแสงที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้คาร์บอนควอนตัมดอทสามารถตรวจวัดโมเลกุลทั้งสองได้พร้อม ๆ กัน นอกจากนี้มีการทดสอบเซนเซอร์ในปัสสาวะ ซึ่งจากการศึกษาพบว่าสามารถตรวจวัดโมเลกุลทั้งสองได้ในปัสสาวะอย่างจำเพาะและแม่นยำ เพื่อศึกษาสมบัติเชิงแสงของคาร์บอนควอนตัมดอทเมื่อเกิดอันตรกิริยากับโมเลกุลไซโทซีนและ 5-เมทิลไซโทซีน ทีมนักวิจัยได้ศึกษาสมบัติเชิงแสงของคาร์บอนควอนตัมดอทด้วยการจำลองเชิงคอมพิวเตอร์ด้วยทฤษฎีฟังก์ชันนอลความหนาแน่น (Density functional theory) เพื่อศึกษากลไกเชิงแสงที่เกิดขึ้นเมื่อคาร์บอนควอนตัมดอทเกิดอันตรกิริยากับทั้งสองโมเลกุล และสุดท้ายในงานวิจัยนี้ได้ประยุกต์การเรียนรู้ด้วยเครื่อง (Machine learning) เพื่อวิเคราะห์ปริมาณ 5-เมทิลไซโทซีนในตัวอย่างจากภาพถ่ายบนมือถือโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติม (Machine learning-assisted smartphone) ซึ่งจุดเด่นของงานวิจัยนี้ คือ วิธีการสังเคราะห์คาร์บอนควอนตัมดอทที่ง่าย รวดเร็ว ต้นทุนถูก และสามารถตรวจวัดโมเลกุลไซโทซีน และ 5-เมทิลไซโทซีนได้พร้อม ๆ กันอย่างมีประสิทธิภาพ รวมทั้งการประยุกต์ Machine learning ร่วมในการวิเคราะห์จึงทำให้ง่ายต่อการประยุกต์ใช้งานจริง
คลิกเพื่ออ่านบทความวิจัยฉบับเต็ม
