การทำนายจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์กลุ่มไกลโคซิเดสด้วยเทคนิคการเรียนรู้ของเครื่อง โดยอาศัยตัวบ่งชี้ทางโมเลกุลและคุณสมบัติทางเคมีกายภาพของเอนไซม์และสารตั้งต้น

ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

เมธิน โฆษิตชุติมา, สุรภา ปัญจภักดี, ติสรณ์ ณ พัทลุง

อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์

บัณฑิต บุญยฤทธิ์, ธนศานต์ นิลสุ

โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์

โรงเรียนกำเนิดวิทย์

ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

พ.ศ. 2564

บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์

ไกลโคซิเดส (glycosidase) หรือไกลโคไซด์ไฮโดรเลส (glycoside hydrolase) จัดเป็นกลุ่มของเอนไซม์ประเภทไฮโดรเลส ที่ทำหน้าที่ย่อยสารชีวโมเลกุลประเภทคาร์โบไฮเดรตในรูปแบบโมเลกุลน้ำตาลเชิงซ้อน ให้เป็นโอลิโกแซ็กคาไรด์ น้ำตาลโมเลกุลคู่ หรือน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว โดยการสลายพันธะไกลโคไซด์ (glycosidic bond) เอนไซม์กลุ่มนี้เป็นหนึ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพที่นิยมใช้ในการเร่งปฏิกิริยาเคมีเพื่อการย่อยสลายทางชีวภาพในอุตสาหกรรมเคมีและพลังงานทางเลือก และมีส่วนสำคัญอย่างมากต่อการแปรรูปอาหารในอุตสาหกรรมอาหารต่าง ๆ ในกระบวนการผลิตเอนไซม์จะมีการปรับปรุงคุณภาพ โดยการใช้กระบวนการดัดแปลงเอนไซม์หรือเทคนิคทางวิศวกรรมเอนไซม์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเอนไซม์ และเหมาะสมในการนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมที่มีความจำเพาะเจาะจงสูง สำหรับวิศวกรรมเอนไซม์เป็นกระบวนการปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของเอนไซม์โดยอาศัยลำดับกรดอะมิโน เพื่อให้สอดคล้องกับความต้องการใช้งานด้านต่าง ๆ โดยสามารถเร่งการเกิดปฏิกิริยาให้ดียิ่งขึ้น มีความจำเพาะเจาะจงกับสารตั้งต้นมากขึ้น มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีขึ้นในอุณหภูมิต่าง ๆ หรือมีคุณสมบัติการละลายที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น เป็นต้น แต่อย่างไรก็ดี เทคนิคทางวิศวกรรมเอนไซม์ยังต้องอาศัยการทดลองในห้องปฏิบัติการที่ต้องใช้งบประมาณมหาศาล เพื่อปรับเปลี่ยนกรดอะมิโนบนเอนไซม์ให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการ นอกจากนี้ ยังมีความซับซ้อนในการปรับปรุงคุณภาพของเอนไซม์เพื่อให้เกิดการกลายพันธุ์ (mutagenesis) ในปัจจุบัน การใช้วิธีการทางคอมพิวเตอร์จึงเข้ามามีบทบาทมากยิ่งขึ้น เช่น การจำลองพลวัตเชิงโมเลกุล เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยการทำนายความน่าจะเป็นของกลไกการเกิดปฏิกิริยาเคมี ซึ่งจะช่วยลดต้นทุน และลดความซับซ้อนในปรับปรุงคุณภาพเอนไซม์ได้ แต่วิธีการจำลองพลวัตเชิงโมเลกุลนี้เป็นการพิจารณาเพียงตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์เท่านั้น แต่ไม่ได้คำนึงถึงตัวแปรทางจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์ ดังนั้น วิธีการเรียนรู้ของเครื่องจึงเข้ามามีส่วนช่วยในการทำนายค่าจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์ที่มีความซับซ้อนในเมแทบอลิซึมของเซลล์ในแต่ละสิ่งมีชีวิต และสร้างความเข้าใจต่อการทำงานของเอนไซม์ได้ดียิ่งขึ้น

จากปัญหาที่ได้กล่าวมาข้างต้น ผู้พัฒนาจึงสนใจที่จะพัฒนาโมเดลการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อทำนายค่าจลนพลศาสตร์ (Km และ kcat) ของเอนไซม์กลุ่มไกลโคซิเดส โดยอาศัยคุณสมบัติทางเคมีกายภาพของสารตั้งต้นและเอนไซม์ร่วมกับตัวบ่งชี้ทางโมเลกุล ซึ่งผู้พัฒนาสนใจทั้งเอนไซม์กลุ่มไกลโคซิเดสที่ไม่มีการกลายพันธุ์ และที่มีการกลายพันธุ์ โดยโมเดลที่พัฒนาขึ้นนี้จะเป็นเครื่องมือที่ช่วยในการตัดสินใจการดัดแปลงเอนไซม์หรือการทำวิศวกรรมเอนไซม์ ซึ่งสามารถช่วยลดความผิดพลาด รวมถึงต้นทุน และระยะเวลาในการปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของเอนไซม์ด้วยวิธีวิศวกรรมเอนไซม์ในห้องปฏิบัติการ นอกจากนี้ยังเป็นประโยชน์ต่ออุตสาหกรรมอาหารและพลังงานทางเลือกที่มีการใช้เอนไซม์กลุ่มไกลโคซิเดสได้อีกด้วย