Home About Courses Research Publications
 
Visited : 41850
 
 
 
 Computational Chemistry
        เคมีคำนวณ หรือ เคมีเชิงคอมพิวเตอร์ (computational chemistry) เป็นวิชาเคมีแขนงหนึ่งที่มีการนำเอาคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูงมาใช้ในการศึกษาทางทฤษฎี ซึ่งเป็นการคำนวณโครงสร้างและสมบัติต่าง ๆ ของโมเลกุลโดยอาศัยหลักการที่ว่าสมบัติที่คำนวณได้นี้ขึ้นกับโครงสร้าง 3 มิติของโมเลกุล การศึกษานี้เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า แบบจำลองเชิงโมเลกุล (molecular modeling) ผลการคำนวณที่ได้จากการศึกษาทางเคมีเชิงคอมพิวเตอร์นี้ จะใช้ในการอธิบายผลการทดลองในห้องปฏิบัติการซึ่งเป็นการอธิบายในระดับโมเลกุล รวมถึงการทำนายผลการทดลองที่ไม่สามารถทำได้หรือทำได้ยากในห้องปฏิบัติการ นอกจากนี้ผลการคำนวณทางทฤษฎียังใช้เป็นข้อมูลพื้นฐานที่ช่วยลดขอบเขตการทดลองในห้องปฏิบัติการ เช่น การสกัดยาจากสมุนไพรอาจจะได้โมเลกุลของสารที่คาดว่าจะเป็นตัวยาจำนวนหลายชนิด หากต้องนำสารทุกชนิดที่สกัดได้ไปทดสอบฤทธิ์ทางชีวภาพว่าสามารถรักษาโรคได้หรือไม่นั้น จะต้องใช้ระยะเวลาและต้นทุนในการทดสอบสูงมาก ดังนั้นหากนำเทคนิคทางเคมีเชิงคอมพิวเตอร์เข้ามาช่วยในการคัดสรรเฉพาะสารที่คาดว่าจะเป็นตัวยาจริง ๆ จะสามารถลดจำนวนสารให้เหลือไม่กี่ชนิดที่จะนำไปทดสอบฤทธิ์ทางชีวภาพต่อไปได้ อย่างไรก็ตาม การศึกษาทางเคมีเชิงคอมพิวเตอร์หรือแบบจำลองโมเลกุลนี้ไม่สามารถทดแทนการศึกษาในห้องปฏิบัติการได้

        ข้อมูลที่ได้จากการศึกษาทางเคมีเชิงคอมพิวเตอร์นั้น ส่วนใหญ่เป็นข้อมูลเกี่ยวกับสมบัติทางโครงสร้างและพลังงานของระบบที่เป็นอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลที่สนใจศึกษา เทคนิคหรือวิธีการคำนวณในการศึกษาทางเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ ที่สำคัญได้แก่
        1. การจำลองแบบทางคอมพิวเตอร์ (Computer simulation)
        เป็นการศึกษาโครงสร้างเฉลี่ยหรือโครงสร้างที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาของระบบที่สนใจศึกษา การจำลองแบบทางคอมพิวเตอร์มีอยู่ 2 วิธี คือ การจำลองแบบทางพลวัตเชิงโมเลกุล (molecular dynamics simulation, MD) และการจำลองแบบโดยวิธีมอนติ คาร์โล (Monte Carlo simulation, MC) ตัวอย่างการศึกษาโครงสร้างของ glucocorticoid receptor กับ DNA โดยวิธีการจำลองแบบทางพลวัตเชิงโมเลกุลแสดงดังรูป
 
ภาพแสดงการยึดจับกันของ glucocorticoid receptor กับ DNA ที่ได้จากการจำลองทางพลวัตเชิงโมเลกุล (ภาพจาก L. Nilsson et al. Biophys. J. 68, 402–426, 1995) 
 
 
        2. การหาโครงสร้างเสถียร (Optimization) และคำนวณพลังงาน (Energy) ของโมเลกุล
        เป็นปรับเปลี่ยนโครงสร้างของโมเลกุลเพื่อให้ได้โครงสร้างที่มีพลังงานต่ำที่สุดหรือเสถียรที่สุด โดยการคำนวณพลังงานของแต่ละโครงสร้างจะใช้วิธีทางกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) ซึ่งเป็นวิธีที่มีความถูกต้องสูงแต่จะใช้เวลาในการคำนวณนานมาก จึงเหมาะกับระบบที่ประกอบด้วยจำนวนอะตอมไม่มากนัก สำหรับระบบที่ประกอบด้วยโมเลกุลหรืออะตอมจำนวนมากจะใช้การคำนวณโดยวิธีกลศาสตร์โมเลกุล (Molecular mechanics) ซึ่งใช้เวลาในการคำนวณน้อยแต่ก็มีความถูกต้องต่ำกว่าวิธีกลศาสตร์ควอนตัม
 
ภาพแสดงออร์บิทัลเชิงโมเลกุลสูงสุดที่มีการบรรจุอิเล็กตรอน (HOMO) ของเบสอะดินีนที่มีแกนหลักเป็นหมู่เปปไทด์นิวคลีอิกแอซิด ซึ่งได้จากการคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัม (ภาพจาก คัชรินทร์ ศิริวงศ์, ว. วิทย. มข. 35, 28–36, 2550) 
 
 
        3. การออกแบบโมเลกุล (Molecular design)
        เป็นการออกแบบโมเลกุลใหม่เพื่อให้มีคุณสมบัติตามต้องการ เช่น การออกแบบโมเลกุลของยา (drug design) โดยเทคนิคที่นิยมใช้ ได้แก่ วิธีโมเลกุลาร์ด็อกกิง (molecular docking) ซึ่งเป็นการศึกษาการเข้ายึดจับกันและศึกษาอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลยากับตำแหน่งกัมมันต์ (active site) ของโมเลกุลเป้าหมาย (เช่น ดีเอ็นเอ โปรตีน และเอนไซม์) และวิธีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้าง 3 มิติของโมเลกุลยากับการออกฤทธิ์ (3D quantitative structure-activity relationships, 3D QSAR)
 
ภาพแสดงการยึดจับกันของ HIV protease กับโมเลกุลตัวยับยั้งที่ได้จากวิธี Molecular Docking (ภาพโดยโปรแกรม DS Viewer Pro 5.0 โดยใช้โครงสร้างโมเลกุลจากตัวอย่างที่มีมากับโปรแกรม) 
 
 
 
 
 
 
Department of Chemistry, Faculty of Science, Khon Kaen University Designed and created by Kitisak Poopasit