ดีเอ็นเอ และวิทยาศาสตร์พันธุกรรม

งานนำเสนอเรื่อง: "ดีเอ็นเอ และวิทยาศาสตร์พันธุกรรม"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 ดีเอ็นเอ และวิทยาศาสตร์พันธุกรรม
วิชา วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ มณฑารพ ยมาภัย

2 หัวข้อการบรรยาย ดีเอ็นเอกับชีวิต (3 ชม) วิทยาศาสตร์พันธุกรรม (3 ชม)
ดีเอ็นเอกับชีวิต (3 ชม) DNA โมเลกุลแห่งชีวิต เซล โครงสร้างและหน้าที่ของ DNA การถอดรหัสจาก DNA ไปเป็นโปรตีน การสืบพันธุ์ การแบ่งเซล และการจำลองตัวของ DNA วิทยาศาสตร์พันธุกรรม (3 ชม) พันธุวิศวกรรม, PCR, การตรวจเอกลักษณ์ด้วย DNA, ยีโนมมนุษย์ GMO เทคโนโลยีดีเอ็นเอกับชีวิตในปัจจุบันและอนาคต วิธีการสกัดดีเอ็นเออย่างง่ายที่บ้าน

3 สิ่งมีชีวิตทุกชนิด (ยกเว้นไวรัสบางชนิด) ต้องมี ดีเอ็นเอ ข้อนี้เป็นความจริงที่เราทุกคนอาจไม่เคยสนใจหรือนึกไม่ถึงมาก่อน

4 DNA DEOXYRIBONUCLEIC ACID
ดีเอ็นเอ เป็นตัวย่อคําภาษาอังกฤษของสารหรือโมเลกุลที่ชื่อว่า deoxyribonucleic acid โดยเอาตัว d n และ a มารวมกันเข้าเป็น d-n-a จึงดูออกจะไกลตัวเราไปสักหน่อย เหตุที่ ดีเอ็นเอ เป็นสารสําคัญที่ต้องมีในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดนั้นก็เป็นเพราะ มันทําหน้าที่เป็น “สารพันธุกรรม”

5 “สารพันธุกรรม” “สารพันธุกรรม” เป็นตัวเก็บข้อมูลเพื่อเป็นตัวกําหนดคุณลักษณะทุกๆด้านของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ และยังมีหน้าที่ในการถ่ายทอดคุณลักษณะเฉพาะของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ จากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่งด้วย ตัวอย่างเช่นในผลมะม่วงนั้นจะมี ดีเอ็นเออยู่ในเมล็ดซึ่งเมื่อเมล็ดนี้อยู่ในสภาพที่จะเจริญงอกงามออกเป็นต้นต่อไปได้ สาร ดีเอ็นเอที่อยู่ในเมล็ดนี้แหละที่มีหน้าที่สําคัญในการที่จะกําหนดว่าต้นที่จะเกิดขึ้นจากเมล็ดมะม่วงคือต้นมะม่วง และจะเป็นต้นส้มหรือต้นอื่นไปไม่ได้ เช่นเดียวกับดีเอ็นเอที่อยู่ในเมล็ดส้มก็จะเป็นตัวกําหนดว่าต้นที่เกิดจากต้นส้มจะต้องโตไปเป็นต้นส้มเท่านั้น

6 ความจริงข้อนี้เป็นพื้นฐานของชีวิตตั้งแต่ดึกดําบรรพ์เมื่อครั้งโลกมนุษย์ได้ถูกสร้างขึ้นมาตั้งแต่ ราว 4.6 พันล้านปีมาแล้ว ในครั้งที่ในโลกนี้ยังมีแต่สิ่งมีชีวิตเซลเดียวซึ่งมีดีเอ็นเอเป็นส่วนประกอบสําคัญอยู่ จากนั้นจึงค่อยพัฒนาขึ้นมาตามลําดับจนเป็น พืช สัตว์ และมนุษย์ที่เห็นกันอยู่ในปัจจุบัน ดังนั้นจึงเห็นได้ว่า ดีเอ็นเอเป็นโมเลกุลพื้นฐานของชีวิตที่มีอยู่คู่โลกมนุษย์มานานแล้ว

7 ความเข้าใจกลไกการทํางานของ ดีเอ็นเอในการทําหน้าที่เป็นสารพื้นฐานในการกําหนดลักษณะและถ่ายทอดพันธุกรรมของชีวิตนั้นเพิ่งจะเริ่มเป็นที่ประจักชัดเมื่อราวสิบกว่าปีมานี้เอง โดยจุดเริ่มต้นของการค้นพบที่สําคัญที่นําไปสู่วิทยาการความรู้ที่ลึกซึ้งในปัจจุบันนี้ก็คือการค้นพบโครงสร้างของดีเอ็นเอโดย วัสสัน และ คริกส์ ซึ่งได้ลงตีพิมพ์ในวารสาร nature เมื่อปี ค.ศ หรือปี พ.ศ ซึ่งในปีที่ 2547 ที่ผ่านมาก็ได้มีการฉลองการค้นพบโครงสร้างของ ดีเอ็นเอ ครบรอบ 50 ปีกันไปอย่างยิ่งใหญ่โดยเฉพาะในหมู่นักวิทยาศาสตร์ชีวภาพ การค้นพบนี้มีความสําคัญในการช่วยให้มนุษย์เข้าใจกลการทํางานของดีเอ็นเอในการเป็นสารพันธุกรรมและทําหน้าที่กําหนดชีวิตของทุกชีวิตบนพื้นโลกอย่างละเอียดลงไปในระดับอณู เพราะเมื่อเห็นโครงสร้างแล้วก็เหมือนกับว่าได้เห็นดีเอ็นเอด้วยตาจึงสามารถอธิบายปรากฏการต่างๆในเซลที่เกี่ยวกับดีเอ็นเอได้ดีขึ้นเช่น การจําลองตัวของดีเอ็นเอขึ้นมาใหม่จากตัวเก่าก่อนการแบ่งเซล หรือการถอดรหัสของดีเอ็นเอออกเป็นโปรตีนที่มีหน้าที่ในเป็นโครงสร้างและควบคุมการทํางานต่างๆในเซล นอกจากนั้นแล้วยังนําไปสู่การกําเนิดของเทคโนโลยีพันธุวิศวกรรม (genetic engineering) ซึ่งเป็นพื้นฐานสําคัญของเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ ดังที่จะได้กล่าวถึงต่อไป การค้นพบที่ยิ่งใหญ่นี้จึงมีผลให้นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองท่านได้รับรางวัลโนเบิลไปในปี พ.ศ. 2505

8 หลวงพ่อ Gregor Mendel, ค.ศ. 1865
อันที่จริงแล้วเป็นเวลานานหลายสิบปีก่อนที่จะรู้จัก ดีเอ็นเอ มนุษย์ได้เริ่มเรียนรู้ว่าสิ่งมีชีวิตมีสารพันธุกรรมที่เป็นตัวกําหนดลักษณะและคุณสมบัติต่างๆ ซึ่งสามารถถ่ายทอดไปยังรุ่นลูกหลานได้ แต่ในตอนแรกนั้นมนุษย์ยังไม่รู้ว่าสารนั้นแท้ที่จริงแล้วก็คือ ดีเอ็นเอ ผู้ที่ริเริ่มการศึกษาเกี่ยวกับการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต และคิดค้นกฎพื้นฐานของการถ่ายทอดกรรมพันธุ์ ซึ่งถือว่าเป็นบิดาของวิชาพันธุศาสตร์สมัยใหม่นี้คือ หลวงพ่อชาวออสเตรีย ชื่อ เกรกเกอร์ เมนเดล (Gregor Mendel) ซึ่งได้ตีพิมพ์ผลงานเมื่อปี ค.ศ ในการประชุมวิทยาศาสตร์แห่งชาติ เมือง Brunn สาธารณรัฐ เชคในปัจจุบัน แต่ผลงานของเขากลับไม่ได้รับความสนใจจนกระทั่ง เป็นเวลา 16 ปีหลังจากที่เขาได้ตายไปแล้ว คือในปีค.ศ ผลงานของเขาจึงได้ถูกนํามารื้อฟื้นใหม่ และเป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษาวิทยาศาสตร์พันธุศาสตร์โดยนักวิทยาศาสตร์หลายยุคจนมาถึงปัจจุบัน

9 ยีน (Gene) ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ
หน่วยย่อยของสารพันธุกรรมที่มีหน้าที่ในการถ่ายทอดคุณลักษณะของสิ่งมีชีวิตต่างๆ จากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่งซึ่งถูกบรรจุอยู่ในโครโมโซม เป็นตัวกําหนดลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต หลวงพ่อเมนเดลได้ทําการศึกษาการถ่ายทอดลักษณะต่างๆของต้นถั่วในสวน โดยเขาได้ตั้งทฤษฎีว่าลักษณะที่ปรากฏในต้นถั่วนั้นถูกกําหนดโดยการส่งผ่านของสารที่มองไม่เห็นที่เรียกว่า anlagen ซึ่งต่อมานักวิทยาศาสตร์ชาว เดนมาร์กชื่อ วิลแฮม โยฮันเซน Wilhelm Johannsen ได้เปลี่ยนไปเรียกชื่อสารนั้นว่า ยีน (gene) ดังนั้นจึงเห็นได้ว่าถึงแม้ เมนเดล จะเป็นบิดาแห่งวิชาพันธุศาสตร์ แต่เขาก็ไม่ได้เป็นผู้คิดค้นคําว่า ยีน ความหมายหรือคํานิยามของคําว่ายีนนั้นได้ถูกพัฒนาขึ้นมาตามลําดับ ตั้งแต่เมื่อปี ค.ศ เมื่อทฤษฎีเกี่ยวกับยีนได้ถูกคิดค้นขึ้น ในช่วงแรก ยีนหมายถึงหน่วยย่อยของสารพันธุกรรมที่มีหน้าที่ในการถ่ายทอดคุณลักษณะของสิ่งมีชีวิตต่างๆ จากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่งซึ่งถูกบรรจุอยู่ในโครโมโซม ซึ่งในปัจจุบันเป็นที่ยอมรับกันแล้วว่านอกจากจะมีหน้าที่ในการส่งผ่านลักษณะทางพันธุกรรมแล้ว ยีนยังทําหน้าที่เป็นตัวกําหนดลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต เช่นกัน ซึ่งในหลายกรณีลักษณะหนึ่งๆ อาจถูกควบคุมโดยยีนมากกว่า 1 ชนิด ดังนั้นโดยทั่วไปเราจึงอาจกล่าวถึงยีนในภาพรวมว่าเป็นลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ เช่นเด็กคนนี้ได้ยีนดีมาจากพ่อแม่ หรือวัวแม่พันธุ์ตัวนี้มียีนดีทําให้ผลิตนมได้มาก

10 ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของวิชาพันธุศาสตร์ตั้งแต่ยุคเมนเดลนั้นส่วนหนึ่งเกิดจากความก้าวหน้าในการค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับส่วนประกอบและหน้าที่ของเซลซึ่งเริ่มต้นมานานแล้ว โดยในราวกึ่งศตวรรตที่ 19 ก็ได้เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปแล้วว่า สิ่งมีชีวิต ตั้งแต่ รา จนถึงพืชและสัตว์ ประกอบด้วยหน่วยย่อยคือเซลซึ่งมีนิวเคลียสเป็นส่วนสําคัญอยู่ภายใน ซึ่งในปัจจุบันนี้ก็เป็นที่ทราบกันแล้วว่า ดีเอ็นเอ ซึ่งถือว่าเป็นสารแห่งชีวิตนั้นได้ถูกเก็บอยู่ในนิวเคลียสของเซลของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้เอง ทั้งนี้ยกเว้นแบคทีเรีย เพราะแบคทีเรียไม่มีนิวเคลียสแต่มีก็ดีเอ็นเอ ล่องลอยอยู่ภายใน

11 DNA คือ สารพันธุกรรม การค้นพบอีกอันหนึ่งซึ่งมีความสําคัญยิ่งในการทําให้มนุษย์เข้าใจความหมายของ ดีเอ็นเอกับชีวิตได้ดียิ่งขึ้นก็คือ การค้นพบว่าดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม การค้นพบนี้เกิดจากการทดลองในแบคทีเรียโดย นักแบคทีเรียวิทยา (Bacteriologist) ชื่อ Fred Griffith ในปี ค.ศ นักวิทยาศาสตร์ท่านนี้ได้ทําการศึกษา แบคทีเรียที่ทําให้เกิดโรคปอดบวมในหนู ชื่อ Pneumococci โดยพบว่า แบคทีเรียสามาถเปลี่ยนสภาพจากชนิดที่ไม่ก่อให้เกิดโรคเป็นชนิดที่ก่อให้เกิดโรคได้ และต่อมาในปี 1944 Oswald และ Avery และผู้ร่วมงานของเขาก็พบว่าสารที่ทําให้แบคทีเรียเปลี่ยนสภาพเป็นชนิดที่ก่อโรคได้นี้คือ ดีเอ็นเอ นั่นเอง นอกจากนั้นแล้วในปี ค.ศ Alfred Hershey และ Martha Chase ได้ทําการทดลองเพื่อแสดงว่า DNA คือสารพันธุกรรมของ ไวรัสที่ทําลายแบคทีเรียซึ่งเรียกว่า Bacteriophage การค้นพบครั้งนี้ทําให้เกิดการเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่า DNA คือสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ยกเว้นไวรัส บางจําพวกซึ่งมี RNA เป็นสารพันธุกรรม

12

13

14

15 ความรู้พื้นฐานที่นำไปสู่เทคโนโลยีชีวภาพ
DNA คือสารพันธุกรรม โครงสร้างของ DNA อณูชีววิทยา (molecular biology) หรือวิชาที่ว่าด้วยการศึกษาโครงสร้าง และการทํางานของสิ่งมีชีวิตในระดับโมเลกุล ถึงแม้ว่าในปี 1952 นักวิทยาศาสตร์จะรู้แล้วว่า DNA คือสารพันธุกรรม แต่ก็ยังไม่เข้าใจโครงสร้างของ DNA จนกระทั่งในปีถัดมา คือในปี 1953 ที่ Watson และ Crick สามารถถอดโครงสร้างของ DNA ออกมาได้ ดังที่ได้กล่าวข้างต้นแล้วว่าการค้นพบครั้งนี้ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสําคัญที่เป็นพื้นฐานของวิชา อณูชีววิทยา (molecular biology) หรือวิชาที่ว่าด้วยการศึกษาโครงสร้าง และการทํางานของสิ่งมีชีวิตในระดับโมเลกุล ซึ่งความก้าวหน้าในวิทยาการด้านนี้ได้ช่วยนําโลกเข้าสู่ยุค ไบโอเทค หรือ ยุคเทคโนโลยีชีวภาพ (Biotechnology) ในปัจจุบัน ในหัวข้อต่อไปจะได้อธิบายโดยย่อว่าทําไม DNA จึงได้ถือว่าเป็นโมเลกุล หรือสารแห่งชีวิต

16 ต่อจากนั้นการค้นพบอีกอันหนึ่งซึ่งมีความสําคัญยิ่งในการทําให้มนุษย์เข้าใจความหมายของ ดีเอ็นเอกับชีวิตได้ดียิ่งขึ้นก็คือ การค้นพบว่าดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม การค้นพบนี้เกิดจากการทดลองในแบคทีเรียโดย นักแบคทีเรียวิทยา (Bacteriologist) ชื่อ Fred Griffith ในปี ค.ศ นักวิทยาศาสตร์ท่านนี้ได้ทําการศึกษา แบคทีเรียที่ทําให้เกิดโรคปอดบวมในหนู ชื่อ Pneumococci โดยพบว่า แบคทีเรียสามาถเปลี่ยนสภาพจากชนิดที่ไม่ก่อให้เกิดโรคเป็นชนิดที่ก่อให้เกิดโรคได้ และต่อมาในปี 1944 Oswald และ Avery และผู้ร่วมงานของเขาก็พบว่าสารที่ทําให้แบคทีเรียเปลี่ยนสถาพเป็นชนิดที่ก่อโรคได้นี้คือ ดีเอ็นเอ นั่นเอง นอกจากนั้นแล้วในปี ค.ศ Alfred Hershey และ Martha Chase ได้ทําการทดลองเพื่อแสดงว่า DNA คือสารพันธุกรรมของ ไวรัสที่ทําลายแบคทีเรียซึ่งเรียกว่า Bacteriophage การค้นพบครั้งนี้ทําให้เกิดการเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่า DNA คือสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ยกเว้นไวรัส บางจําพวกซึ่งมี RNA เป็นสารพันธุกรรม

17 กฎแห่งชีวิต The Central Dogma
กฎแห่งชีวิตในทางอณูชีววิทยา คือกฏของการส่งผ่านข้อมูลที่เป็นตัวกําหนดชีวิต เริ่มต้น จาก DNA ไปยัง RNA ไปยัง โปรตีน (DNA RNA Protein) ในชั้นต้นกฎแห่งชีวิตได้อธิบายไว้ว่า การส่งผ่านข้อมูลในสิ่งมีชีวิตนั้นจะต้องไปเป็นในทางเดียว คือจาก DNA ไปเป็น RNA และ โปรตีนตามลําดับ และจะย้อนทางไม่ได้ เช่นไม่มีมีวิธีการใดที่จะเปลี่ยนข้อมูลที่มีอยู่โปรตีนกลับไปเป็น RNA หรือจาก RNA ไปเป็น DNA แต่หลังจากที่ความก้าวหน้าทางวิทยาการมีมากขึ้น มนุษย์พบว่ามีสิ่งมีชีวิตที่สามารถเปลี่ยนข้อมูลจาก RNA ให้เป็น DNA ได้ สิ่งมีชีวินี้คือ ไวรัสในตระกูลเดียวกับไวรัสที่ทําให้เกิดโรคเอสด์ เนื่องจากไวรัสในกลุ่มนี้มีเอ็นไซม์ชนิดพิเศษที่สิ่งมีชีวิตอื่นไม่มีที่สามารถถอดรหัสจาก RNA กลับไปเป็น DNA ได้ นอกจากนั้นแล้วยังพบว่า มี DNA บางส่วนเท่านั้นที่ถูกถ่ายทอดไปเป็น RNA และโปรตีนตามลําดับ DNA หลายส่วนมีหน้าที่เป็นเพียงตัวควบคุมการถ่ายทอด หรือไม่มีหน้าที่สําคัญใดๆ ดังนั้นจึงทําให้ต้องปรับเปลี่ยนกฎแห่งชีวิตนี้ตามไปควบคู่กับความรู้ใหม่นี้ด้วย

18 โปรตีน โปรตีนเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยคือ กรดอะมิโน มีหน้าที่เป็นโครงสร้างหลักและทําหน้าที่สําคัญต่างๆ เพื่อการดํารงอยู่ของสิ่งมีชีวิต ตั้งแต่เป็นโครงสร้างของเซล หรือร่างกาย เป็นเอ็นไซม์ที่ทําหน้าที่เร่งปฏิกิริยาต่างๆ ทั้งภายในและภายนอกเซล เป็นฮอร์โมนที่ทําหน้าที่ควบคุมการทํางานของอวัยวะต่างๆภายในเซล เป็นตัวต้านเชื้อโรค และสร้างภูมิคุ้มกันให้แก่สิ่งมีชีวิต หรือเป็นส่วนประกอบของเลือดที่ทําหน้าที่ขนถ่าย ออกซิเจนไปเลี้ยงเซลต่างๆของร่างกาย ดังนั้นจึงเห็นได้ว่า DNA เป็นเพียงตัวเก็บและส่งผ่านข้อมูล แต่โมเลกุลของสารที่ทําหน้าที่จริงๆ ในสิ่งมีชีวิตนั้นคือโปรตีน แม้กระนั้นแล้วสิ่งมีชีวิตกลับไม่สามารถใช้โปรตีนเป็นตัวเก็บข้อมูลเพื่อส่งผ่านลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นหนึ่งไปยังอีกรุ่นหนึ่งได้ แต่ต้องใช้ DNA เป็นตัวถ่ายทอด

19

20

21 ยีน (Gene) ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ
หน่วยย่อยของสารพันธุกรรมที่มีหน้าที่ในการถ่ายทอดคุณลักษณะของสิ่งมีชีวิตต่างๆ จากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่งซึ่งถูกบรรจุอยู่ในโครโมโซม เป็นตัวกําหนดลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต ส่วนของเส้น DNA ที่มีหน้าที่ในการสังเคราะห์ RNA ก่อนที่จะเปลี่ยนไปเป็นเอ็นไซม์หรือโปรตีนชนิดต่างๆเพื่อใช้ในการดํารงอยู่ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ความก้าวหน้าในการศึกษาพันธุศาสตร์สมัยใหม่ทําให้มนุษย์ได้เข้าใจกฏแห่งชีวิตดังกล่าวข้างต้นแล้วนั้น ทําให้คํานิยามของคําว่ายีนในสมัยใหม่แตกต่างจากในสมัยก่อน โดยในยุคปัจจุบันนี้ คําว่ายีนจะหมายถึง ส่วนของเส้น DNA ที่มีหน้าที่ในการสังเคราะห์ RNA ก่อนที่จะเปลี่ยนไปเป็นเอ็นไซม์หรือโปรตีนชนิดต่างๆเพื่อใช้ในการดํารงอยู่ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เมื่อมนุษย์สามารถเข้าใจกฏแห่งชีวิตโดยเฉพาะกลไกการทํางานของโปรตีนและเอ็นไซม์ชนิดต่างๆ ที่ทําหน้าที่ในกระบวนการส่งผ่านข้อมูลได้ดีขึ้นเท่าไรก็ทําให้สามารถนําเอากฏนี้มาประยุกต์ใช้เพื่อทําให้เกิดประโยชน์ต่อความต้องการของมนุษย์ได้มากขึ้น โดยเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นจากการประยุกต์ใช้กฏแห่งชีวิตนี้ก็คือ เทคโนโลยีพันธุวิศวกรรม หรือเทคโนโลยีชีวภาพนั่นเอง ดังจะเห็นตัวอย่างของผลผลิตหรือความก้าวหน้าใหม่ที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในปัจจุบันี้เช่น สิ่งมีชีวิต GMO ต่างๆ การโคลนนิ่ง เทคโนโลยี Stem Cell การตรวจสอบ DNA ทางนิติเวช แนวทางการรักษาโรคแนวใหม่ เช่นการรักษาด้วยยีน (gene theraphy) เป็นต้น

22 ในช่วงต้นของศตวรรตที่ 20 มนุษย์ได้ทราบเป็นอย่างดีแล้วว่า ยีนนั้นอยู่บนโครมโมโซม ซึ่งมีลักษณะเหมือนเส้นด้ายอยู่ภายในเซล ดังนั้นสิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องมีโครโมโซม แต่จะมีจํานวนแค่ไหนและจัดเรียงตัวอย่างไรก็ขึ้นกับสิ่งมีชีวิตแต่ละประเภท

23 ตัวอย่างเช่น คนมีโครโมโซม 23 คู่ขดตัวอยู่ในนิวเคลียส

24 ในปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีแล้วว่าโครโมโซมนั้นประกอบด้วยสายยาวของ DNA เรียงตัวกันอยู่ร่วมกับโปรตีนที่ชื่อว่า Histone สายยาวของ DNA ในคนนี้ถ้าเอามายืดออกเป็นเส้นตรงก็จะมีความยาวถึง 2 เมตร แต่ภายในเซลนั้นสายยาวเหล่านี้ขดตัวกันอยู่ในนิวเคลียสซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลางเพียงประมาณ 6 ไมครอน (1 ใน ล้านส่วนของเมตร) หรือถ้าจะเปรียบเทียบก็เหมือนกับเป็นเส้นด้ายยาว 40 กิโลเมตรที่ขดตัวอยู่ในลูกเทนนิส โครโมโซมสามารถเปลี่ยนรูปร่างการขดตัวในนิวเคลียสได้ตามวงจรชีวิตของเซลเช่นในระหว่างที่เซลทําการแบ่งตัว โครมโมโซมจะขดตัวแน่นเป็นแท่งเล็กๆ ดังที่เห็นได้ในรูป

25

26 โครโมโซมของแบคทีเรียมีขนาดเล็กกว่าโครโมโซมของคนมากและไม่ได้ขดตัวอยู่ในนิวเคลียส ที่เป็นเช่นนี้น่าจะเป็นเพราะแบคทีเรียมีขนาดเล็กและมีความซับซ้อนน้อยกว่ามากจึงไม่ต้องการพื้นที่เก็บข้อมูลในการมีชีวิตเป็นแบคทีเรียเท่าคน

27 เซล = หน่วยย่อยพื้นฐานของชีวิต
ถึงแม้ว่าแบคทีเรียและคนจะมีความแตกต่างกันมากมาย แต่สิ่งหนึ่งที่เหมือนกันคือ ทั้งแบคทีเรียและคนเป็นสิ่งที่มี “ชีวิต” โดยในที่นี้จะนิยามชีวิตว่าเป็น กลุ่มก้อนของสสารซึ่งสามารถทํากิจกรรม รวมทั้งปฏิกิริยาเคมีชนิดต่างๆ ได้ โดยการนําสสารจากภายนอกมาเปลี่ยนสภาพให้เป็น พลังงานและสารต่างๆ เพื่อการดํารงอยู่และการสืบพันธ์ต่อไป กลุ่มก้อนของสสารที่กล่าวมาข้างต้นนั้นอาจเรียกได้ว่าเซล ซึ่งสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งอาจประกอบด้วยเซลตั้งแต่ 1 ถึงหลายพันล้านเซล ขึ้นกับแต่ละชนิดของชีวิตนั้นๆ ถ้าจะมองลงไปในเชิงวัตถุหรือในระดับโมเลกุล ความเหมือนกันของแบคทีเรียและคนก็คือ สิ่งมีชีวิตทั้งสองมี DNA เป็นสารพันธุกรรม ที่มีข้อมูลในการกําหนดชีวิตของแบคทีเรียหรือคนไว้ DNA นี้ถูกเก็บอยู่ในหน่วยย่อยของชีวิตที่เรียกว่าเซล หรือ กัลละ ซึ่งมีลักษณะเป็นถุงซึ่งถูกห่อหุ้มด้วยผนังเซลซึ่งชั้นของไขมันเป็นตัวกั้นระหว่าง ภายในและสิ่งแวดล้อมภายนอก เซลแต่ละเซลนั้นมีหน้าที่เหมือนเป็นโรงงานผลิตขนาดใหญ่ที่มีเครื่องจักรภายในเป็นโปรตีนที่มีหน้าที่ในการนําวัตถุดิบจากภายนอกเข้ามาเปลี่ยนเป็นพลังงานและผลผลิตเพื่อการดํารงอยู่และการสืบพันธ์ต่อไป โดยกิจกรรมการทํางานของเซลนั้นจะถูกควบคุมอย่างใกล้ชิดขึ้นกับสภาวะแวดล้อมและความต้องการของสิ่งมีชีวิตในแต่ละขณะ

28 ความจริงประการหนึ่งที่น่าสนใจก็คือสิ่งมีชีวิต ตั้งแต่ เชื้อราที่ใช้หมักไวน์ แมลงวันผลไม้ หนอนตัวกลม หนู วัว จนถึงคนนั้น แม้จะมีลักษณะภายนอกที่แตกต่างกันมากมาย แต่เมื่อมองลงไปในระดับเซล หรือระดับอณู แล้วจะพบว่า มีความคล้ายคลึงกันอย่างน่าพิศวง สิ่งที่เหมือนกันนี้ส่วนใหญ่แล้วมักจะเป็นโครงสร้างหรือเครื่องจักรที่มีทําหน้าที่ในการทํากิจกรรมพื้นฐานต่างๆ ของความเป็นชีวิต เช่นในขบวนการย่อยสลายวัตถุดิบให้เป็นพลังงาน กระบวนการตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นภายนอก หรือกระบวนการแบ่งเซล โดยสิ่งที่มีความเหมือนกันที่สุดระหว่างสิ่งมีชีวิต ตั้งแต่ มนุษย์ ลงไปจนถึง แบคทีเรีย ก็คือ DNA ซึ่งเป็นตัวเก็บข้อมูลของสิ่งมีชีวิตทั้งสองไว้และสามารถถ่ายทอดจากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่งได้ ในหัวข้อต่อไปจะได้อธิบายถึง โครงสร้าง หน้าที่ของ DNA รวมทั้งวิธีการการเก็บ และการนําข้อมูลไปใช้ เพื่อจะทําให้เข้าใจ แง่มุมต่างๆของวิทยาศาสตร์พันธุกรรม และการนําไปประยุกต์ใช้ได้ดียิ่งขึ้นต่อไป

29 deoxyribonucleic acid
nucleotide ribose nucleotide deoxyribose ความจริงของธรรมชาติที่ถูกค้นพบในศตวรรษที่ 20 ซึ่งถือว่าเป็นการค้นพบที่สําคัญยิ่งของมนุษยชาติ คือการเข้าใจธรรมชาติของสารพันธุกรรม หรือ DNA โดยในปัจจุบันมนุษย์สามารถเข้าใจได้ดีแล้วว่า ข้อมูลของชีวิตถูกเก็บรวบรวมไว้ในยีนในรูปของ DNA นอกจากนั้นแล้วยังเข้าใจด้วยว่าสิ่งมีชีวิตใช้กลไกใดในการเปลี่ยนแปลงข้อมูลที่อยู่ใน DNA หรือยีนนั้นออกมาเป็นโปรตีนที่ทําหน้าที่เป็นเสมือนเครื่องจักรในการดําเนินชีวิตของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด สารพันธุกรรม หรือ DNA ซึ่งมีชื่อเต็มว่า Deoxyribonucleic acid deoxyribonucleic acid

30 Deoxyribonucleic acid เป็น โมเลกุลของสารที่มีลักษณะเป็นสายยาว 2 สายพันกันเป็นเกลียวคู่ประกอบด้วยธาตุ 5 ชนิดคือ C (carbon) H (hydrogen) O (oxygen) N (nitrogen) และ P (phosphorous) สายยาวของ DNA นี้ประกอบด้วยหน่วยย่อย (monomer) เพียง 4 ประเภทเรียงร้อยต่อกันอยู่เป็นเส้นตรง

31 A T C A C G T เหมือนดั่งลูกปัด 4 สีที่ผูกติดเรียงร้อยต่อกันเป็นสร้อยสายยาว (โปรดดูภาพประกอบเพื่อความเข้าใจ)

32 A G C T หน่วยย่อยทั้ง 4 ของ DNA มีชื่อเรียกว่า nucleotide ซึ่งประกอบด้วยธาตุทั้ง 5 ดังกล่าวมาแล้ว nucleotide ประกอบด้วยส่วนย่อย 2 ส่วนคือ ส่วนที่เป็น นํ้าตาลฟอสเฟต โดยเป็นนํ้าตาลชนิด deoxyribose ที่จับอยู่กับฟอสเฟตที่ตําแหน่ง 5’ และ ส่วนที่เรียกว่า เบส ซึ่งมี 2 ชนิดใหญ่คือ purine และ pyrimidine และแบ่งได้เป็นชนิดย่อยอีกอย่างละ 2 ชนิดคือ purine แบ่งเป็น Adenine (A) และ Guanine (G) ส่วน pyrimidine แบ่งเป็น Cytosine (C), และ Thyminde (T) รวมเป็นทั้งหมด 4 ชนิด

33 ดังนั้นเบสทั้ง 4 นี้เองจึงเป็นตัวกําหนดว่าหน่วยย่อยของ DNA หรือ nucleotide นั้นมี 4 ชนิด

34 ในแต่ละสายของ DNA นั้นประกอบไปด้วย nucleotide เชื่อมต่อกันอยู่ด้วยพันธะ นํ้าตาล-ฟอสเฟต (sugar-phosphate bond) ซึ่งการจับกันด้วยพันธะเช่นนี้ทําให้ DNA มี สภาพเป็นกรดชื่อ deoxyribonucleic acid เป็นกรดเรียงกันเป็นสายยาวมีลักษณะเป็นโครงสร้างหลักหรือกระดูกสันหลัง (back bone) ของเส้น DNA ทั้งสองเส้นที่พันกันเป็นเกลียวคู่อยู่ ส่วนที่เป็นเบสนั้นยึดอยู่กับส่วนที่เป็นนํ้าตาลยื่นเข้ามาภายในเกลียวคู่ของเส้น DNA สายคู่ของ DNA ถูกยึดกันอยู่ด้วยพันธะระหว่างเบสทั้ง 4 นี้เองโดย A จะจับอยู่กับ T และ G จะจับอยู่กับ C เท่านั้น อีกสิ่งหนึ่งที่ควรจะเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA ก็คือสาย DNA นั้นมีส่วนหัวและส่วนหาง หรือมีความเป็นขั้ว (polarity) ส่วนหัวของ DNA เรียกว่าส่วน 5’ Phosphate หรือ 5’ ส่วนหางเรียกว่า 3’ OH หรือ 3’ ซึ่งสาย DNA 2 สายที่จับกันเป็นเกลียวคู่อยู่นั้นจะวางตัวอยู่ในลักษณะที่มีขั้วที่ตรงข้ามกัน คือ สายหนึ่งจะเรียงจาก 5’ ไป 3’ ส่วนอีกสายหนึ่งจะเรียงจาก 3’ ไป 5’ เหตุใดจึงเรียกว่า ส่วน 5’ และ 3’ รวมทั้งรายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้าง DNA ที่ลึกซึ้งกว่านี้สามารถเรียนรู้ได้จากตําราอณูชีววิทยาทั่วไป

35 Human Genome AGCTTTGGTGAAGATCTAGATACAGAATGGCAGTAGACGTATCGATCGTAGGGCTTTGAGCTTGGGACTGAATCGTTAGGCCCCTTTTGGGGAGAGACTGATCTGACATYGGCTAGCTGACG……………. 1 million pages telephone book หลังจากที่เข้าใจโครงสร้าง DNA อย่างคร่าวๆ แล้ว สิ่งสําคัญที่จะต้องเข้าใจต่อไปก็คือ มโนคติ (concept หรือ paradigm) ที่ว่าด้วยหน้าที่ของ DNA ว่าเป็นสารพันธุกรรม หรือตัวเก็บและถ่ายทอดข้อมูลในสิ่งมีชีวิต โดยก่อนที่จะเข้าใจ มโนคติ หรือ concept นี้ได้นั้นจะต้องเข้าใจก่อนว่าข้อมูลในสิ่งมีชีวิตนั้นถูกเก็บอยู่เป็นรหัส code ซึ่งอาจเรียกให้เฉพาะเจาะจงลงไปว่าเป็น รหัสพันธุกรรม (genetic code) รหัสนี้ประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งเขียนแทนได้ด้วยตัวอักษร 4 ตัวคือ A T C และ G เรียงร้อยต่อกันไปในลักษณะต่างๆกันขึ้นกับสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด ตัวอย่างเช่นในคนมีตัวA T C G เรียงสลับกันไปมาเป็นจํานวน 3.2 x 109 หรือราว สามพันล้านตัวอักษร ซึ่งประมาณ 1.5% ของตัวอักษรเหล่านี้เท่านั้นที่จะประกอบกันขึ้นเป็น ยีน ซึ่งมีทั้งหมดประมาณ 3-4 หมื่นยีน โดยรหัสที่อยู่ในยีนเหล่านี้เท่านั้นที่จะถูกถ่ายทอดต่อไปเป็นลําดับของกรดอะมิโนที่เป็นส่วนประกอบหลักของโปรตีน โปรตีนเหล่านี้มีรูปร่างและคุณสมบัติแตกต่างกันขึ้นกับหน้าที่การทํางานของมันภายในเซล เรื่องราวของโปรตีนกับชีวิตนั้นจะได้อธิบายในหัวข้อถัดไป มีการประมาณการกันว่ามนุษย์มีโปรตีนที่แตกต่างกันราว 1 แสนชนิด ทั้งนี้เป็นเพราะถึงแม้จะมียีนเพียง 3-4 หมื่นยีนที่จะถูกถอดรหัสไปเป็นโปรตีน แต่โปรตีนแต่ละตัวที่ถูกสร้างขึ้นมาจากยีนนั้นอาจถูกปรับแต่งให้มีคุณสมบัติแตกต่างกันออกไปได้เช่น มีการเติมกลุ่ม นํ้าตาล ไขมัน หรือฟอสเฟตเข้าไป นอกจากนั้นแล้วยังมีการตัดเชื่อมส่วนของยีนแต่ละชนิดในช่วงที่เป็น RNA ในกระบวนการสังเคราะห์โปรตีน ทําให้ยีนแต่ละตัวสามารถสร้างโปรตีนที่มีความเกี่ยวข้องกันได้หลายชนิด ข้อสังเกตประการหนึ่งคือการสังเคราะห์โปรตีนนั้นอาจเรียกได้ว่าเป็นการแสดงออกของยีน เพราะตัวยีนหรือ DNA นั้นทํางานอะไรไม่ได้แต่จะแสดงออกมาในรูปโปรตีนจึงจะทําให้ยีนนั้นทําหน้าที่ได้

36 กระบวนการของเซลที่ใช้ในการสร้าง โปรตีนจาก DNA นั้นจะต้องเปลี่ยนผ่าน RNA ก่อน ตามกฎแห่งชีวิตที่ได้กล่าวมาข้างต้นคือ DNA RNA  Protein เหตุใดจึงต้องผ่าน RNA ก่อนไปเป็น protein นั้น ยังไม่มีใครอธิบายได้แน่ชัด แต่มีข้อสมมุตติฐานว่าการเปลี่ยนผ่านเป็น RNA ก่อนนั้นจะช่วยให้สิ่งมีชีวิตควบคุมการสังเคราะห์ protein หรือการแสดงออกของยีนได้ดียิ่งขึ้น การควบคุมการแสดงออกของยีนนั้นมีความสําคัญอย่างยิ่งต่อการมีชีวิตอยู่ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดเพราะโปรตีนหลายชนิดที่ถูกสร้างขึ้นมานั้นมีชีวิตอยู่ได้ในระยะสั้นเพื่อทําหน้าที่ที่มีความจําเป็นต่อเซลในขณะหนึ่งๆ ซึ่งเมื่อเสร็จแล้วก็จะย่อยสลายไป ถ้าเซลไม่สามารถผลิตโปรตีนออกมาจากยีนได้ทันเวลาก็จะทําให้เซลไม่สามารถดํารงชีวิตอยู่ได้อย่างเป็นปกติ อีกเหตุผลหนึ่งที่ต้องเปลี่ยน จาก DNA ไปเป็น RNA ก่อนนั้นก็อาจเป็นเพราะเมื่อราว 4 พันล้านปีมาแล้วมี RNA เกิดขึ้นมาในโลกก่อนที่จะมี DNA ดังนั้นในขั้นตอนของการวิวัฒนาการสิ่งมีชีวิตจึงยังเก็บ RNA ไว้แล้วเพิ่ม DNA ซึ่งมีคุณสมบัติเหมาะสมกว่าขึ้นมาเป็นสารพันธุกรรมแทน

37 การถอดรหัสจาก DNA ไปเป็น protein นั้นทําได้อย่างไรในที่นี้จะขอกล่าวไว้เพียงย่อๆ เพราะมีรายละเอียดมากมายต้องไปศึกษาในตํารา อณูชีววิทยา หรือชีวเคมีทั่วไป ก่อนที่จะเข้าใจกระบวนการถอดรหัสได้นั้น จะต้องทราบก่อนว่า โปรตีนซึ่งเป็นผลผลิตที่ได้มาจากการถอดรหัส DNA นั้นประกอบด้วยหน่วยย่อยคือ กรดอะมิโน 20 ชนิดเรียงตัวต่อกันเป็นสายยาว กรดอะมิโนแต่ละชนิดนั้นมีคุณสมบัติทางเคมีต่างกัน ดังนั้นรูปร่างและคุณสมบัติของโปรตีนแต่ละชนิดจึงมีความแตกต่างกัน ขึ้นกับจํานวนและส่วนประกอบของกรดอะมิโนชนิดต่างๆที่ประกอบกันอยู่เป็นโปรตีนนั้นๆ สายของกรดอะมิโนที่ประกอบกันเป็นโปรตีนนั้นไม่ได้เรียงกันเป็นสายยาวเหมือน DNA แต่จับกันเป็นกลุ่มก้อนเกิดเป็นรูปร่างต่างๆที่มีความสามารถในการทํางานได้ต่างกัน การที่ DNA มีหน่วยย่อย หรือ nuleotide 4 ชนิดคือ A T C G ที่จะต้องถูกถอดรหัสออกมาเป็นหน่วยของโปรตีน หรือกรดอะมิโน ที่มีถึง 20 ชนิดนั้น ทําให้ธรรมชาติต้องใช้รหัสใน DNA 3 ตัวในการเปลี่ยนเป็น กรดอะมิโน 1 ตัว เพราะถ้าใช้ nucleotide 1 ตัว ก็จะแปลงได้เป็น กรดอะมิโนเพียง 4 ตัว และถ้าใช้ nucleotide 2 ตัว ก็จะแปลงได้เป็นกรดอะมิโน 4x4 = 16 ตัว ซึ่งไม่เพียงพอเพราะในโปรตีนมีกรดอะมิโนถึง 20 ตัว ดังนั้นจึงต้องใช้ nucleotide 3 ตัว หรือรหัสที่มีตัวอักษร 3 ตําแหน่ง ซึ่งตามทฤษฎีแล้วจะทําให้สามารถแปลงเป็นกรดอะมิโนได้ 4x4x4 = 64 ตัว แต่เนื่องจากในธรรมชาติโปรตีนประกอบไปด้วย กรดอะมิโนเพียง 20 ชนิดเท่านั้น ดังนั้นสิ่งมีชีวิตจึงใช้รหัสในการสร้างกรดอะมิโนบางชนิดซํ้ากัน นอกจากนั้นแล้วยังมีรหัสอีก 3 รหัสคือ TAA, TGA, และTAG ซึ่งไม่ได้เป็นรหัสสําหรับการกรดอะมิโน แต่เป็นรหัสเพื่อให้หยุดการสร้างโปรตีน

38 การคัดลอกรหัสจาก DNA เป็น RNA Transcription
กระบวนการคัดลอกรหัสชีวิต (transcription) จาก DNA ไปเป็น RNA นั้นเริ่มต้นจาก การที่มีโปรตีนจํานวนหนึ่งไปจับอยู่บนตําแหน่งของ DNAที่มีหน้าที่ในการควบคุมการแสดง ออกของยีนที่ต้องการ โดยโปรตีนเหล่านี้ประกอบไปด้วยเอนไซม์ที่ใช้ในการสังเคราะห์ RNA ชื่อ RNA polymerase และโปรตีนอื่นที่มีหน้าที่ในการควบคุมกระบวน การสังเคราะห์อีกเป็น จํานวน มาก ยิ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีความซับซ้อนสูงเช่นคนและสัตว์ก็ยิ่งมีโปรตีนและตําแหน่งบน DNA ที่เกี่ยวข้องมากขึ้น (ดูรูปประกอบ) RNA ที่ถูกสร้างขึ้นจากยีนบนเส้น DNA นี้เรียกว่า mRNA หรือ messenger RNA เพราะมีหน้าที่ในการนําส่งข้อมูลจาก DNA ไปเป็น โปรตีน กระบวนการ แปรรหัส (translation) จาก RNA เป็นโปรตีนนั้นมีความแตกต่างกันในสิ่งมีชีวิตที่มี (Eukaryote) หรือไม่มีนิวเคลียส (prokaryote) ทั้งนี้เป็นเพราะกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนนั้นเกิดขึ้นใน cytoplasm แต่ DNA นั้นถูกเก็บอยู่ในนิวเคลียส ดังนั้นในสิ่งมีชีวิตประเภท eukaryote จะต้องมีการ ส่งผ่าน mRNA ออกมาสู่ภายนอกก่อน หลังจากนั้น mRNA เหล่านี้ก็จะถูกใช้เป็นต้นแบบ ในการ สังเคราะห์ โปรตีนต่อไป

39 RNA RNA เป็นชื่อย่อของ ribonucleic acid ซึ่งเป็น สายยาว (polymer) ของ nucleotide เช่นเดียวกับ DNA แต่มีความแตกต่างในส่วนที่เป็นนํ้าตาลคือ แทนที่จะเป็นนํ้าตาล deoxyribose กลับเป็นนํ้าตาล ribose ทั้งนี้เนื่องจากมีกลุ่ม OH ที่ตําแหน่ง 2’ โปรดดูรูปประกอบ หน่วยย่อยนี้มีชื่อเรียกว่า ribonucleotide (ใน DNA หน่วยย่อยคือ deoxyribonucleotide) พันธะที่ใช้ในการเชื่อมกันในแต่ละหน่วยย่อยของ RNA เหมือนกับใน DNA คือเป็นพันธะ phosphate-sugar

40 นอกจากชนิดของนํ้าตาลที่แตกต่างกันระหว่าง RNA กับ DNA แล้วอีกสิ่งหนึ่งที่ต่างกันก็คือโครงสร้าง โดย RNA จะไม่เป็นสองสายเกลียวคู่พันกันเหมือน DNA แต่จะขดตัวเป็นรูปร่าง 3 มิติต่างๆกันขึ้นกับจํานวนและชนิดของหน่วยย่อย ribonucleotide ซึ่งเป็นส่วนประกอบของ RNA เหตุที่ RNA สามารถจับกันเป็นรูปร่าง 3 มิติต่างๆกันได้นั้นเป็นเพราะการจับกันระหว่างเบสที่เป็นส่วนประกอยอยู่ โดย A จะจับกับ U และ C จับกับ G

41 การถอดรหัสจาก RNA ไปเป็น Protein
เช่นเดียวกับกระบวนการที่ใช้ในการคัดลอก DNA เป็น RNA การ แปรรหัสโปรตีนจาก mRNA นั้นก็ต้องใช้โปรตีนหลายชนิดเข้าร่วมในการทําหน้าที่

42 โปรตีนหลักที่ ในการสังเคราะห์โปรตีนมีชื่อว่า Ribosome และนอกจากนั้นแล้ว กระบวนการสังเคราะห์โปรตีน นั้น ยังมี RNA ชนิดอื่นๆ เช่น rRNA และ tRNA เข้าร่วมทํางานด้วย กิจกรรมหลักที่เกิดขึ้นใน กระบวนสังเคราะห์โปรตีนนั้น คือการถอดรหัสซึ่งประกอบด้วย เบส หรือตัวอักษร 3 ตัวบน mRNA ออกเป็นกรดอะมิโนชนิดต่างๆที่เป็นส่วนประกอบของโปรตีนทั้ง 20 ชนิด ซึ่งโปรตีน ที่ถูกสร้างขึ้นจากยีนต่างๆเหล่านี้ก็จะทําหน้าที่ต่างๆกันในการดํารงชีวิตของเซลต่อไป

43 ชีวิต ? เกิดขึ้น ตั้งอยู่ ดับไป ความสามารถในการสืบพันธุ์
เกิดขึ้น ตั้งอยู่ ดับไป ความสามารถในการสืบพันธุ์ คํานิยามสําคัญประการหนึ่งของชีวิตก็คือความสามารถในการสืบพันธุ์ ทั้งนี้ไม่ว่าจะเป็นการสืบพันธุ์แบบไม่มีเพศในแบคทีเรีย และสัตว์ชั้นตํ่าอื่นๆ หรือการสืบพันธุ์แบบมีเพศ ในพืชและสัตว์ชั้นสูงรวมทั้งมนุษย์ เมื่อจะมีการสืบพันธุ์ หรือเมื่อเซลของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ จะมีการแบ่งตัว ปรากฏการณ์สําคัญที่เกิดขึ้นในเซลก่อนที่เซลจะเริ่มทําการแบ่งตัวนั้นคือการจําลองตัวของ DNA ซึ่งเป็นรหัสพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ จากหนึ่งเป็นสอง ซึ่งธรรมชาติจะต้องพยายามรักษาให้ DNA ที่ถูกจําลองขึ้นเหมือนกับ DNA ต้นแบบอย่างมากที่สุดเพื่อรักษาเอกลักษณ์ของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ ไว้ เพราะ DNA เป็นตัวกําหนดทุกสิ่งทุกอย่างของความเป็นชีวิตชนิดหนึ่งๆ ไว้ ถ้าลําดับเบสในเส้น DNA เกิดผิดเพี้ยนไปก็จะทําให้สิ่งเกิดความผิดปรกติไปด้วย ลักษณะของสาย DNA ที่เป็นเส้นคู่ซึ่งยึดติดกันอยู่ด้วยพันธะระหว่างเบสทั้ง 4 ดังที่กล่าวข้างต้นนั้น มีความสําคัญอย่างยิ่งในการช่วยให้การจําลองตัวเป็นไปได้อย่างแม่นยําทําให้สิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆเจริญสืบเผ่าพันธุ์มาได้จนถึงทุกวันนี้ วิธีการจําลองตัวของ DNA นั้นเริ่มต้นจากการที่สาย DNA ต้นแบบจะถูกแยกออกเป็นสองสาย เนื่องจากพันธะระหว่างเบสแต่ละคู่นั้นเป็นพันธะอย่างอ่อน DNA สายคู่ของ DNA จึงสามารถถูกแยกตัวออกจากกัน เป็นสายเดี่ยว 2 สายได้โดยไม่ยากนัก หลังจากถูกแยกออกจากกันเป็น 2 สายแล้ว สาย DNA แต่ละสายจะทําหน้าที่เป็นสายต้นแบบในการสร้างสาย DNA เส้นใหม่ให้มาจับเข้าคู่กันกับ DNA เส้นเก่า เนื่องจากธรรมชาติมีกฏตายตัวแล้วว่า เบส A ต้องจับกับเบส T และ เบส C ต้องจับกับเบส G เท่านั้นจึงทําให้ DNA เส้นใหม่ที่ถูกสร้างขึ้นมาเข้าคู่กับ DNA สายเก่านั้นมีคุณสมบัติเหมือน DNA เส้นเก่าอีกสายหนึ่งทุกประการ

44 DNA Replication การจำลองตัวของดีเอ็นเอ
การแบ่งตัวเช่นนี้เรียกว่าการแบ่งตัวแบบกึ่งอนุรักษ์ (semi conservative) เพราะ DNA 2 สายที่ถูกจําลองขึ้นจาก DNA สายเดิมนั้นมีเส้น DNA เส้นเก่าอยู่ 1 เส้นพันอยู่กับ DNA เส้นใหม่ที่เพิ่งถูกสร้างขึ้นมาอีกหนึ่งเส้น กระบวนการจําลองตัวของ DNA ต้องใช้โปรตีน และเอ็นไซม์หลายชนิดในการช่วยกันทํางาน รวมทั้งชิ้น DNA เริ่มต้นเรียกว่า primer โดยเอ็นไซม์ตัวหลักที่ทําหน้าที่ในการจําลอง DNA นี้คือเอ็นไซม์ DNA polymerase ซึ่งจะทําการเชื่อมต่อสาย DNA ทีละ นิวคลีโอไทด์โดยกระบวนการจําลองตัวของ DNA นี้จะมีการตรวจเช็คอย่างละเอียดเพื่อให้เกิดความแม่นยําสูง เพื่อให้มั่นใจได้ว่า DNA สายใหม่ที่ถูกสร้างขึ้นนั้นเหมือนกับ DNA สายเดิมทุกประการ ในที่นี้จึงอยากจะชี้ให้เห็นว่าธรรมชาตินั้นได้สามารถออกแบบโครงสร้างของ DNA เพื่อใช้ในการเป็นตัวเก็บข้อมูลหรือสารพันธุกรรมได้อย่างชาญฉลาด เพราะ DNA เป็นสายคู่ที่จับกันอยู่ด้วยพันธะระหว่างเบสที่ ตายตัว เมื่อสิ่งมีชีวิตจะต้องมีการจําลองตัวของ DNA โดยใช้ DNA สายเก่าต้นแบบในลักษณะที่เป็นกึ่งอนุรักษ์นั้น จึงสามารถสร้าง DNA ได้อย่างรวดเร็วให้เกิดเป็น DNA สายใหม่ 2 สายที่ยังคงลักษณะของ DNA สายเดิมไว้มากที่สุด

45 สรุป DNA เป็นสารพันธุกรรมที่เป็นตัวเก็บข้อมูลที่เป็นตัวกําหนดสิ่งมีชีวิต โดยเก็บไว้ในรูปของรหัสของ nucleotide ที่เขียนแทนด้วยตัวอักษร 4 ตัว คือ A T C และ G รหัสเหล่านี้จะถูกถอดออกมาผ่าน RNA จนเป็นลําดับของ กรดอะมิโน 20 ชนิดในโปรตีน DNA หรือยีน นั้นเป็นเพียงตัวเก็บข้อมูลแต่ไม่สามารถทําหน้าที่ใดๆ ในเซล ได้ต้องแสดงออกมาในรูปของโปรตีนชนิดต่างๆเพื่อเป็นโครงสร้างและเครื่องจักรในการดําเนินชีวิตของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด กล่าวโดยสรุป DNA เป็นสารพันธุกรรมที่เป็นตัวเก็บข้อมูลที่เป็นตัวกําหนดสิ่งมีชีวิตหนึ่งๆ โดยเก็บไว้ในรูปของรหัสของ nucleotide ที่เขียนแทนด้วยตัวอักษร 4 ตัว คือ A T C และ G รหัสเหล่านี้จะถูกถอดออกมาผ่าน RNA จนเป็นลําดับของกรดอะมิโน 20 ชนิดในโปรตีน ดังนั้นถ้าเรารู้รหัสของ DNA แล้วเราก็สามารถที่จะรู้ลําดับของกรดอะมิโนที่ยีนหนึ่งจะสร้างขึ้นมาได้ DNA หรือยีน นั้นเป็นเพียงตัวเก็บข้อมูลแต่ไม่สามารถทําหน้าที่ใดๆ ในเซล ได้ต้องแสดงออกมาในรูปของโปรตีนชนิดต่างๆเพื่อเป็นโครงสร้างและเครื่องจักรในการดําเนินชีวิตของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด

46 ทางวิทยาศาสตร์พันธุกรรม
พันธุวิศวกรรม, การตัดต่อยีน PCR การตรวจเอกลักษณ์ด้วย DNA ยีโนมมนุษย์ GMO เทคโนโลยีดีเอ็นเอกับชีวิตในปัจจุบันและอนาคต วิธีการสกัดดีเอ็นเออย่างง่ายที่บ้าน นับตั้งแต่ปี ค.ศ เป็นต้นมาความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์พันธุกรรมได้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก การพัฒนาที่เกิดขึ้นเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจการทํางานของชีวิตในแง่ต่างๆได้ลงไปถึงในระดับโมเลกุล นอกจากนั้นแล้วยังมีเทคโนโลยีใหม่อีกหลายอย่างเกิดขึ้น โดยเฉพาะเทคโนโลยีพันธุวิศวกรรม ซึ่งนับเป็นก้าวที่สําคัญในการนําโลกไปสู่ยุคเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ นอกจากเทคโนโลยีพันธุวิศวกรรมแล้ว ยังมีเทคโนโลยีอื่นๆอีก อาทิเช่นการตรวจเอกลักษณ์สิ่งมีชีวิตด้วย DNA การวิเคราะห์ลําดับเบสใน DNA การโคลนนิ่ง และ เทคโนโลยี stem cell เทคโนโลยีเหล่านี้มีส่วนช่วยให้คุณภาพชีวิตของมนุษย์ดีขึ้นในแง่ต่างๆทั้งในด้านความสดวก สบาย หรือมีสุขภาพที่ดีขึ้น แต่ในขณะเดียวกันก็มีข้อกังขาว่า เทคโนโลยีบางอย่างอาจทําให้โลกเข้าสู่ความหายนะได้เช่นกันถ้าไม่ใช้ด้วยความระมัดระวังรอบคอบ ในที่นี้จะกล่าวถึงเทคโนโลยีเหล่านี้อย่างกว้างๆ เท่าที่มีอยู่ในปัจจุบัน และเนื่องจากความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์พันธุกรรมนั้นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก เพื่อให้ทันต่อเหตุการณ์อยู่เสมอ นักศึกษาจึงต้องพยายามติดตามข่าวสารอยู่เสมอ

47 ก่อนที่จะกล่าวถึงเทคโนโลยีต่างๆในทางวิทยาศาสตร์พันธุกรรมนั้น ขออธิบายก่อนว่านักวิทยาศาสตร์สามารถ ตรวจดู DNA ได้อย่างไร เนื่องจาก DNA นั้นมีโมเลกุลเล็กมากมองด้วยตาเปล่าไม่เห็น และแม้จะใช้กล้องจุลทรรศ์ส่องดูก็ยังไม่สามารถมองเห็นได้ นอกจากนั้นแล้ว DNA ก็ยังไม่มีสีด้วย ดังนั้นวิธีการที่จะตรวจดู DNA นั้นจึงต้องเตรียม DNA ขึ้นมาให้มีปริมาณมากพอควรเช่น สกัดโครโมโซมจากหัวหอม1 หัว หรือใบข้าวกํามือหนึ่ง แต่ถ้าเราต้องการมองเห็นยีนๆเดียวนั้นก็ต้องนํายีนนั้นไปเพิ่มจํานวนก่อนด้วยวิธีการทางพันธุวิศวกรรมที่จะได้กล่าวถึงต่อไป หลังจากนั้นจึงนําไปย้อมด้วยสารเคมีที่จะเข้าไปจับกับเส้น DNA ได้จากนั้นจึงนําไปส่องดูภายใต้แสง ultraviolet หรือดูจากแผ่นฟิล์ม

48 การตัดต่อยีน โดยทั่วไปแล้วเทคนิคพันธุวิศวกรรมหมายถึงการปรับเปลี่ยน DNA ของสิ่งมีชีวิตหนึ่งด้วยวิธีการตัดต่อยีนเพื่อทําให้สิ่งมีชีวิตนั้นมีคุณสมบัติเปลี่ยนไป การตัดต่อยีนนั้นสามารถทําได้โดยใช้ เอ็นไซม์ โดยนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นว่าพบแบคทีเรียหลายชนิดสามารถผลิตเอ็นไซม์ที่สามารถตัด DNA ให้ขาดได้อย่างเฉพาะเจาะจง คือจะตัดที่ลําดับเบสที่มีความยาวตั้งแต่ 4-8 นิวคลีโดไทด์ขึ้นไป โดยเอ็นไซม์ชนิดหนึ่งๆจะมีลําดับเบสที่สามารถตัดได้ต่างกัน เช่น เอ็นไซม์ที่ชื่อ EcoRI ก็จะตัดเบสที่มีลําดับเป็น GAATTC หรือ เอ็นไซม์ HindIII ก็จะตัด DNA ที่เบส AAGCTT โดยส่วนใหญ่แล้ว เอ็นไซม์จะตัด DNA เป็นแนวแทยง ดังนั้นเมื่อ DNA ถูกตัดแล้วจะเกิดเป็นปลายยื่นออกมาไม่เท่ากัน ซึ่งเมื่อนํา DNA จากแหล่งอื่นที่มีปลายยื่นออกมาและมีลําดับเบสที่เข้ากันได้แล้วก็จะสามารถทําให้ DNA จากสองแหล่งมาต่อกันได้ จากนั้นทําการเชื่อมส่วนของ DNA ทั้งสองเส้นให้เข้ากันได้สนิทโดยใช้เอ็นไซม์เช่นกัน การตัดต่อ DNA หรือการตัดต่อยีนนี้ช่วยให้เราสามารถนํายีนจากสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งไปแสดงออกในสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่งได้ ทั้งนี้เป็นเพราะดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่า DNA และรหัสพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดนั้นเหมือนกัน ดังนั้นเราจึงสามารถนํา ยีนของมนุษย์ไปแสดงออกในแบคทีเรียได้

49 ตัวอย่างของการตัดต่อยีนมนุษย์เข้าไปใส่ในแบคทีเรียคือ การนํายีน อินซูลิน ซึ่งเป็นฮอร์โมนที่สําคัญในการควบคุมการใช้นํ้าตาลในสัตว์ไปตัดต่อเชื่อมโยงกับ DNA ของแบคทีเรีย จากนั้นจึงนํา DNA ที่ได้รับการตัดต่อแล้วนี้ไปใส่ในแบคทีเรีย ซึ่งแบคทีเรียก็จะใช้เครื่องจักร หรือเอ็นไซม์และโปรตีนต่างๆที่มีอยู่ในตัวของมันเพื่อคัดลอก DNA ที่ได้รับการตัดต่อนี้ให้เป็น RNA และสังเคราะห์เป็นโปรตีนในที่สุด และเนื่องจากแบคทีเรียนั้นเลี้ยงง่ายและโตเร็ว ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงสามารถใช้มันเป็นแหล่งผลิตอินซูลินได้เป็นจํานวนมาก ซึ่งอินซูลินเหล่านี้สามารถในการใช้รักษาโรคเบาหวานได้ ซึ่งในสมัยก่อนการเตรียมอินซูลินนั้นต้องสกัดเอามาจากสัตว์เช่น หมูทําให้มีราคาแพงและไม่พอเพียง โดยนับตั้งแต่ ปีค.ศ ที่บริษัทไบโอเทคชื่อ Genentech ได้นําอินซูลินที่ถูกผลิตขึ้นโดยเทคนิคพันธุวิศวกรรมออกจําหน่าย ก็ได้มีบริษัทไบโอเทคต่างๆทั่วโลกเกอดขึ้นและได้ผลิตโปรตีนที่ใช้ในการรักษาโรคต่างๆด้วยเทคโนโลยีพันธุวิศวกรรมกว่า 300 ชนิดแล้ว โดยสิ่งมีชีวิตที่สามารถใช้เป็นแหล่งผลิตโปรตีนนั้น นอกจากจะเป็นแบคทีเรียแล้วยังอาจเป็น ยีสต์ รา โปรโตซัว รวมทั้ง พืชและสัตว์ด้วย ทั้งนี้ขึ้นกับชนิดของโปรตีนที่ต้องการผลิต โดยยีสต์ หรือสิ่งมีชีวิตอื่นที่มีนิวเคลียสจะมีประโยชน์อย่างยิ่งในการผลิตสารที่มีความสําคัญทางการแพทย์เช่น วัคซีน ฮอร์โมน หรือสารที่ช่วยให้เลือดแข็งตัว

50 นอกจากการนํายีนไปแสดงออกในแบคทีเรียแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถใช้ประโยชน์จากแบคทีเรียในการเป็นตัวช่วยเพิ่มจํานวนยีน หรือ DNA ส่วนที่ต้องการให้เป็นจํานวนมากได้ เพื่อใช้ทําการตรวจสอบลักษณะ หรือใช้ในการตัดต่อเข้ากับ DNA ชนิดอื่นต่อไป ข้อจํากัดของการใช้แบคทีเรียเป็นเครื่องเพิ่มจํานวน DNA ก็คือจะต้องนํา DNA ที่ต้องการเพิ่มจํานวนไปเชื่อมต่อกับ DNA ของแบคทีเรียเสียก่อนจึงยุ่งยาก เสียเวลาและทําไม่ได้กับยีนทุกชนิดที่ต้องการ ในปี ค.ศ ได้คิดค้นวิธีการใหม่ในการเพิ่มจํานวน DNA ให้เป็นจํานวนมากอย่างรวดเร็วคือวิธีการ PCR ดังจะได้กล่าวต่อไป วิธีการ PCR (polymerase chain reaction) เทคนิคที่มีความสําคัญอีกประการหนึ่งในงานพันธุวิศวกรรมคือเทคนิคการเพิ่มปริมาณ DNA อย่างรวดเร็วและเฉพาะเจาะจงด้วยวิธี Polymerase Chain Reaction หรือ PCR นับตั้งแต่เทคนิคนี้ได้ถูกคิดค้นขึ้น ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีพันธุวิศวกรรม และการตรวจเอกลักษณ์ DNA ก็ก้าวไปอย่างรวดเร็ว หลักการคร่าวๆของเทคโนโลยีนี้คือการทําการจําลองตัว DNA ด้วยเอ็นไซม์ที่ทนความร้อนสูงซํ้ากันหลายรอบภายในหลอดทดลอง โดยในขั้นแรกเส้น DNA จะถูกแยกออกด้วยความร้อน จากนั้นจึงค่อยๆลดความร้อนลงเพื่อให้จับกับชิ้น DNA เริ่มต้นหรือ primer จากนั้นเอ็นไซม์ที่จะสังเคราะห์ DNA ก็จะสามารถสร้าง DNA สายใหม่ขึ้นมาได้ เมื่อได้สร้าง DNA ขึ้นมาแล้วก็จะเริ่มขั้นแรกใหม่ ดังนั้นในแต่ละรอบ DNA ก็จะเพิ่มขึ้นที่ละ 2n ซึ่งเมื่อทําการเพิ่มปริมาณไป รอบก็จะได้ DNA ในปริมาณพอเพียงที่จะนําไปใช้ในขั้นตอนต่อไปได้เช่นนําไปตัดด้วยเอ็นไซม์เพื่อเชื่อมกับ DNA จากที่อื่น นําไปย้อมเพื่อส่องดู หรือนําไปตรวจหาลําดับเบส เทคนิค PCR นี้ยังมีความสําคัญยิ่งในการตรวจวิเคราะห์เอกลักษณ์ DNA เพื่อการตรวจรักษาโรค หรืองานทางนิติเวชที่จะได้กล่าวถึงต่อไป

51 การตรวจเอกลักษณ์ด้วยดีเอ็นเอ
การตรวจเอกลักษณ์ด้วย DNA นั้นอาศัยหลักการที่ว่า DNA ของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดถึงแม้จะมีโครงสร้างเหมือนกัน คือประกอบด้วย นํ้าตาล ฟอสเฟต และเบสทั้ง 4 ชนิดคือ A T C และ G แต่ลําดับเบสที่เรียงร้อยต่อกันในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดนั้นมีความแตกต่างกัน โดยความแตกต่างนี้มีในทุกระดับ ตั้งแต่ในระดับ Kingdom คือ พืช สัตว์ แบคทีเรีย รา ไปจนถึงในระดับ family genus species variety หรือ strains ขึ้นอยู่กับว่าจะเอา DNA ส่วนไหนมาเป็นตัวเปรียบเทียบ โดยวิธีการเปรียบเทียบนี้ใช้วิธีการหลัก 2 วิธีการคือ การตัด DNA หรือโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดออกไปเป็นส่วนๆ ด้วยเอ็นไซม์ แล้วดูรูปแบบของ DNA ที่ถูกตัดแล้วซึ่งจะมีความแตกต่างกันในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด เหตุที่รูปแบบของ DNA ที่ถูกตัดแล้วแตกต่างกันนั้นเป็นเพราะ ดังที่ได้กล่าวแล้วว่าเอ็นไซม์แต่ละชนิดสามารถตัด DNA ตรงตําแหน่งที่มีการเรียงตัวของเบสที่จะเพาะเจาะจง DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ ก็ย่อมจะตําแหน่งที่จะถูกตัดด้วยเอ็นไซม์แต่ละชนิดแตกต่างกัน ดังนั้นหลังจากถูกตัดแล้วความยาวของชิ้น DNA ที่เกิดขึ้นจากการตัดในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดก็จะมีความแตกต่างกันด้วย การเพิ่มจํานวน DNA อย่างเฉพาะเจาะจงด้วยวิธีการ PCR วิธีการนี้เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งและสามารถใช้ในการตรวจสอบ DNA ในปริมาณน้อย เหมาะกับตัวอย่างที่ได้จากคน สัตว์ และสิ่งแวดล้อม ปัจจัยสําคัญในความสําเร็จของวิธีการนี้คือการออกแบบ DNA ชิ้นตั้งต้น หรือ primer ที่เหมาะสมเพื่อให้สามารถเพิ่มปริมาณ เฉพาะ DNA ที่จะเป็นเครื่องชี้ว่าเป็นสิ่งมีชีวิตเฉพาะที่ต้องการตรวจสอบเท่านั้น

52 ยีโนมมนุษย์ ข่าวใหญ่เมื่อเดือน กุมภาพันธ์ ค.ศ คือการรายงานร่างลําดับเบสใน DNA ของยีโนมมนุษย์ การค้นพบครั้งนี้ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่ในวงการวิทยาศาสตร์ชีวภาพเพราะ DNA นั้นคือโมเลกุลที่รวบรวมข้อมูลทั้งหมดของชีวิตหนึ่งๆไว้ การค้นพบ ลําดับ DNA ทั้ง 3พันล้านเบสในมนุษย์นั้นจึงถือเป็นการเปิดเผยความลับชีวิตของมนุษย์ในระดับหนึ่ง ซึ่งความสําเร็จในการวิเคราะห์ลําดับเบสในยีโนมมนุษย์นั้น เกิดจากความร่วมมือขององค์กร หลัก 2 ฝ่ายคือ โครงการ Human Gemnome Project ซึ่งเป็นองค์การร่วมหลายฝ่ายประกอบด้วยประเทศ สหรัฐอเมริกา และอีกหลายประเทศในยุโรป รวมทั้งญี่ปุ่น ร่วมกับบริษัทในประเทศสหรัฐอเมริกาคือบริษัท Cerera Genomics การค้นพบครั้งนี้ทําให้เราได้ทราบว่า ยีโนมมนุษย์นั้นมีทั้งหมดประมาณ 3 พันล้านคู่เบส แต่ประกอบไปด้วยยีนเพียงประมาณ 30,000 – 40,000 ยีนเท่านั้น การเข้าใจลําดับยีนใน DNA ทั้งหมดของมนุษยนั้นจะมีส่วนช่วยอย่างยิ่งในการพัฒนาศึกษาวิจัยทางวิทยาศาสตร์การแพทย์ โดยมีการคาดการณ์กันว่าวิธีการรักษาโรคต่างๆจะเปลี่ยนไปในอนาคตเพราะเราสามารถเข้าใจกลไกการเกิดโรคได้อย่างแท้จริงลงไปในระดับโมเลกุล ดังนั้นจึงสามารถเข้าไปแก้ไขความผิดปกติที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุลได้ นอกจากนั้นแล้วการให้ยาในผู้ป่วยแต่ละคนก็จะเปลี่ยนไป ขึ้นกับลักษณะพันธุกรรมของแต่ละคน รวมทั้งจะทําให้สามารถทํานายได้ว่าเราจะเกิดโรคอะไรได้บ้างในอนาคต เพื่อหาทางป้องกันรักษาไว้ แต่อย่างไรก็ตามดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นแล้วว่า DNA นั้นเป็นเพียงตัวเก็บและถ่ายทอดข้อมูลไปยังลูกหลาน การรู้ลําดับเบสใน DNA หรือการรู้ลําดับกรดอะมิโนในโปรตีนจากการถอดรหัสออกมานั้น ยังไม่เพียงพอที่จะทําให้เราเข้าใจการทํางานของโปรตีนได้ ดังนั้นตราบใดที่เรายังไม่เข้าใจการทํางานของโปรตีนทุกตัว หรือจังหวะเวลาที่ยีนแต่ละตัวจะแสดงออกเป็นโปรตีนในแต่ละเซลแล้ว มนุษย์ก็ยังไม่สามารถไขความลับของชีวิตออกมาได้ทั้งหมดอย่างแท้จริง การค้นพบลําดับ DNA ของยีโนมมนุษย์ทั้งหมดจึงถือเป็นเพียงจุดเริ่มต้นที่สําคัญในการศึกษาและวิจัยเพื่อที่จะทําให้เราเข้าใจชีวิตมนุษย์อย่างถ่องแท้ในอีกหลายสิบปีข้างหน้าต่อไป นอกจากยีโนมมนุษย์แล้ว ในช่วงเวลาสิบกว่าปีที่ผ่านมานี้ซึ่งเป็นช่วงที่นักวิทยาศาสตร์มีเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสูงในการวิเคราะห์ลําดับเบสใน DNA ยีโนมของสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นๆเช่น ไวรัส และ แบคทีเรียหลายชนิด พืช และสัตว์ต่างๆ ก็ได้ถูกค้นพบขึ้นเช่นกัน โดยเหตุผลที่เลือกสิ่งมีชีวิตหนึ่งๆมาทําการวิเคราะห์หาลํกดับยีโนมนั้น เนื่องจากว่าสิ่งมีชีวิตนั้นเป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบในการศึกษาวิจัย (Model organism) มีความสําคัญทางการแพทย์เนื่องจากเป็นตัวก่อโรคต่างๆ หรือเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีความสําคัญทางเศรษฐกิจ เช่นข้าว หรือ วัวนม

53

54 Genetically Modified Organisms
GMOs Genetically Modified Organisms GMOs เป็นชื่อย่อภาษาอังกฤษของคําว่า Genetically Modified Organisms ซึ่งหมายถึงสิ่งมีชีวิตอะไรก็ได้ตั้งแต่ แบคทีเรีย รา ไปจนถึง พืชและสัตว์ที่ได้รับการเปลี่ยนแปลงหรือปรับแต่งพันธุกรรมให้มีคุณสมบัติเปลี่ยนไปจากเดิมโดยวิธีการต่างๆทางพันธุวิศวกรรม เหตุผลหลักของการปรับแปลงพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดนั้นมี ๒ ประการคือ ๑) เพื่อการค้นคว้าวิจัยทางอณูชีววิทยาของเซลในด้านต่างๆ และ ๒) เพื่อการผลิตให้เป็นผลิตภัณฑ์คุณสมบัติพิเศษเพื่ออํานวยความสะดวก หรือสร้างคุณภาพชีวิตขึ้นที่ดีให้แก่มนุษย์ ถ้าจะแบ่ง GMO ออกตามประเภทของสิ่งมีชีวิตแล้วอาจแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทคือ GMO จุลชีพ พืช และสัตว์ โดย GMO แต่ละประเภทสามารถนําไปใช้ประโยชน์ได้ต่างกันดังจะได้กล่าวต่อไป

55 จุลชีพ GMO จุลชีพ GMO นั้นประกอบไปด้วยจุลชีพที่เป็น แบคทีเรีย หรือ รา โดยเป้าหมายหลักของการสร้างจุลชีพ GMO เหล่านี้ขึ้นมาก็เพื่อทําให้มีคุณสมบัติพิเศษในการผลิตโปรตีนที่มีประโยชน์ทางเศรษฐกิจ หรือทางการแพทย์ หรือมีคุณสมบัติพิเศษสามารถย่อยสลายสารพิษหรือสารตกค้างในธรรมชาติได้ โดยทําการตัดต่อยีนที่มีคุณสมบัติพิเศษนั้นๆเข้าไปในจุลชีพ

56 GM Cotton & GM Tomato & GM Papaya
พืช GMOs พืช GMO ชนิดแรกถูกสร้างขึ้นเมื่อปี ค.ศ โดยนักวิทยาศาสตร์จากบริษัท Monsato และนักวิจัยจากเยอรมันนี โดยการนํายีนต้านยา Kanamycin ไปใส่ในเซลต้นยาสูบทําให้ผลิตได้เป็นต้นยาสูบที่มีฤทธิ์ต้านยา Kanamycin ได้ หลังจากนั้นก็ได้มีการผลิตพืช GMO ออกมาอีกหลายร้อยชนิด ตัวอย่างเช่น ข้าวโพด ข้าว wheat ถั่วเหลือง มันฝรั่ง ฝ้าย sugar beets alfafa canola กล้วย พืชยืนต้นในป่า และพืชอื่นๆอีกหลายชนิด โดยพืชที่ผลิตขึ้นนั้นมักจะได้รับการปรับปรุงพันธ์ให้มีคุณสมบัติดีขึ้น เช่น ทนโรค การกัดกินของแมลง สารเคมี หรือทนต่อสภาวะแวดล้อมเช่นความแห้งแล้ง ความเค็ม หรือความหนาวได้ดีขึ้น หรือไม่เน่าเสียได้ง่าย นอกจากนั้นแล้วยังอาจปรับปรุงพันธ์ให้เป็นพืชที่สามารถผลิตโปรตีนใหม่ๆที่มีประโยชน์ทางแพทย์ เช่นผลิต แอนติบอดี วัคซีน หรือนํ้ามัน ที่ช่วยลดการสะสมไขมันในเลือด การทําพืช GMO ให้มีคุณสมบัติต่างๆกันนั้นสามารถทําได้โดยการนํายีนที่จะช่วยให้พืชแสดงคุณสมบัติที่ต้องการไปใส่แสดงออกในเซลของพืช เช่นยีนที่สามารถผลิตสารพิษ Bt ที่สามารถฆ่าแมลงได้จากเชื้อ Bacillus thuringiensis

57 Golden Rice หรือยีนผลิตวิตามิน A จากแบคทีเรียไปใส่ไว้ในข้าว

58 Bt Corn and Monarch butterfly
ประเด็นสําคัญเมื่อกล่าวถึงสิ่งมีชีวิต GMO ก็คือข้อถกเถียงหรือวิพากวิจารณ์เกี่ยวกับความปลอดภัยของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ต่อชีวิตมนุษย์ หรือระบบนิเวศน์ในระยะยาว เช่นสิ่งมีชีวิตหลายชนิดมียีนที่ทําให้ต้านยา antibiotic หลายประเภทอยู่ ซึ่งถ้าหลุดออกไปสู่สิ่งมีเชื้อโรคอื่นแล้วอาจเกิดปํญหาทําให้เกิดการดื้อยาในวงกว้างได้ หรือสิ่งมีชีวิต GMO ที่เจริญเติบโตได้ดีและรวดเร็วกว่าสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติ อาจทําให้เกิดการสูญเสียความสมดุลย์ในระบบนิเวศน์หรือความหลากหลายทางธรรมชาติได้ รวมทั้งการบริโภคอาหารเตรียมจากสิ่งมีชีวิต GMO อาจนําไปสู่โรคร้ายที่คาดไม่ถึงมาก่อนได้ การวิพากวิจารณ์เหล่านี้นอกจากจะเป็นประเด็นทางวิทยาศาสตร์แล้ว ยังเป็นประเด็นทางการเมืองเข้าร่วมด้วย ดังนั้นจึงต้องฟังข้อมูลจากหลายฝ่ายเพื่อประเมินข้อดีเสียอย่างรอบคอบ

59 สัตว์ GMO สัตว์ GMO ที่มีมากที่สุดคือหนูทดลอง หนอนตัวกลม แมลงหวี่ ที่ได้ถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการต่างๆทั่วโลกเพื่อการค้นคว้าและวิจัยทางอณูชีววิทยา นอกจากนั้นแล้วสัตว์ GMO อีกหลายชนิดที่ถูกสร้างขึ้นนั้นมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ในการผลิตสารที่มีความสําคัญทางการแพทย์ เพราะสัตว์มีสรีระวิทยาใกล้เคียงกับมนุษย์ที่สุด จึงสามารถผลิตสารที่มีคุณสมบัติในการรักษาโรคต่างๆได้ดีที่สุด โดยเพื่อความสะดวกจะผลิตสารนั้นออกมาในนํ้านมของสัตว์เพื่อให้การคัดแยกและการทําให้บริสุทธฺ์ทําได้โดยง่าย ตัวอย่างโปรตีนที่มีความสําคัญทางการแพทย์ที่ได้ผลิตขึ้นมาแล้วคือ โปรตีนช่วยในขบวนการการแข็งตัวของเลือดในผู้ป่วยเลือดไหลไม่หยุด หรือโปรตีนที่เกี่ยวกับการกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน นอกจากนั้นแล้วยังมีการสร้าง ปลาและสัตว์อื่นอีกที่เป็น GMOหลายชนิดด้วย

60 GM Salmom

61 เทคโนโลยีดีเอ็นเอ กับชีวิตในปัจจุบัน และอนาคต
การรักษาโรคแนวใหม่ การประยุกต์ใช้ DNA ในงานทางนิติเวช SARS, ไข้หวัดนก RT-PCR Cloning และ Stem cell เทคโนโลยีดีเอ็นเอ กับชีวิตในปัจจุบัน และอนาคต เทคโนโลยี DNA ที่เกิดขึ้นในปัจจุบันนี้เป็นเทคโนโลยีที่ประสิทธิภาพสูงและสามารถนําไปประยุกต์ใช้ในงานได้หลายประเภททั้งการรักษาโรคแนวใหม่ งานทางนิติเวช การตรวจหาเชื้อที่แพร่ระบาดด้วยความรวดเร็ว การรักษาโรคแนวใหม่ การรักษาโรคแนวใหม่นั้นหมายถึงความสามารถในการรักษาโรคได้อย่างแม่นยําเพราะเพราะเราสามารถเข้าใจกลไกการเกิดโรคได้อย่างแท้จริงลงไปในระดับโมเลกุล ดังนั้นจึงสามารถเข้าไปแก้ไขความผิดปกติที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุลได้ นอกจากนั้นแล้วการให้ยาในผู้ป่วยแต่ละคนก็จะเปลี่ยนไป ขึ้นกับลักษณะพันธุกรรมของแต่ละคน รวมทั้งจะทําให้สามารถทํานายได้ว่าเราจะเกิดโรคอะไรได้บ้างในอนาคต เพื่อหาทางป้องกันรักษาได้ การประยุกต์ใช้ DNA ในงานทางนิติเวช การนําเทคโนโลยี DNA มาใช้ในงานทางนิติเวชนั้นอาศัยธรรมชาติของ DNAที่ว่า ในยีโนมมนุษย์นั้นมี ส่วนของ DNA ที่ทําหน้าทีเป็นยีนซึ่งมีหน้าที่ในการทํางานต่างๆภายในเซลเพียงราว 5% ที่เหลืออีก 95% นั้นไม่ได้เป็นส่วนของยีนที่มีหน้าที่ในการทํางานในเซล แต่เป็นส่วนของ DNA ที่มีคู่เบสซํ้ากันเรียงไปมาอยู่เป็นจํานวนมากทีละ 100 ถึง ครั้ง เช่นลําดับเบส CGCGCG ส่วนของ DNA ที่เรียงซํ้าๆกันไปมาอย่างไม่มีความหมายนี้ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของยีนแต่อย่างใด แต่มีความแตกต่างกันในแต่ละคน ดังนั้นจึงใช้ DNA เหล่านี้ในตรวจสอบเอกลักษณ์ของแต่ละคนได้ โดยการนํายีโนมคนมาตัดด้วยเอ็นไซม์ หรือทําการเพิ่มปริมาณขึ้นมาอย่างเฉพาะเจาะจงด้วยวิธีการ PCR โดยวิธีการตรวจด้วย PCR นั้น เป็นวิธีการที่มีความไวสูงมากเพียงคราบเลือดเล็กน้อย หรือเศษผมเพียงเส้นเดียวก็สามารถนําไปตรวจสอบเพื่อหาตัวผู้กระทําผิดอย่างแม่นยําได้ ข้อควรระวังในการใช้เทคโนโลยี DNA ในการตรวจสอบทางนิติเวชก็คือเนื่องจากเทคโนโลยีนี้มีความไวาก จึงอาจมีการปนเปื้อนจาก DNA ที่อื่นได้ จึงต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่งในการเก็บตัวอย่าง SARS, ไข้หวัดนก RT-PCR สถานการณ์การแพร่ระบาดของเชื้อไข้หวัดมรณะ และไข้หวัด และการเฝ้าระวังอย่างใกล้ชิดในปีนี้เป็นเครื่องแสดงให้เห็นความก้าวหน้าทางการแพทย์ และปศุสัตว์ในการตรวจสอบโรคอย่างรวดเร็วและแม่นยําทําให้การป้องกัน รักษา และการเฝ้าระวังไม่ให้โรคระบาดไปในวงกว้างมีประสิทธิภาพสูงขึ้น วิธีการหลักที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการตรวจสอบโรคระบาดทั้งสองที่เกิดจากเชื้อไวรัสคือการทําการสกัดเอา DNA จากเลือดหรือสารคัดหลั่งอื่นๆจากสิ่งมีชีวิตที่ต้องการตรวจสอบการติดเชื้อแล้วนําไปตรวจด้วยวิธี PCR ด้วย Primer ที่มีความจําเพาะเจาะจงต่อโรคนั้นๆ Cloning และ Stem cell การโคลนนิ่งที่จะกล่าวถึงในที่นี้หมายถึงการโคลนสัตว์ ซึ่งหมายถึงการสร้างสิ่งมีชีวิตใหม่จากเซลร่างกายของสิ่งมีชีวิตเดิม สิ่งมีชีวิตที่เกิดจากการโคลนครั้งแรกนั้นคือ กบ โดยทําการโคลนกบที่โตเต็มวัยให้เกิดขึ้นมาจากลูกอ๊อดได้ ตั้งแต่ปี ค.ศ แต่การโคลนสัตว์ที่สร้างความตื่นเต้นและสนใจในวงกว้างคือการโคลนแกะเมื่อปี ค.ศ ชื่อ Dolly ซึ่งเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมตัวแรกที่เกิดจากการโคลน โดยการนํานิวเคลียสจากเซลเต้านมของแกะไปใส่เซลไข่ที่ยังไม่ได้รับการผสมและถูกเอานิวเคลียสออกไปแล้ว จากนั้นนําไปเลี้ยงไว้ในแม่แกะตัวรับเพื่อพัฒนาต่อไปจนเป็นลูกแกะโตเต็มวัย ตั้งแต่นั้นมาก็ได้มีการโคลนสิ่งมีชีวิตเพิ่มขึ้นอีกหลายชนิดเช่น หนู หมู วัว แพะ และ แมว เป็นต้น โคลนของสัตว์ที่สร้างขึ้นมานี้บางครั้งยังมีการตัดต่อยีนทําสัตว์ที่โคลนได้มีคุณสมบัติพิเศษด้วยเช่นผลิตสารช่วยให้เลือดแข็งตัวออกมาในนํ้านมโดยแกะที่ชื่อ Polly เทคโนโลยีอีกอันหนึ่งที่เกิดมาควบคู่กับเทคโนโลยีการโคลนนิ่งที่กําลังได้รับการกล่าวถึงอย่างมากในปัจจุบัน คือเทคโนโลยี stem cell เพราะเป็นเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสูงอย่างยิ่งในการพัฒนาเพื่อประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ stem cell ส่วนใหญ่แล้วถูกเตรียมจากเซลชั้นในของตัวอ่อนระยะต้นๆของคนหรือสัตว์ ซึ่งเซลเหล่านี้มีคุณสมบัติพิเศษคือสามารถถูกพัฒนาไปเป็นเซลอะไรก็ได้ทุกเซลในตัวเต็มวัยของสิ่วมีชีวิตถ้าได้รับการกระตุ้นอย่างเหมาะสม stem cell ของมนุษย์ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ โดยนักวิทยาศาสตร์จาก University of Wisconsin Madison นอกจากการเตรียม stem cell จากตัวอ่อนของมนุษย์และสัตว์แล้ว ยังอาจเตรียมได้จากเซลในร่างกายบางอย่างเช่นจากไขสันหลัง เยื่อบุผิวหนัง หรือลําไส้ รวมทั้งจากสายสะดือ stem cell ที่เตรียมได้จากร่างกายของมนุษย์และสัตว์ที่โตเต็มวัยแล้วนี้อาจไม่ดีเท่า stem cell ที่เตรียมได้จากตัวอ่อนเพราะไม่สามารถพัฒนาไปเป็นเซลได้ทุกเซลแต่ก็เพียงพอที่จะนําไปใช้ประโยชน์ได้ รวมทั้งไม่ต้องกังวลกับความรู้สึกว่าได้มีการทําลายตัวอ่อนของมนุษย์ การศึกษาวิจัยเกี่ยวกับ stem cell นั้นกําลังได้รับความสนใจอย่างยิ่งทั่วโลก จนถึงปัจจุบันนี้พบว่าสามารถพัฒนา stem cell ได้เป็นเซลเม็ดเลือดขาวชนิดต่างๆ เซลตับอ่อน และเซลประสาทได้แล้ว ซึ่งเซลเหล่านี้อาจนําไปใช้รักษาผู้ป่วยเบาหวาน มะเร็งเม็ดเลือด หรือโรคเสื่อมของประสาท หรือผู้ที่ระบบสมองและประสาทถูกทําลายจากอุบัติเหตุได้ต่อไป

62 Cloning

63

64

65 A stem cell is a cell that has the ability to divide (self replicate) for indefinite periods—often throughout the life of the organism. Under the right conditions, or given the right signals, stem cells can give rise (differentiate) to the many different cell types that make up the organism. That is, stem cells have the potential to develop into mature cells that have characteristic shapes and specialized functions, such as heart cells, skin cells, or nerve cells.

66

67 With more than 50 years of experience studying blood-forming stem cells called hematopoietic stem cells, scientists have developed sufficient understanding to actually use them as a therapy. Currently, no other type of stem cell, adult, fetal or embryonic, has attained such status. Hematopoietic stem cell transplants are now routinely used to treat patients with cancers and other disorders of the blood and immune systems. Recently, researchers have observed in animal studies that hematopoietic stem cells appear to be able to form other kinds of cells, such as muscle, blood vessels, and bone. If this can be applied to human cells, it may eventually be possible to use hematopoietic stem cells to replace a wider array of cells and tissues than once thought.

68

69 With more than 50 years of experience studying blood-forming stem cells called hematopoietic stem cells, scientists have developed sufficient understanding to actually use them as a therapy. Currently, no other type of stem cell, adult, fetal or embryonic, has attained such status. Hematopoietic stem cell transplants are now routinely used to treat patients with cancers and other disorders of the blood and immune systems. Recently, researchers have observed in animal studies that hematopoietic stem cells appear to be able to form other kinds of cells, such as muscle, blood vessels, and bone. If this can be applied to human cells, it may eventually be possible to use hematopoietic stem cells to replace a wider array of cells and tissues than once thought.