Genes and DNA of Biology Funs: ภาระงานที่3

สารพันธุกรรม หรือดีเอ็นเอ (DNA)

สารพันธุกรรม หรือดีเอ็นเอ (deoxyribonucleic acid; DNA) เป็นกรดนิวคลิอิก (Nucleic acid) ที่ทำหน้าที่เก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ดีเอ็นเอส่วนใหญ่อยู่ในรูปโครโมโซม (chromosome) วางตัวอยู่ ในส่วนนิวเคลียสภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ดีเอ็นเอมีหน้าที่สำคัญ ๒ ประการ คือ

๑. การจำลองตัวเอง (DNA replication) ดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตมีความสามารถสร้างและจำลองตัวมันเอง ขณะเกิดกระบวนการแบ่งเซลล์ เพื่อสร้างดีเอ็นเอที่เหมือนเดิม ทุกประการให้แก่เซลล์ใหม่

๒. การถ่ายทอดข้อมูลผ่านอาร์เอ็นเอ (transcription) ดีเอ็นเอสามารถถูกถอดรหัสเพื่อสร้างเป็นอาร์เอ็นเอ (ribonucleic acid; RNA) อาร์เอ็นเอที่ได้นี้จะทำหน้าที่กำหนด การเรียงตัวของกรดอะมิโนในกระบวนการสังเคราะห์โปรตีน ซึ่งโปรตีนจะถูกนำมาเป็น ส่วนประกอบสำคัญในโครงสร้างขององค์ประกอบต่างๆภายในเซลล์ และเป็นสารเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมีหรือเอนไซม์ (enzyme) ในสิ่งมีชีวิต ด้วยหน้าที่ทั้ง ๒ ประการของดีเอ็นเอ ทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถสืบทอด ลักษณะประจำพันธุ์ และดำรงเผ่าพันธุ์อยู่ได้

ดีเอ็นเอประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่า นิวคลิโอไทด์ (nucleotide) ซึ่งเป็นสารประกอบไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) แบ่งออกเป็น ๒ กลุ่มคือ กลุ่มพิวรีนเบส (purine) ได้แก่ ไทมีน (thymine; T) ไซโทซีน (cytosine; C) และกลุ่มไพริมิดีนเบส (pyrimidine) ได้แก่ อะดีนีน (adenine; A) กัวนีน (guanine; G) โดยสารประกอบไนโตรจีนัสเบสนี้จะรวมตัวกับน้ำตาลดีออกซีไรโบส (deoxyribose sugar) และกรดฟอสฟอริก (phosphoric acid) เป็นนิวคลิโอไทด์อยู่ในดีเอ็นเอ นิวคลิโอไทด์จึงมีอยู่ ๔ ชนิดตามชนิดของไนโตรจีนัสเบส คือ อะดีโนซีนไทรฟอสเฟต (adenosine triphosphate; ATP) กัวโนซีนไทรฟอสเฟต (guano sine triphosphate; GTP) ไซโทซีนไทรฟอสเฟต (cytosine triphosphate; CTP) และไทมิดีนไทรฟอสเฟต (thymidine triphosphate; TTP) การเรียงลำดับของนิวคลิโอไทด์ ทั้ง ๔ ชนิด ส่งผลต่อการเกิดความหลากหลาย และสร้างความแตกต่างในลำดับเบสบนสายดีเอ็นเอ ซึ่งมีความจำเพาะในสิ่งมีชีวิต แต่ละชนิด

โครงสร้างของดีเอ็นเอประกอบไปด้วย สายพอลินิวคลิโอไทด์ที่เกิดจากการเชื่อมต่อ กันของนิวคลิโอไทด์หลายๆหน่วยด้วยพันธะ ฟอสโฟไดเอสเตอร์ โดยเกิดจากสายพอลินิวคลิโอไทด์จำนวน ๒ สายเรียงตัวขนานกันในทิศทางตรงกันข้าม เข้าคู่และพันกันเป็นเกลียวเวียนขวาคล้ายบันไดเวียน ที่เรียกว่า ดับเบิลเฮลิกซ์ (doublehelix) การเข้าคู่หรือเข้าจับกันของสายพอลินิวคลิโอไทด์ทั้ง ๒ สายเกิดจากการเข้าคู่กันระหว่างเบสพิวรีนและเบสไพริมิดีน ด้วยพันธะไฮโดรเจน โดย A ทำการสร้างพันธะจำนวน ๒ พันธะเข้าจับกับ T (A = T) และ G ทำการสร้างพันธะ จำนวน ๓ พันธะเข้าจับกับ C โดยมีน้ำตาลและหมู่ฟอสเฟตทำหน้าที่เป็นแกนอยู่ด้านนอกของโมเลกุล

หน่วยพันธุกรรม หรือยีน (Gene)

หน่วยพันธุกรรม หรือยีน (Gene) คือ ดีเอ็นเอส่วนที่เป็นลำดับของรหัสทางพันธุกรรม (Genetic code) สำหรับการสร้างโปรตีนทุกชนิดในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต รหัสทางพันธุกรรมเกิดจากการเรียงลำดับของนิวคลิโอไทด์ทั้ง ๔ ชนิด โดย ๑ รหัสพันธุกรรมเกิดจากการเรียงตัวของนิวคลิโอไทด์จำนวน ๓ นิวคลิโอไทด์ (triplet code) รหัสทางพันธุกรรมหนึ่งๆมีความจำเพาะกับกรดอะมิโน (amino acid) ที่เป็นองค์ประกอบของโปรตีนเพียง ๑ ชนิดจากจำนวน กรดอะมิโนที่มีอยู่ทั้ง ๒๐ ชนิด การเรียงตัวของลำดับ จำนวน และชนิดของกรดอะมิโน ที่แตกต่างกันทำให้เกิดเป็นโปรตีนชนิดต่างๆ

ความแตกต่างของลำดับนิวคลิโอไทด์บนสายดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด ส่งผลให้เกิดความแตกต่างกันในระดับรหัสทาง พันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ทำให้สิ่งมีชีวิตชนิด เดียวกันแต่ต่างสายพันธุ์ที่มียีนแตกต่างกัน เกิดการสร้างโปรตีนและมีกระบวนการทางชีวเคมีต่างกันออกไป สิ่งมีชีวิตจึงมีความต่าง และความหลากหลายในลักษณะทางพันธุกรรมที่ปรากฏออกมา

การค้นหาหน้าที่ของยีนและกลไกการทำงานของยีน สามารถตรวจสอบได้จากผลิตผลหรือลักษณะต่างๆที่เป็นการแสดงออก ของยีนนั้นในสิ่งมีชีวิตที่ทำการศึกษา โดยเปรียบเทียบระหว่างยีนปกติกับยีนที่ทำงานผิดไปจากเดิม หรือยีนกลาย (mutated gene) จากการสกัดแยกยีนที่สนใจออกมาจากสิ่งมีชีวิต ทำการชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์ และนำมาส่งถ่ายกลับเข้าไปในเซลล์ปกติ แล้วตรวจดูผลที่เกิดขึ้น ทำให้ทราบว่ายีนนั้นทำงานหรือควบคุมการแสดงออกของลักษณะทางพันธุกรรมอะไร นอกจากนี้ ยังสามารถทำการดัดแปลงยีนให้สร้างผลิตผล ตามต้องการได้โดยอาศัยเทคโนโลยีการตัดต่อยีน ด้วยวิธีการดัดแปลงหรือปรับปรุงชิ้นส่วนดีเอ็นเอ หรือยีนให้เป็นไปตามที่ต้องการ แล้วทำการส่งถ่ายยีนเข้าสู่สิ่งมีชีวิตเป้าหมายเพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม หรือ GMOs (Genetically Modified Organisms) ต่อไป

ได้มีการนำวิธีการด้านเทคโนโลยีชีวภาพต่างๆมาใช้ เพื่อศึกษาทางด้านยีนและด้านพันธุกรรม ได้แก่

๑. การสกัดแยกดีเอ็นเอออกจากเซลล์

๒. การตัด ต่อ รวมทั้งการดัดแปลง ชิ้นส่วนดีเอ็นเอ

๓. การเพิ่มปริมาณยีนหรือการโคลน ยีน (gene cloning)

๔. การเพิ่มชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่มีความ จำเพาะจากการทำปฏิกิริยาภายในหลอดทดลอง ในเครื่องควบคุมอุณหภูมิ

๕. การศึกษาชิ้นส่วนดีเอ็นเอด้วยวิธีแยกขนาดและปริมาณ ผ่านตัวกลางที่เป็นแผ่นวุ้นโดยใช้กระแสไฟฟ้า

๖. การตรวจและพิสูจน์ดีเอ็นเอที่มีการเรียงลำดับเบสที่จำเพาะบนแผ่นเม็มเบรน (เยื่อ) พิเศษ (southern bloting)

๗. การหาลำดับเบสบนสายดีเอ็นเอ (DNA sequencing)

๘. การศึกษาความแตกต่างระดับยีน โดยการใช้เครื่องหมายดีเอ็นเอ

๙. การเพาะเลี้ยงเซลล์และการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ

๑๐. การส่งถ่ายยีนเพื่อการเปลี่ยนแปลง ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตที่ต้องการ

เครื่องหมายดีเอ็นเอ

เครื่องหมายดีเอ็นเอ คือ ชิ้นดีเอ็นเอสายสั้นๆที่ลำดับเบสสามารถจับกัน หรือเข้าคู่กับช่วงใดช่วงหนึ่งบนสายดีเอ็นเอหรือโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตเป้าหมาย ทำให้สามารถกำหนดหรือระบุตำแหน่งใดตำแหน่ง หนึ่งบนโครโมโซมที่ศึกษา นอกจากนี้ ยังนำมาใช้เป็นเครื่องหมายติดตามหน่วยพันธุกรรมหรือยีนของสิ่งมีชีวิตได้ ความแตกต่าง ที่พบจากการใช้เครื่องหมายดีเอ็นเอตรวจสอบ สารพันธุกรรมจากสิ่งมีชีวิตที่ต่างชนิดหรือต่างพันธุ์กัน เกิดขึ้นจากการเรียงตัวของลำดับของนิวคลิโอไทด์ในสารพันธุกรรมของ สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดที่มีความแตกต่างกัน

เมื่อนำมาทำปฏิกิริยาระหว่างเครื่องหมายดีเอ็นเอชนิดต่างๆ ตำแหน่งการวางตัวและปริมาณของแถบดีเอ็นเอ (DNA band) ที่ปรากฏบนตัวกลางในการตรวจสอบภายหลัง จากการทำปฏิกิริยาจึงแตกต่างกัน ทำให้สามารถแยกความแตกต่างของสิ่งมีชีวิตที่นำมาทำการศึกษาได้

เครื่องหมายดีเอ็นเอที่นำมาใช้ในการตรวจสอบหาความแตกต่างของสิ่งมีชีวิต สามารถแบ่งออกเป็น ๒ ประเภทตามหลักการ คือ

๑. วิธีการ RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism)

เป็นวิธีที่ใช้ดีเอ็นเอตรวจสอบ (DNA probe) ซึ่งเป็นชิ้นส่วนดีเอ็นเอสายเดี่ยวขนาด เล็กที่ทราบลำดับเบสและทำการติดฉลากสารกัมมันตรังสีเพื่อใช้ในการติดตามผล นำมาทำปฏิกิริยากับดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตที่สนใจที่ถูกแยกเป็นเส้นเดี่ยว และถูกตัดย่อยด้วยเอนไซม์ตัดจำเพาะ (restriction enzymes) โดยอาศัยความสามารถของดีเอ็นเอตรวจสอบที่สามารถเข้าคู่หรือจับกันกับสายดีเอ็นเอ เป้าหมายตรงตำแหน่งที่มีลำดับเบสเป็นคู่สม (DNA hybridization) กันได้

๒. เทคนิค PCR (Polymerase Chain Reaction)

เป็นวิธีการเพิ่มปริมาณชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่มีความจำเพาะขึ้นในหลอดทดลองโดยทำปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่องเป็นลูกโซ่ จากการทำปฏิกิริยาร่วมกันระหว่าง ๑. เอนไซม์ DNA polymerase ที่ใช้ในการสังเคราะห์สายดีเอ็นเอ ๒. ดีเอ็นเอสายสั้นๆ ๒ สาย หรือไพรเมอร์ (DNA primer) ที่ใช้เป็นจุดเริ่มต้นการสังเคราะห์ดีเอ็นเอสายใหม่ เป็นตัว กำหนดขนาดของดีเอ็นเอที่ทำการสังเคราะห์ ๓. นิวคลิโอไทด์อิสระ และ ๔. สายดีเอ็นเอ เป้าหมาย ภายในหลอดทดลอง ภายหลังการ ทำปฏิกิริยาจะได้สายดีเอ็นเอใหม่จำนวนมาก ที่ถูกกำหนดขนาดตามระยะห่างของไพรเมอร์ ทั้ง ๒ สายที่เข้าจับบนสายต้นแบบเมื่อเริ่มปฏิกิริยาสังเคราะห์