พันธุวิศวกรรม

บทที่ 18 พันธุศาสตร์และเทคโนโลยีทางดีเอ็นเอ 

เอื้อเฟื้อภาพโดย ดร.นำชัย ชีววิวรรธน์ ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ 

             ปัจจุบันการศึกษาทางด้านพันธุศาสตร์มีความก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง โดยเฉพาะพันธุศาสตร์ระดับโมเลกุล มีการนำเทคโนโลยีรีคอมบิแนนท์ DNA หรือเทคนิคพันธุวิศวกรรมมาใช้ตัดต่อและเคลื่อนย้ายยีนไปมาระหว่างสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถแลกเปลี่ยนยีนได้ตามธรรมชาติ เช่น สามารถนำยีนซึ่งสร้างโปรตีนเรืองแสงฟลูออเรสเซนซ์สีเขียว ซึ่งพบได้ตามธรรมชาติในแมงกะพรุน Aquorea Victoria ไปใส่ไว้ในแบคทีเรีย Enterobacter amnigenus ทำให้แบคทีเรียเรืองแสงได้ และเมื่อนำแบคทีเรียชนิดนี้ไปเป็นอาหารแก่ลูกน้ำยุงรำคาญ จะเป็นทางเดินอาหารของลูกน้ำยุงเรืองแสงสีเขียว เนื่องจากมีแบคทีเรียดังกล่าวอยู่ภายใน

                สิ่งที่น่าสงสัย คือ พันธุวิศวกรรมมีกระบวนการอย่างไร และสามารถนำมาใช้ประโยชน์อะไรได้บ้าง นอกจากเทคนิคพันธุวิศวกรรมแล้วมีการประยุกต์ใช้ความรู้ทางพันธุศาสตร์อย่างไรบ้างนักเรียนจะได้ศึกษาจากบทต่อไปนี้

               เทคโนโลยีชีวภาพ (Biotechnology) เป็นการใช้เทคโนโลยีเพื่อทำให้สิ่งมีชีวิต หรือองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตมีสมบัติตามต้องการในอดีตเริ่มมีการใช้เทคโนโลยีชีวภาพตั้งแต่การที่มนุษย์ใช้จุลินทรีย์ในการหมักแอลกอฮอล์ ปลาร้า การทำซีอิ้ว การทำเต้าเจี้ยว ตลอดจนการพัฒนาปรับปรุงพันธุ์พืช และพันธุ์สัตว์ชนิดต่างๆ โดยใช้ความรู้ทางเทคโนโลยีชีวภาพ เช่น การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ การถ่ายฝากตัวอ่อน การผสมเทียม แต่ในบทเรียนนี้จะกล่าวถึงเทคโนโลยีชีวภาพที่เกี่ยวกับ DNA (DNA Technology) ซึ่งสามารถทำให้มนุษย์สามารถปรับแต่งยีนและเคลื่อนย้ายยีนข้ามชนิดของสิ่งมีชีวิต อย่างที่วิธีการตามธรรมชาติไม่สามารถทำได้ รวมทั้งการนำไปประยุกต์ใช้ในด้านอื่นๆ เช่น การบำบัดด้วยยีนและนิติวิทยาศาสตร์ เป็นต้น อย่างไรก็ดีเทคโนโลยีทาง DNA เป็นเพียงเทคโนโลยีชีวภาพแขนงหนึ่งเท่านั้น ยังมีเทคโนโลยีการหมัก เทคโนโลยีการผสมเทียม และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเรื่องของชีววิทยาทั้งสิ้น และนำประโยชน์มาสู่มวลมนุษย์อย่างมากมาย

               การใช้เทคโนโลยีเกี่ยวกับ DNA เพื่อสร้างรีคอมบิแนนท์ DNA ในหลอดทดลอง หรือที่เรียกว่า พันธุ-วิศวกรรม(genetic engineering) นั้นก่อให้เกิดการประยุกต์ใช้อย่างมากมายหลากหลายด้าน ทั้งทางด้านเกษตรกรรม การแพทย์ ตลอดการใช้ประโยชน์ทางสังคม โดยมีบทบาทในการตรวจสอบอาชญากรรมต่างๆที่เกิดขึ้น แต่สิ่งสำคัญที่ก่อให้เกิดประโยชน์อย่างมหาศาลต่อสังคมคือ การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเกี่ยวกับ DNA นี้ ในการวิจัยเกี่ยวกับความเป็นไปของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ ซึ่งในอดีตไม่สามารถหาคำตอบที่ชัดเจนได้การใช้เทคโนโลยีดังกล่าว ในการศึกษาจีโนมของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆไม่ว่าจะเป็นแบคทีเรีย พืช สัตว์ รวมทั้งมนุษย์ เป็นความหวังว่าจะทำให้เราเข้าใจกลไกการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตต่างๆได้ดีขึ้น และนำไปสู่การดำรงชีวิตอยู่ร่วมกันได้ดียิ่งขึ้นในอนาคต

 

                ปัจจุบันมีการนำเทคนิคทางพันธุวิศวกรรมไปใช้ในด้านต่างๆอย่างไรบ้างนักเรียนจะได้ศึกษาจากหัวข้อต่อไปนี้

คำถามนำ

   พันธุวิศวกรรมคืออะไร และมีกระบวนการอย่างไร

 

                  พันธุวิศวกรรม

                 พันธุวิศวกรรม เป็นเทคนิคการสร้าง DNA สายผสม หรือรีคอมบิแนนท์ DNA (recombinant DNA) ให้ได้สิ่งมีชีวิตที่มีลักษณะตามความต้องการ ซึ่งเทคนิคนี้ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ภายหลังจากการค้นพบเอนไซม์ในแบทีเรียที่สามารถตัดสาย DNA บริเวณที่มีลำดับเบสจำเพาะ ซึ่งเรียกว่า  เอนไซม์ตัดจำเพาะ  (restriction enzyme) และสามารถเชื่อมสาย DNA ที่ถูกตัดแล้วมาต่อกันได้ด้วย  เอนไซม์ DNAไลเกส  (DNA ligas enzyme) ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบรูปแบบ DNA สายผสมได้ หากทราบตำแหน่งหรือลำดับเบสในตำแหน่งของเอนไซม์ตัดจำเพาะชนิดต่างๆ

                เอนไซม์ตัดจำเพาะ

               เอนไซม์ตัดจำเพาะค้นพบเป็นครั้งแรกโดย แฮมิลตัน สมิธ (Hamilton Smith) และคณะแห่งสถาบันแพทยศาสตร์จอห์น ฮอปกินส์ สหรัฐอเมริกา ในปี พ.ศ. 2513 และต่อมาได้มีการค้นพบเอนไซม์ที่มีลักษณะเช่นนี้ แต่ตัดจำเพาะในตำแห่งลำดับเบสต่างออกไป จนถึงปัจจุบันนี้มีการค้นพบเอนไซม์ตัดจำเพาะมากกว่า 1,200 ชนิด ดังตัวอย่างในตารางที่ 18.1

 

 ตารางที่ 18.1 เอนไซม์ตัดจำเพาะ ลำดับเบสที่เป็นตำแหน่งที่ตัด และผลผลิตจากการตัดของเอนไซม์

 

                       -  เอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดมีลำดับเบสจำเพาะเท่ากันหรือไม่

                     -  ลำดับเบสจำเพาะของเอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิด มีลักษณะร่วมกันอย่างไร

                จากตารางเห็นว่าเอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดมีบริเวณลำดับเบสจำเพาะ และจุดตัดจำเพาะที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น เอนไซม์ Eco RI จะมีลำดับเบสจำเพาะในการตัดจำนวน 6 คู่เบส ในขณะที่ HaeIII จะใช้เพียง 4 คู่เบส จุดตัดจำเพาะที่เกิดขึ้น จะได้สาย DNA หลังจากถูกตัดแล้วใน 2 รูปแบบ เช่น กรณีของการตัดด้วยเอนไซม์ Eco RI จุดตัดจำเพาะจะอยู่ระหว่างเบส G และ A ซึ่งหลังจากการตัดจะทำให้ได้ปลายสายเดี่ยวทั้ง 2 ปลาย ที่รอยตัดของสาย DNA ซึ่งมีนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยวยื่นออกมา เรียกปลายสาย DNA ที่เกิดขึ้น เช่นนี้ว่า  ปลายเหนียว  (sticky end) แต่ในกรณีของ HaeIII จุดตัดจำเพาะอยู่ระหว่างเบส G และ C (ดังตาราง) เมื่อตัดแล้วจะไม่เกิดปลายสาย DNA ทั้งสองเส้นอยู่ตรงกันพอดี ปลายรอยตัด DNA เช่นนี้ เรียกว่า ปลายทู่ (blunt end)

       แม้ว่าการตัดจำเพาะของเอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดแตกต่างกัน แต่หากนักเรียนสังเกต จะพบว่ามีลักษณะร่วมกัน คือ การเรียงลำดับเบส ในบริเวณดังกล่าวในทิศทางจาก 5' ไปสู่ 3' จะเหมือนกันทั้งสองสายของสาย

 

                   18.1.2 การเชื่อมต่อสาย DNA ด้วยเอนไซม์ DNA ไลเกส 

                    จากการตัดสาย DNAของสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกัน จะนำมาเชื่อมต่อกันได้ด้วยเอนไซม์ DNA ไลเกส ซึ่งสามารถเร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะโคเวเลนซ์ระหว่างสองโมเลกุลของ DNA ให้เชื่อมต่อกันได้จากการตัดและการเชื่อมต่อสาย DNA นี้ทำให้เกิดสาย DNA สายผสมขึ้นดังภาพที่ 18-1

 

 ภาพที่ 18-1 การใช้เอนไซม์ตัดจำเพาะและเอนไซม์ดีเอ็นเอไลเกสในการสร้างโมเลกุลดีเอ็นเอสายผสม

             -  การเชื่อมสายดีเอ็นเอปลายทู่จะเหมือนหรือต่างจากการเชื่อมสายดีเอ็นเอปลายเหนียวอย่างไร