ยีนและโครโมโซม (2)

2. การค้นพบสารพันธุกรรม

ผลการเรียนรู้ สืบค้นข้อมูล รวบรวมข้อมูล อภิปรายและสรุปเกี่ยวกับการค้นพบสารพันธุกรรม

จุดประสงค์การเรียนรู้ 

           1. สืบค้นข้อมูล วิเคราะห์ อภิปรายและสรุปผลการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ เพื่อนำไปสู่การค้นพบสารพันธุกรรม
           2. สรุปได้ว่าส่วนของ DNA ที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม เรียกว่า ยีน และ DNA อยู่ที่โครโมโซม

คำถามก่อนเรียน

           “ยีน DNA โครโมโซม และลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตมีความเกี่ยวข้องกันอย่างไรกับการค้นพบ DNA”
แบบฝึกกิจกรรม  เรื่อง  การค้นพบสารพันธุกรรม 
ข้อกำหนด ให้นักเรียนทำกิจกรรมต่อไปนี้ โดยสืบค้นข้อมูล พร้อม สรุป และรายงานตามลำดับ

ชื่อ – สกุล ..........................................................................................ชั้น.....................เลขที่...............
1. จากภาพการทดลองต่อไปนี้

     1.1 นักเรียนจะอธิบายผลการทดลองนี้ว่าอย่างไร ?      

     1.2 ข้อสรุปผลการทดลองนี้คืออะไร ?

2. จากภาพการทดลองต่อไปนี้

           จงให้เหตุผลว่าเป็นเพราะเหตุใดการทดลองนี้จึงเติมเอนไซม์ RNase DNase และ โปรตีเอส ลงไปรวมกับสารสกัดจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S

           การค้นพบสารพันธุกรรม

ภาพที่ 1 เอฟ มิเชอร์ (F. Miescher)

           ในปี พ.ศ. 2412 เอฟ มิเชอร์ (F. Miescher) นักชีวเคมีชาวสวีเดนได้ศึกษาส่วนประกอบในนิวเคลียสของเซลล์เม็ดเลือดขาวที่ติดมากับผ้าพันแผล โดยนำมาย่อยเอาโปรตีนออกด้วยเอนไซม์เพปซิน พบว่าเอนไซม์นี้ไม่สามารถย่อยสลายสารชนิดหนึ่งที่อยู่ภายในนิวเคลียสได้ เมื่อนำสารนี้มาวิเคราะห์ทางเคมีก็พบว่า มีธาตุไนโตรเจนและฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบ จึงเรียกสารที่สกัดได้จากนิวเคลียสว่า นิวคลีอิน(nuclein) ต่อมาอีก 20 ปี ได้มีการเปลี่ยนชื่อใหม่ว่า กรดนิวคลีอิก เนื่องจากมีผู้ค้นพบว่าสารนี้มีสมบัติเป็นกรด            

           เมื่อมีการพัฒนาสีฟุคซิน (fuchsin) ในปี พ.ศ. 2457 โดย อาร์ ฟอยล์แกน(R. Feulgen) นักเคมีชาวเยอรมัน ซึ่งสีย้อมนี้ย้อมติด DNA ให้สีแดง และเมื่อนำไปย้อมเซลล์ พบว่าติดที่นิวเคลียสและรวมตัวหนาแน่นที่โครโมโซม จึงสรุปว่า DNA อยู่ที่โครโมโซม

           จะเป็นไปได้หรือไม่ว่า DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ถ้า DNA เป็นสารพันธุกรรม DNA จะต้องควบคุมการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมได้ ดังนั้น โครโมโซม นอกจากจะมีโปรตีนแล้วก็ยังมี DNAอีกด้วย การค้นพบว่า DNA  อยู่ที่โครโมโซม ทำให้นักวิทยาศาสตร์ เชื่อว่า DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ แต่ก็มีนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากในสมัยนั้นเชื่อว่า สารพันธุกรรมน่าจะเป็นโปรตีน เนื่องจากโปรตีนเป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้วยกรดอะมิโน 20 ชนิด จึงน่าจะมีโปรตีนชนิดต่างๆ มากพอที่จะควบคุมลักษณะของสิ่งมีชีวิตได้อย่างครบถ้วน           

           ในปี พ.ศ. 2471 เอฟ กริฟฟิท (F. Griffith) แพทย์ชาวอังกฤษทำการทดลองโดยฉีด แบคทีเรีย(Streptococcus pneumoniae) ที่ทำให้เกิดโรคปอดบวมเข้าไปในหนู แบคทีเรียที่ฉีดเข้าไปนี้มี 2 สายพันธุ์ คือ สายพันธุ์ที่มีผิวหยาบ เพราะไม่มีสารห่อหุ้มเซลล์หรือ แคปซูล(capsule) ไม่ทำให้เกิดโรคปอดบวม เรียกว่าสายพันธุ์ R (rough) และสายพันธุ์ที่มีผิวเรียบ มีสารห่อหุ้มเซลล์ทำให้เกิดโรคปอดบวมรุนแรงถึงตาย เรียกว่าสายพันธุ์ S (smooth) ตามการทดลองดังภาพที่ 2

ภาพที่ 2  การทดลองของ เอฟ กริฟฟิท

           กริฟฟิทนำแบคทีเรียสายพันธุ์ R ฉีดให้หนู พบว่าหนูไม่ตาย ดังภาพที่ 2 ก.  ต่อมานำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ฉีดให้หนูพบว่าหนูตาย ดังภาพที่ 2 ข.  เมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อน แล้วฉีดให้หนูพบว่าหนูไม่ตาย ดังภาพที่ 2-2 ค.  แต่เมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อนผสมกับสายพันธุ์ R ที่มีชีวิต ทิ้งไว้ระยะหนึ่งแล้วฉีดให้หนูพบว่าหนูตาย  เมื่อตรวจเลือดหนูที่ตาย ปรากฏว่ามีแบคทีเรียสายพันธุ์ S ปนอยู่กับสายพันธุ์ R ดังภาพที่ 2 ง.  

           สิ่งที่น่าสงสัยคือ เหตุใดเมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อน ไปผสมกับสายพันธุ์ Rที่มีชีวิตแล้วฉีดให้หนูจึงทำให้หนูตาย กริฟฟิท ได้รายงานว่ามีสารบางอย่างจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อนเข้าไปยังสายพันธุ์ R บางเซลล์และสามารถทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ Rเปลี่ยนแปลงสายพันธุ์เป็นสายพันธุ์ S ที่มีชีวิต สายพันธุ์ S เหล่านี้ยังสามารถถ่ายทอดลักษณะไปสู่รุ่นลูกหลาน อย่างไรก็ตาม  กริฟฟิท ก็ไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าสารนั้นคืออะไร           

           ในปี พ.ศ.  2487 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 3 คน  คือ โอ ที แอเวอรี่ (O.T. Avery) ซี แมคลอยด์ ( C. MacLeod) และ เอ็ม แมคคาร์ที (M. McCarty) ทำการทดลองต่อจาก กริฟฟิท โดยนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S มาทำให้ตายด้วยความร้อน แล้วสกัดเอาสารจากสารพันธุ์ S ออกมาใส่ในหลอดทดลอง 4 หลอด แล้วเติม เอนไซม์ RNase (ribonuclease) ในหลอดทดลอง ก. เพื่อย่อยสลาย RNA เติมเอนไซม์โปรตีเอสื (protease) ลงในหลอดทดลอง ข. เพื่อย่อยสลาย โปรตีน และเติมเอนไซม์ DNase (deoxyribonuclease) ลงในหลอดทดลอง ค. เพื่อย่อยสลาย DNA  ส่วนหลอด ง. เป็นการทดลองชุดควบคุม ซึ่งไม่มีการเติมเอนไซม์อื่นใดเพิ่มเติม ต่อจากนั้นเติมแบคทีเรียสายพันธุ์ R ลงในแต่ละหลอดทดลอง ดังการทดลองในภาพ 2-3 ปล่อยไว้ระยะเวลาหนึ่งจึงนำไปเพราะเลี้ยงในอาหารวุ้น แล้วตรวจสอบแบคทีเรียที่เกิดขึ้น

ภาพที่ 3 การทดลองของแอเวอรี่ แมคลอยด์ และแมคคาร์ที

           จากผลการทดลองของเอเวอรี่และคณะ ปรากฏว่าส่วนผสมของแบคทีเรียสายพันธุ์ R กับสารสกัดจากสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อน ในภาวะที่มีเอนไซม์ DNase จะไม่พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่เกิดขึ้นใหม่ ในขณะที่ในส่วนผสมของแบคทีเรียสายพันธุ์ R กับสารสกัดสายพันธุ์ S ในภาวะที่มีเอนไซม์ RNaseและภาวะที่มีเอนไซม์ โปรตีเอส จะพยสายพันธุ์ S เกิดขึ้น การทดลองนี้จึงแสดงให้เห็นว่า DNA คือสารที่เปลี่ยนพันธุกรรมของแบคทีเรียจากสายพันธุ์ R ให้เป็นสายพันธุ์ S แอเวอรี่จึงสรุปว่า กรดนิวคลีอิกชนิดDNA เป็นสารพันธุกรรมไม่ใช่โปรตีนดังที่เคยเชื่อกันมาก่อนหน้านี้           นอกจากนี้ยังมีการทดลองอื่นๆ ตามมาที่ยืนยันตรงกันว่า DNA เป็นสารพันธุกรรม ต่อมาได้มีการค้นพบว่า DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทั่วไปทั้ง คน สัตว์ พืช โพทิสต์ แบคทีเรีย ไวรัส และยังพบว่า RNA เป็นสารพันธุกรรมในไวรัสบางชนิด เช่น ไวรัสที่ทำให้เกิดโรคใบด่างในใบยาสูบ ไวรัสที่เป็นสาเหตุของโรคโปลิโอ เอดส์ ซาร์ส ไข้หวัดนก และโรคมะเร็งบางชนิด เป็นต้น           

           ดังนั้นจึงถือได้ว่าผลการทดลองของกริฟฟิท แอเวอรี่และคณะ เป็นจุดเริ่มต้นที่นำไปสู่ข้อสรุปที่สำคัญเป็นอย่างมากก็คือ ยีนหรือสารพันธุกรรมซึ่งทำหน้าที่ถ่ายทอดลักษณะของสิ่งมีชีวิตไปสู่รุ่นต่อๆไปนั้น เป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่มีชื่อว่า DNA นั่นเอง และจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ในระยะต่อมาพบว่าDNA มีส่วนที่ควบคุม ลักษณะทางพันธุกรรมและส่วนที่ไม่ได้ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม  DNA ส่วนที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม เรียกว่า ยีน ดังนั้นหน่วยพันธุกรรมที่เมนเดลเรียกว่าแฟกเตอร์ ก็คือยีนซึ่งอยู่ที่โครโมโซมนั้นเอง

           สรุปการค้นพบสารพันธุกรรม

           1. เอฟ มิเชอร์ พบว่า ในนิวเคลียสมีสารที่มีธาตุไนโตรเจนและฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบ
           2. ฟอยล์เกน พบว่า DNA อยู่ที่โครโมโซม           3. เอฟ กริฟฟิท พบว่าแบคทีเรียสายพันธุ์ที่ทำให้เกิดโรคที่ทำให้ตายด้วยความร้อน มีสารบางอย่างที่ไปทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ที่ไม่ทำให้เกิดโรค เป็นสายพันธุ์ที่ทำให้เกิดโรคได้และสามารถถ่ายทอดลักษณะนี้ไปสู่ลูกหลาน
           4. โอ ที แอเวอรี่ และคณะ แสดงให้เห็นว่า DNA เป็นสารที่สามารถเปลี่ยนพันธุกรรมของแบคทีเรียสายพันธุ์ R ให้เป็น สายพันธุ์ S

           จากหลักฐานดังกล่าวจึงสรุปได้ว่า DNA เป็นสารพันธุกรรม

           ข้อเสนอแนะเพิ่มเติม

           การที่แอเวอรี่ทดลองโดยใช้เอนไซม์ต่างๆ ได้แก่ RNase DNase และ โปรติเอส ลงไปรวมกับสารสกัดจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S ก็เพื่อให้แน่ใจว่า เมื่อ DNA ถูกย่อยสลายโดย DNase ก็จะไม่มี DNA ที่จะไปเปลี่ยนแบคทีเรียสายพันธุ์ R ให้เป็นสายพันธุ์ S ได้ ส่วนหลอดอื่นๆ DNA ไม่ถูกย่อยสลาย ก็จะพบแบคทีเรียสายพันธุ์ S อีกอย่างหนึ่งก็คือเนื่องจากว่าโครโมโซมประกอบด้วย DNA และโปรตีน มีนักวิทยาศาสตร์บางคนเข้าใจว่าสารพันธุกรรมอาจเป็นโปรตีนแทนที่จะเป็น DNA ดังนั้นการทดลองของแอเวอรี่ที่เติมเอนไซม์โปรติเอส เมื่อย่อยสลายโปรตีนก็พบว่ามีแบคทีเรียสายพันธุ์ S เกิดขึ้น ซึ่งยืนยันว่าสารพันธุกรรมก็คือ DNA ไม่ใช่โปรตีนอย่างที่เคยเข้าใจ