จากการที่นักวิทยาศาสตร์ได้นำเทคโนโลยีมาใช้เพื่อทำให้สิ่งมีชีวิต หรือ องค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตมีสมบัติตามต้องการ เรียกว่า เทคโนโลยีชีวภาพ Biotechnology)เดิมเรารู้จักเทคโนโลยีชีวภาพตั้งแต่การนำจุลินทรีย์มาใช้ในการหมักดอง ทำแอลกอฮอล์ ปลาร้า การทำซีอิ้ว การทำเต้าเจี้ยว ตลอดจนการปรับปรุงพันธุ์พืช และพันธุ์สัตว์ชนิดต่าง ๆ การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ การถ่ายฝากตัวอ่อน การผสมเทียม แต่ในบทนี้จะกล่าวถึงเทคโนโลยีชีวภาพที่เกี่ยวกับ DNA (DNA Technology) ซึ่งมนุที่ษย์เราสามารถปรับแต่งยีนและเคลื่อนย้ายยีนข้ามชนิดของสิ่งมีชีวิต ที่ธรรมชาติไม่สามารถทำได้ รวมทั้งการนำไปปรับปรุงใช้ในด้านอื่น ๆ เช่น การบำบัดด้วยีนและนิติวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตามเทคโนโลยี DNA เป็นเพียงเทคโนโลยีแขนงหนึ่งเท่านั้น ยังมีเทคโนโลยีชีวภาพด้านอื่น ๆ เช่น เทคโนโลยีการหมัก เทคโนโลยีการผสมเทียม และเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว ซึ่งนำมาใช้ประโยชน์กับมนุษย์อย่างมากมาย
genetic engineering
การใช้เทคโนโลยีเกี่ยวกับ DNA เพื่อสร้างรีคอมบิแนนส์ DNA ในหลอดทดลอง หรือที่เรียกว่า พันธุวิศวกรรม (genetic engineering) นั้นก่อให้เกิดการประยุกต์ใช้อย่างมากมายทั้งทางด้านเกษตรกรรม การแพทย์ ตลอดจนทางสังคม โดยมีบทบาทในการตรวจสอบอาชญากรรมต่าง ๆ ที่เกิดขึ้น แต่สิ่งสำคัญที่ก่อให้เกิดประโยชน์อย่างมหาศาลต่อสังคม คือ การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเกี่ยวกับ DNA นี้ ในการวิจัยเกี่ยวกับความเป็นไปของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ซึ่งในอดีตไม่สามารถหาคำตอบที่ชัดเจนได้ การใช้เทคโนโลยีดังกล่าวในการศึกษา จีโนมของสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นแบคทีเรีย พืช สัตว์ รวมทั้งมนุษย์ ด้วยความหวังว่าจะทำให้เข้าใจกลไกการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ได้ดียิ่งขึ้น นำไปสู่การดำรงชีวิตอยู่ร่วมกันได้ดียิ่งขึ้นในอนาคต
พันธุวิศวกรรมเป็นเทคนิคการสร้าง DNA สายผสม หรือ รีคอมบิแนนท์ DNA (recombinant DNA) ให้ได้สิ่งมีชีวิตที่มีลักษณะตามต้องการ ซึ่งเทคนิคนี้ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ภายหลังจากการค้นพบเอนไซม์ในแบคทีเรียที่สามารถตัดสาย DNA บริเวณที่มีลำดับเบสจำเพาะ ซึ่งเรียกว่า เอนไซม์ตัดจำเพาะ (restriction enzyme) และสามารถเชื่อมสาย DNA ที่ถูกตัดแล้วมาต่อกันได้ด้วยเอนไซม์ DNA ไลเกส (DNA ligase enzyme) ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบ DNA สายผสมได้ หากทราบตำแหน่งหรือลำดับเบสในตำแหน่งของเอนไซม์ตัดจำเพาะชนิดต่าง ๆ
เอนไซม์ตัดจำเพาะ
ในปี พ.ศ.2513 ความรู้ทางพันธุศาสตร์ในระดับโมเลกุล ก้าวหน้าไปอีกขั้นหนึ่งเมื่อ แฮมิลตัน สมิธ (Hamilton Smith) แห่งสถาบันแพทยศาสตร์จอห์นฮอปกินส์ ในสหรัฐอเมริกาค้นพบเอนไซม์ที่ทำหน้าที่ตัดสาย DNA ในจุดจำเพาะต่าง ๆ กัน เอนไซม์เหล่านี้เรียกรวม ๆ ว่า เอนไซม์ตัดจำเพาะ (restrictionenzyme)
restrictionenzyme EcoR1
เอนไซม์ตัดจำเพาะถูกแยกออกมาจากแบคทีเรีย ทำหน้าที่ตัดสาย DNA ตรงลำดับเบสจำเพาะ เอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดมีความจำเพาะในการตัดสาย DNA ส่วนใหญ่เอนไซม์ตัดจำเพาะที่นิยมนำมาใช้ในการโคลน DNA จดจำลำดับเบสจำเพาะที่มีความยาว 4 หรือ 5 หรือ 6 คู่เบส และมีจุดตัดจำเพาะในลำดับเบสเหล่านี้ ดังนั้นเอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดแตกต่างกันที่มีลำดับเบสจำเพาะและจุดตัดจำเพาะของสาย DNA ที่ต่างกัน เช่น EcoRi มีลำดับเบสจำเพาะ 6 คู่เบส และมีจุดตัดระหว่าง G-A และ HaeIII มี 4 คู่เบส และมีจุดตัดระหว่าง G-C เมื่อเอนไซม์ตัดจำเพาะตัดสาย DNA ทั้งสองสายจะทำให้เกิดปลายสายที่แตกต่างกันแล้วแต่ชนิดของเอนไซม์ ถ้าตัดสาย DNA แล้วทำให้เกิดปลายสายเดี่ยวที่มีนิวคลีโอไทด์ยื่นออกมา เรียกว่า ปลายเหนียว หรือ สติกกี้เอนด์ (sticky end) ซึ่งถ้าตัดสาย DNA อื่นด้วยเอนไซม์ตัดจำเพาะชนิดเดียวกันทำให้ปลายสายเดี่ยวมาเชื่อมต่อกันได้พอดี เอนไซม์ตัดจำเพาะมีจุดตัดอยู่ตรงกันทั้งสองสายของ DNA ทำให้เกิดปลายทู่ หรือ บลันต์เอนด์ (blunt end) สาย DNA ที่ตัดด้วยเอนไซม์ตัดจำเพาะ จะรวมเข้ากับพลาสมิดซึ่งตัดด้วยเอนไซม์ตัดจำเพาะชนิดเดียวกันและจะเชื่อมต่อกันด้วยเอนไซม์ไลเกสทำให้ได้ DNA สายผสม
คำถาม
1.เอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดมีลำดับเบสจำเพาะเท่ากันหรือไม่ ?
แนวตอบ เอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดมีลำดับเบสจำเพาะอาจเท่ากันหรือไม่เท่ากัน เอนไซม์ตัดจำเพาะที่มีลำดับเบสจำเพาะจำนวนเท่ากัน ก็จะมีคู่เบสและจุดตัดจำเพาะต่างกัน
2. ลำดับเบสจำเบสของเอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิด มีลักษณะร่วมกันอย่างไร ?
แนวตอบ เอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดมีลักษณะร่วมกันคือ การเรียงลำดับเบสในบริเวณลำดับเบสจำเพาะที่มีทิศทางจาก 5' ไปสู่ 3' เหมือนกันทั้งสองสายของ DNA
การเชื่อมต่อสาย DNA ด้วยเอนไซม์ DNA ไลเกส
DNA ไลเกส
เอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดมีลำดับเบสจำเพาะ
การค้นพบเอนไซม์ตัดจำเพาะทำให้นักชีวเคมีสามารถตัด DNA ให้เป็นท่อนสั้น ๆ ตรงจุดที่ทราบลำดับเบสที่แน่นอน จึงเป็นได้ที่จะนำชิ้นส่วนของ DNA ที่ถูกตัดด้วยเอนไซม์ชนิดเดียวกันมาเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน เพราะบริเวณรอยตัดมีเบสที่สามารถเข้าคู่กันได้ ซึ่งในปี พ.ศ. 2516 เอส.โคเฮน (S. Cohen) และเอ็ช. บอยเออร์ (H. boyer) ก็ประสบความสำเร็จในการเชื่อมต่อ DNA ของสิ่งมีชีวิตที่ต่างกัน แต่ถูกตัดด้วยเอนไซม์ชนิดเดียวกันเข้าเป็น DNA โมเลกุลเดียวกัน ทำให้เกิด DNA ใหม่ที่เรียกว่า DNA ลูกผสมหรือรีคอมบิแนนส์ ดีเอ็นเอ (recombinant DNA) ดังภาพ
จากการตัดสาย DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกัน แล้วนำมาเชื่อมต่อกันด้วยเอนไม์ DNA ไลเกสซึ่งสามารถเร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะโคเวเลนส์ระหว่างสองโมเลกุลของ DNA ให้เชื่อมต่อกันได้จากการตัดและการเชื่อมต่อสาย DNA นี้ทำให้เกิดสาย DNA สายผสม
วิธีการ
1. ตัดสาย DNA ด้วยเอนไซม์ตัดจำเพาะ
2. ตัดสาย DNA ในโมเลกุลอื่นด้วยเอนไซม์ตัดจำเพาะชนิดเดียวกัน3. เชื่อมต่อสาย DNA จาก DNA ต่างโมเลกุลกันด้วยเอนไซม์ DNA ไลเกส เกิดเป็น DNA สายผสม หรือรีคอมบิแนนท์ DNA
4. การสร้าง DNA สายผสมเป็นเทคนิคการตัดและเชื่อมต่อ DNA ต่างโมเลกุลเข้าด้วยกัน ซึ่งเรียกว่า "เทคนิคพันธุวิศวกรรม"
ความสำเร็จในการทำรีคอมบิแนนส์ ดีเอ็นเอ ย่อมหมายถึงโอกาสที่เราสามารถจะตัดต่อยีนได้ และถ้าเราสามารถตัดต่อยีนที่เราต้องการไม่ว่าจะเป็นยีนของคน พืชหรือสัตว์ก็ตาม เพื่อให้ยีนนั้นเข้าไปเชื่อมกับ DNA บางชนิด เช่น DNA ของพลาสมิดที่มีความสามารถในการแทรกผ่านเข้าไปในแบคทีเรียเจ้าบ้าน (host) ได้ เราย่อมสามารถจะนำยีนที่เราต้องการใส่เข้าไปอาศัยอยู่ในแบคทีเรีย และเมื่อแบคทีเรียแบ่งเซลล์ยีนแปลกปลอมที่ถูกนำไปแทรกอยู่ในพลาสมิดก็แบ่งตามไปพร้อม ๆ กับยีนของพลาสมิดและแบคทีเรียนั่นเอง การทำรีคอมบิแนนส์ ดีเอ็นเอ ได้สำเร็จจึงเป็นจุดกำเนิดของพันธุวิศวกรรม นักพันธุวิศวกรรมจะเป็นเสมือนหนึ่งวิศวกรที่ทำหน้าที่ออกแบบสร้างและตัดต่อยีนได้ดังประสงค์
เทคนิคการสร้างรีคอมบิแนนส์ ดีเอ็นเอ ประกอบด้วยความก้าวหน้าของเทคนิคอื่น ๆ ในช่วงปี พ.ศ. 2515-2533 อาทิ การแต่งเติมลำดับเบสให้แก่ปลาย DNA ตามความประสงค์การหาลำดับเบสของ DNA ด้วยวิธีการที่สะดวกและรวดเร็วขึ้น การเพิ่มปริมาณ DNA ด้วยวิธีการทางเคมีที่สะดวกรวดเร็ว และความก้าวหน้าในการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืชและสัตว์ เป็นต้น ทำให้พันธุวิศวกรรมเจริญก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ยังผลให้มีการพยายามนำเทคโลโลยีนี้ไปประยุกต์ใช้อย่างรวดเร็วกว้างขวาง เช่น
1. การเพิ่มผลผลิตโปรตีนที่สำคัญและหายาก เช่น โกรทฮอร์โมน อินซูลิน อินเตอร์ฟีรอน (interferon) วัคซีนแก้โรคตับอักเสบชนิด บี (hepatitis B vaccine) วัคซีนโรคปากและเท้าเปื่อยในสัตว์และเอนไซม์ต่าง ๆ เป็นต้น
2. การปรับปรุงพันธุ์ของจุลินทรีย์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมบางประเภท เช่น การผลิตยาปฏิชีวนะ การหมัก การกำจัดศัตรูพืชและสัตว์ เป็นต้น
3. การปรับปรุงพันธุ์พืชและสัตว์ให้มีลักษณะที่ต้องการ หรือให้มีผลผลิตที่ดียิ่งขึ้น เช่น การตรึงไนโตรเจนจากอากาศ การเพิ่มไลซีนในข้าว การต้านทานแมลง และการทนดินเค็ม การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ การโคลนนิ่ง การถ่ายฝากตัวอ่อน เป็นต้น
4. การตรวจและแก้ไขความบกพร่องทางพันธุกรรมของมนุษย์ พืช สัตว์ ด้วยวิธีแม่นยำและรวดเร็วยิ่งขึ้น
5. การใช้ลายพิมพ์ดีเอ็นเอเพื่อใช้คลี่คลายอาชญากรรม
วิธีการทางพันธุวิศวกรรมเป็น
1. ปฏิบัติการที่กระทำต่อยีนโดยตรง
2. ทำให้สามารถเปลี่ยนแปลงและปรับปรุงยีนของสิ่งมีชีวิตได้ทันที
3. ไม่ต้องรอการแยกตัวและการรวมกลุ่มของยีนตามกฎของเมนเดล
ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาพันธุวิศวกรรมถูกนำไปใช้เพื่อเพิ่มผลลิตทั้งในด้านคุณภาพและปริมาณในอุตสาหกรรมทางชีวภาพ เกษตรกรรม และการแพทย์อย่างกว้างขวาง แม้ว่าประโยชน์ของพันธุวิศวกรรมจะมีอยู่มากมายมหาศาลเพียงใด แต่หากเทคโนโลยีนี้ถูกนำไปใช้ในทางทำลาย ย่อมเกิดโทษได้อย่างมหันต์เช่นเดียวกัน
สิ่งมีชีวิตที่หลากหลายนั้นมีกฎเกณฑ์ทางพันธุกรรมที่ใช้ร่วมกันได้ และยิ่งในระดับโมเลกุลแล้ว กฎเกณฑ์เหล่านี้อาศัยรหัสพันธุกรรมที่เกิดขึ้นจากการเรียงลำดับเบสเพียง 4 ชนิดเท่านั้น คือ A,T,C และ G ดังนั้นความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับพันธุกรรมจึงช่วยให้เราเข้าใจสิ่งมีชีวิตตลอดจนเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างพันธุกรรมกับสิ่งแวดล้อมได้ดียิ่งขึ้น
แม้ความรู้ทางพันธุศาสตร์จะก้าวหน้าอย่างมากมายนับตั้งแต่เมนเดลได้วางรากฐานไว้ให้มากว่า 130 ปีมาแล้ว แต่หลายอย่างเป็นเพียงคำถามที่ยังไม่มีคำตอบ มีสิ่งที่จะต้องค้นคว้าวิจัยอีกมากมาย ซึ่งต้องอาศัยผู้ที่มีความเพียรพยายามสนใจศึกษาค้นคว้าเสาะแสวงหาความรู้และรายละเอียดเพิ่มเติมต่อไป เพื่อการค้นพบความรู้ใหม่ ๆ ต่อไปในอนาคต
เรียนรู้เพิ่มเติม
พันธุวิศวกรรม - วิกิพีเดีย
th.wikipedia.org/wiki/พันธุวิศวกรรม
Genetic engineering - Wikipedia, the free encyclopedia
en.wikipedia.org/wiki/Genetic_engineering
แปลหน้านี้
แปลหน้านี้
What is genetic engineering and how does it work? - UNL's ...
agbiosafety.unl.edu/basic_genetics.shtml
แปลหน้านี้
แปลหน้านี้
GEN | Genetic Engineering & Biotechnology News - Biotech ...
www.genengnews.com/
แปลหน้านี้
แปลหน้านี้
National Center for Genetic Engineering and Biotechnology ...
www.biotec.or.th/
What Is Genetic Engineering? | Union of Concerned Scientists
Genetic Engineering | Greenpeace International
BBC - GCSE Bitesize: Genetic engineering
Genes and Identity: Human Genetic Engineering | Learn ...
www.nature.com/.../genetic-inequality-human-genetic-engi...
แปลหน้านี้
แปลหน้านี้
Sustainable Table | Genetic Engineering
www.sustainabletable.org/264/genetic-engineering
แปลหน้านี้
แปลหน้านี้
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น