พันธุศาสตร์และเทคโนโลยีทาง DNA

พนั ธศุ าสตรแ์ ละเทคโนโลยีทาง DNA วิชา ชวี วิทยา 4 ชัน้ มธั ยมศึกษาปีที่ 5 ผู้สอน นางสาวทัศหทัย ใจชนะ

เทคโนโลยีชวี ภาพ (Biotechnology) การนาความรู้ทางด้านต่างๆ ของวิทยาศาสตร์มาประยุกต์ใช้กับ ส่ิงมีชีวิต เพื่อเป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ไม่ว่าจะเป็นทางการผลิตหรือทาง กระบวนการของสินค้าหรือบริการ เพื่อใช้ประโยชน์เฉพาะอย่างตามที่ ตอ้ งการ

เทคโนโลยกี ารหมัก (Fermentation technology) การหมกั เปน็ กระบวนการเพาะจลุ นิ ทรีย์ เพอ่ื ให้ผลิตสนิ ค้าที่ต้องการ ออกมา เทคโนโลยีการหมักจดั เป็นเทคโนโลยีชวี ภาพที่มมี านานแล้ว

พนั ธวุ ศิ วกรรม หรอื การตดั ต่อยนี (Genetic Engineering) • เป็นการใช้เทคนคิ ต่าง ๆ เพื่อนายีนจากสงิ่ มชี ีวิตหนึ่งไปถ่ายฝากให้กับ ส่ิงมีชวี ิตอืน่ • เกดิ เป็นยนี หรือ DNA สายผสม (recombinant DNA) ทาให้เกดิ การ เปล่ียนแปลงต่างไปจากพันธ์ุที่มใี นธรรมชาติ • ใชเ้ อนไซมท์ สี่ ามารถตดั บริเวณทม่ี ีเบสจาเพาะ เรียกวา่ เอนไซม์ตัดจาเพาะ • สามารถเชอื่ มสาย DNA ท่ถี กู ตัดแล้วมาตอ่ กนั ด้วย เอนไซม์ DNA ไลเกส

• สงิ่ มีชวี ิตทเ่ี กดิ จากกระบวนการพันธุวศิ วกรรม เรยี กว่า สงิ่ มชี วี ิตดดั แปร พันธุกรรม หรอื GMOs (genetically modified organisms)

เอนไซม์ตดั จาเพาะ (Restriction enzyme) • เปน็ เอนไซม์ตดั DNA ในตาแหนง่ ทีม่ ลี าดบั เบสจาเพาะ • ค้นพบเปน็ ครง้ั แรกโดย แฮมลิ ตัน สมธิ และคณะ ในปี พ.ศ. 2513 • ปัจจุบันนมี้ ีการค้นพบเอนไซม์ตดั จาเพาะมากกวา่ 1,200 ชนิด • บรเิ วณทถี่ กู ตดั ดว้ ยเอนไซมต์ ัดจาเพาะเรียกว่า ตาแหน่งตัดจาเพาะ

เอนไซมต์ ัดจาเพาะ ลาดบั เบสที่เปน็ ตาแหน่งท่ตี ดั และผลผลติ จากการตดั ของเอนไซม์

• เช่น เอนไซม์ Eco RI จะมลี าดับเบสจาเพาะในการตดั จานวน 6 คู่เบส • จุดตัดจาเพาะท่ีเกิดขึน้ จะไดส้ าย DNA หลังจากถกู ตดั แลว้ ใน 2 รปู แบบ • เชน่ กรณขี องการตดั ดว้ ยเอนไซม์ Eco RI จุดตัดจาเพาะจะอย่รู ะหวา่ ง เบส G และ A หลงั จากการตัดจะทาใหไ้ ดป้ ลายสายเดีย่ วทั้ง 2 ปลาย ท่ี รอยตัดของสาย DNA ซง่ึ มีนวิ คลีโอไทด์สายเดีย่ วย่ืนออกมา เรยี กปลาย สาย DNA ที่เกดิ ขน้ึ น้ีวา่ ปลายเหนียว (sticky end)

• แต่ในกรณีของ HaeIII จุดตัดจาเพาะอยู่ระหวา่ งเบส G และ C เม่อื ตัด แลว้ จะไม่เกดิ ปลายสาย DNA ท้งั สองเสน้ อยตู่ รงกันพอดี ปลายรอย ตัด DNA เช่นน้ี เรยี กว่า ปลายทู่ (blunt end) • การตัดจาเพาะของเอนไซม์ตดั จาเพาะแตล่ ะชนิดแตกตา่ งกนั แต่จะพบวา่ มี ลักษณะรว่ มกัน คอื การเรยี งลาดับเบสในบริเวณตาแหนง่ ตัดจาเพาะใน ทิศทางจาก 5' → 3' จะเหมอื นกนั ทั้งสองสายของสาย

ตวั อยา่ ง หากใชเ้ อนไซมต์ ดั จาเพาะ จะได้ DNA ท้งั หมดกี่สาย 5’ A T G G C C T A A A G C T T 3’ 3’ T A C C G G A T T T C G A A 5’ 5’ A T G G C C T A A A G C T T 3’ 3’ T A C C G G A T T T C G A A 5’

การเช่ือมตอ่ สาย DNA ดว้ ยเอนไซม์ DNA ไลเกส • จากการตัดสาย DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกัน จะนามาเช่ือมต่อกันได้ ด้วยเอนไซม์ DNA ไลเกส สามารถเร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะโคเวเลนซ์ ระหว่างสองโมเลกุลของ DNA ให้เชื่อมต่อกันได้จากการตัดและการ เชอื่ มตอ่ สาย DNA นีท้ าใหเ้ กดิ DNA สายผสม



การโคลนยีน (Gene cloning) • เม่ือได้ DNA สายผสมตามต้องการแล้ว ขนั้ ตอนตอ่ ไปกจ็ ะตอ้ งมกี ารเพ่มิ จานวน ของยีน • การเพม่ิ จานวนของ DNA ท่ีเหมือนๆ กันน้ันเรียกว่า การโคลนดเี อน็ เอ (DNA cloning)และหาก DNA บรเิ วณดงั กลา่ วเปน็ ยนี กเ็ รยี กวา่ การโคลนยนี (gene cloning)

การโคลนยีนโดยอาศยั พลาสมิดของแบคทเี รีย • การโคลนยีนวิธีหน่ึงที่เป็นท่ีนิยมกัน คือ อาศัยวิธีการเพิ่มจานวนชุด ของ DNA ในพลาสมิดของแบคทีเรีย ซ่ึงถือว่าเป็น DNA พาหะ (vector) เช่น พลาสมิด • ในแบคทีเรีย 1 เซลล์ อาจมีพลาสมิด 1 ถึง 300 ชุด เม่ือนาแบคทีเรียไป เล้ียงเพือ่ เพิ่มจานวน ชดุ ของพลาสมดิ ที่มีส่วนของ DNA ทต่ี ้องการแทรกไว้ ในพลาสมิดกจ็ ะเพม่ิ ข้ึนตาม • หากสว่ นของ DNA ท่แี ทรกไว้เป็นยนี กอ็ าจนาไปใช้ประโยชน์ต่อไป

พลาสมิด (Plasmid) • พลาสมิดเป็น DNA วงแหวนสายคู่ที่อยู่นอกโครโมโซมของแบคทีเรีย สามารถจาลองตวั เองไดโ้ ดยไม่ตอ้ งอาศยั โครโมโซม • อาจมขี นาดต้งั แต่ 1,000-200,000 คู่เบส • พบได้ในเซลล์แบคทีเรียหลายชนิด มักมียีนท่ีสร้างเอนไซม์ท่ีจะทาให้ แบคทีเรียมีลกั ษณะเฉพาะ

ข้นั ตอนการโคลนยนี





การโคลนยนี ในหลอดทดลองโดยเทคนิคพอลิเมอเรสเชนรีแอกชนั (PCR) • ในปจั จุบนั สามารถเพิ่มส่วนของ DNA ได้ในหลอดทดลองโดยไม่ต้องอาศัย เซลล์ใดๆ • โดยอาศัยเคร่ืองมือท่ีเรียกว่า เทอร์มอไซเคลอร์ (them cycler) ซึ่งเป็น เคร่ื องควบคุมอุณหภูมิให้ปรับเปลี่ยนตามกาหนดเวลาที่ต้ั ง ไว้ ได้อย่า ง รวดเร็ว

• การโคลนยีนดว้ ยวธิ ี PCR ตอ้ งอาศัยเอนไซม์ DNA พอลเิ มอเรส ชนิดท่ี สามารถทนอณุ หภูมสิ งู ได้ เอนไซม์ชนดิ นแี้ ยกมาจากแบคทเี รยี ทนร้อนซ่ึง ขึ้นอยู่ในน้าพุร้อน การทา PCR ในหลอดทดลอง ต้องอาศัย กล่มุ ครีนาร์เคยี โอตา • DNA แม่แบบ ซึง่ เป็นสว่ นของ DNA ที่ต้องการโคลน • ไพรเมอร์ (primer) เปน็ DNA สายสน้ั ๆ ท่จี ะเกาะกบั สว่ นของ DNA ท่ี ตอ้ งการ เพ่ือเปน็ จดุ เร่มิ ตน้ ของการสร้างสาย DNA • นวิ คลโี อไทด์ทงั้ 4 ชนดิ • DNA พอลิเมอเรส

ข้นั ตอนการทา PCR



ขอ้ ดีของเทคนคิ PCR • สามารถเพิ่มจานวนโมเลกุล DNA ทตี่ ้องการจาก DNA แมแ่ บบปรมิ าณ นอ้ ย ให้มีปรมิ าณมากขึน้ ได้ในเวลาอนั รวดเร็ว ข้อเสียของเทคนิค PCR • ไม่สามารถทดแทนการโคลนยนี โดยอาศยั เซลล์แบคทีเรียในกรณีทต่ี ้องการ ยีนปรมิ าณมาก • การเพ่มิ จานวนชุดของ DNA อาจมีความผิดพลาดเกิดขน้ึ เนือ่ งจาก เอนไซม์ทใี่ ช้ในปฏกิ ิริยานบี้ างชนดิ ไม่มกี ารทางานที่เป็นการตรวจสอบ ความถกู ต้องของลาดบั นิวคลีโอไทด์ของ DNA ทส่ี ร้างขึ้น

การวิเคราะห์ DNA เจลอิเล็กโทรโฟริซสิ (gel electrophoresis) • การแยกโมเลกลุ DNA ท่ีมขี นาดแตกต่างกนั ออกจากกนั ภายใตส้ นามไฟฟ้า • โดยให้ DNA เคลอ่ื นทผี่ ่านตวั กลางทเี่ ป็นแผ่นวุน้ เชน่ อะกาโรสเจล หรือ พอลิอะคลิลาไมด์เจล ท่ีอยูภ่ ายใต้สนามไฟฟ้า • โมเลกุล DNA จะเปน็ โมเลกุลท่ีมปี ระจุลบจะเคลอื่ นท่ีเข้าหาข้วั บวก (anode) โดยโมเลกุล DNA ขนาดใหญ่จะเคล่อื นท่ีได้ช้ากวา่ โมเลกลุ ทม่ี ีขนาดเล็ก ชุดเจลอิเล็กโทรโฟรซิ สิ อะกาโรสเจล

• เมือ่ ให้โมเลกุลขนาดต่างๆ แยกในสนามไฟฟ้าเปรยี บเทียบกับการเคลอื่ นที่ ของโมเลกลุ DNA ทที่ ราบขนาด (DNA molecular weight marker) ก็ จะทาให้ทราบขนาดของโมเลกลุ DNA ทีต่ ้องการศกึ ษา ตัวอย่าง DNA marker แถบ DNA ที่ปรากฏ



เครื่อง automated sequence ใช้ในการหาลาดับนิวคลีโอไทด์ โดยใช้ gel electrophoresis รว่ มกบั คอมพิวเตอรเ์ พ่อื แปลผล

จโี นม • จีโนม หมายถึง ปริมาณ DNA ทั้งหมดท่ีอยู่ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตและ สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีขนาดของจีโนมแตกต่างกัน สามารถเช่ือมโยง รปู แบบของแถบ DNA ของจโี นมกับลกั ษณะฟีโนไทป์ของส่ิงมีชีวิตนั้นๆ ได้

การศกึ ษาจีโนม • ศกึ ษาความแตกตา่ งของจีโนมของส่ิงมีชวี ติ ชนิดเดยี วกัน สามารถตรวจสอบ โดยอาศยั การตัดดว้ ยเอนไซม์ตดั จาเพาะ • นาชิ้น DNA ไปแยกขนาดโดยวิธีการเจลอิเลก็ โทรโฟรซิ สิ ได้รปู แบบของแถบ DNA ที่แตกต่างกนั • รปู แบบของแถบ DNA ดงั กลา่ วสามารถเช่ือมโยงถงึ จีโนมและลกั ษณะบาง ฟโี นไทป์ของสงิ่ มีชวี ติ นั้นได้

• ความแตกต่างของรูปแบบของแถบ DNA ท่ีเกิดจากการตัดของ เ อ น ไ ซ ม์ ตั ด จ า เ พ า ะ เ รี ย ก ว่ า เ ร ส ท ริ ก ชั น แ ฟ ร ก เ ม น ท์ เ ล จ ท์ พอลิมอร์ฟิซึม (restriction fragmentlength polymorphism : RFLP) ซึง่ สามารถใชเ้ ปน็ เครอ่ื งหมายทางพันธุกรรม (genetic marker) ได้ ตวั อย่าง genetic marker

• พ.ศ. 2533 ได้มกี ารรเิ รม่ิ โครงงานจโี นมมนุษย์ เพ่ือที่จะศกึ ษาลาดับนวิ คลี โอโทด์ของมนุษย์ทง้ั จีโนม โดยการหาลาดับนิวคลีโอโทด์ของออโทโซม จานวน 22 โครโมโซมและโครโมโซม X และโครโมโซม Y

• มีการศึก ษา จีโนม ของสิ่งมีชีวิตชนิดอ่ืนๆท่ี สาคัญ เช่น จีโนม ของ E.coli จโี นมของยสี ต์ จโี นมของแมลงหว่ี และหนู • ในพืชมีศึกษาจีโนมของพืชใบเล้ียงคู่ในวงศ์ผัดกาด Arabidopsis thaliana L. ซ่ึงถือเป็นพืชต้นแบบในการศึกษาชีววิทยาระดับโมเลกุล ของพืชเนื่องจากมีขนาดจีโนมเล็ก Arabidopsis thaliana L.

• ข้าว (Oryza sativa L.) เป็นพืชต้นแบบของพืชใบเลี้ยงคู่ เนื่องจากมี ขนาดของจโี นมเล็กเมือ่ เปรียบเทยี บในกลุม่ พืชใบเลี้ยงเดย่ี ว • การศึกษาจีโนมของสิ่งมีชีวิต จะสามารถนาไปประยุกต์ใช้ประโยชน์หลาย อย่างเช่น การหาความสัมพันธ์ของส่ิงมีชีวิต เพื่อให้ทราบเกี่ยวกับความ ใกล้ชิดทางววิ ฒั นาการ ความหลากหลายทางชวี ภาพ ความเป็นเอกลักษณ์ เฉพาะตวั การควบคุมการแสดงออกของยีนที่สง่ ผลต่อการเจริญเติบโต

การประยกุ ตใ์ ช้ในเชงิ การแพทยแ์ ละเภสชั กรรม การวินจิ ฉัยโรค • มกี ารนาเอาเทคโนโลยีของ DNA มาใช้ในการวนิ ิจฉยั โรคทเี่ กิดจากการตดิ เชือ้ ตา่ งๆ เชน่ เชื้อไวรสั โดยการใชเ้ ทคนคิ PCR เพ่ือตรวจสอบวา่ มีจโี มนของไวรัส อยูใ่ นส่ิงมีชีวติ นั้นหรือไม่ เทคนิคนีไ้ ดน้ ามาใช้ในการตรวจวเิ คราะห์การตดิ เชอื้ HIV • ทาใหส้ ามารถปอ้ งกนั การถา่ ยทอดลกั ษณะของโรคทางพันธุกรรมได้อย่างถูกตอ้ ง

การบาบดั ดว้ ยยนี (gene therapy) • เป็นการใช้ไวรัสชนิดหนึ่งเป็นตัวนายีนท่ีต้องการถ่ายเข้าสู่เซลล์คน ซึ่งยีน ของไวรัสท่ีเป็นอันตรายต่อคนจะถูกตัดท้ิง แล้วใส่ยีนของคนท่ีต้องการเข้า ไปแทนท่ี • ไวรัสที่สร้างข้ึนใหม่จะมียีนที่ต้องการแทรกอยู่ และจะมีความสามารถใน การแทรกจโี นมของตัวมนั เขา้ สู่โครโมโซมคนได้

• การรักษาด้วยยีนบาบัด แต่ละกรณีจะตอ้ งมกี ารตรวจสอบอย่างเคร่งครดั ใน ทกุ ข้ันตอนเพอ่ื คานึงถึงความปลอดภยั ของผู้รบั การรกั ษา • เช่น โรค Severe Combined Immunodefiency Disorder (SCID) เปน็ โรคทางพนั ธุกรรม ผูท้ เี่ ปน็ โรคนไ้ี มส่ ามารถสรา้ งภูมคิ ุ้มกนั ไดม้ ัก เสียชีวติ จากการติดเชอ้ื เพยี งเล็กน้อย

การสรา้ งผลิตภณั ฑ์ทางเภสชั กรรม • การผลติ ฮอร์โมนอินซูลิน เป็นการนาเทคนิคทาง DNA มาใช้ในการผลิตสารท่ี ใช้เชิงเภสัชกรรมเพ่ือรักษาโรคเบาหวาน ผู้ป่วยโรคเบาหวานจาเป็นต้องได้รับ อินซูลิน เพื่อควบคุมระดับน้าตาลจากการตัดและต่อ DNA ให้มียีนที่สร้าง อินซูลิน

การประยกุ ต์ใชใ้ นการผลิตยาที่จะยับย้งั ไวรสั HIV • อาศัยเทคนิคทางพันธุวิศวกรรมในการสร้างโมเลกุลของโปรตีนที่จะป้องกัน หรอื เลยี นแบบตวั รบั ท่ี HIV ใช้ในการเข้าสู่เซลล์ ซ่ึงตัวรับเหล่านี้จะอยู่บนเยื่อ หุ้มเซลลข์ องคน • หากมีโมเลกุลทเ่ี ลยี นแบบตวั รับเหลา่ นอี้ ยูใ่ นกระแสเลือด HIV จะเข้าเกาะกับ โมเลกุลเหล่านแี้ ทนท่จี ะเกาะท่ตี วั รับทเ่ี ซลล์เมด็ เลอื ดขาวแล้วเข้าทาลายเซลล์ เมด็ เลอื ดขาว ตัวยาเหลา่ นีจ้ งึ สามารถยับยง้ั การทางานของ HIV ได้

การประยุกตใ์ ช้ในเชงิ นติ วิ ทิ ยาศาสตร์ การพสิ จู นเ์ อกลกั ษณบ์ คุ คล • จากความแตกต่างท่ีมีเฉพาะบคุ คลจงึ ทาใหบ้ คุ คลมีรปู แบบของ DNA ท่ี แตกตา่ งกนั เมอ่ื ใชเ้ ทคนิคต่างๆ ตรวจสอบจะเกดิ เปน็ แถบ DNA รูปแบบ ของแถบ DNA ที่เป็นความแตกต่างของขนาดชิ้น DNA ทเ่ี ปน็ เอกลักษณข์ อง แตล่ ะบุคคล เรยี กวา่ ลายพมิ พ์ DNA (DNAfingerprint)

• กรณฝี าแฝดรว่ มไข่ ลายพมิ พ์ DNA จะเหมอื นกนั • แต่สาหรบั แฝดต่างไข่ อาจมีลายพิมพ์ DNA แตกตา่ งกันได้

• การพสิ ูจนค์ วามสัมพนั ธพ์ ่อแมล่ กู

การใช้ลายพมิ พ์ DNA เพือ่ พิสูจนค์ วามเกีย่ วพนั ในคดอี าญา • เช่น ในคดีฆาตกรรมคดหี นึ่ง ได้นาคราบเลอื ดของฆาตกรที่พบในสถานที่เกดิ เหตุและเลอื ดของผูต้ ้องสงสัยจานวน 7 คน มาทาลายพิมพ์ DNA และนามา เปรียบเทียบกนั

การประยกุ ตใ์ ชใ้ นเชิงการเกษตร การทาฟาร์มสัตวเ์ พือ่ สขุ ภาพของมนุษย์ • ใช้เทคโนโลยี DNA เพอ่ื ปรบั ปรุงพนั ธุ์สัตว์ในมลี ักษณะทด่ี ีขน้ึ เพอ่ื ใหไ้ ดส้ ตั ว์ มีลักษณะตามตอ้ งการ เชน่ หมูมไี ขมันต่า วัวใหน้ มเรว็ ขน้ึ และมากข้ึน

การสรา้ งฟารม์ สัตวท์ เี่ สมอื นเป็นโรงงานผลิตยาเพื่อสกดั นาไปใชใ้ นการแพทย์ • เช่น การสร้างแกะท่ไี ดร้ บั การถา่ ยยนี เพอ่ื ใหส้ ร้างโปรตีนทม่ี อี ยใู่ นเลือดของคน และให้แกะผลติ น้านมทมี่ โี ปรตีนน้ี • โปรตนี ชนิดนีจ้ ะยบั ยงั้ เอนไซม์ที่กอ่ ใหเ้ กดิ การทาลายเซลลป์ อดในผปู้ ว่ ยท่เี ป็น โรคซสิ ติกไฟโบรซสิ และโรคระบบทางเดินหายใจที่เรอื้ รงั ชนดิ อื่นๆ

การสรา้ งสตั ว์ดัดแปรพนั ธุกรรม • เริ่มจากแยกเซลล์ไข่ออกจากเพศเมีย และฉีดยีนที่ต้องการเข้าไปใน นิวเคลียสของเซลล์ไข่ ซึ่งจะมีเซลล์ไข่บางเซลล์ยอมให้ยีนดังกล่าวแทรก เข้าในจีโนมของนิวเคลียสและแสดงออกได้ จากน้ันทาการผสมพันธุ์ใน หลอดทดลองแล้วถ่ายฝากเข้าในตัวแม่ผู้รับ เพื่อให้เจริญเป็นลูกตัวใหม่ซ่ึง จะมียนี ท่ีต้องการอยู่





การสร้างพืชดดั แปรพนั ธุกรรม • พชื ดัดแปรพันธกุ รรมทม่ี ีความสามารถในการตา้ นทานแมลง โดยการ ถา่ ยยีนบีทสี่ รา้ งสารพิษจากแบคทีเรีย (Bacillus thuringiensis : BT) สามารถทาลายตัวอ่อนของแมลงบางประเภทอยา่ งเฉพาะเจาะจง โดยไม่ เป็นอนั ตรายตอ่ สิง่ มีชวี ิตอ่นื เมื่อนายีนท่ีสรา้ งสารพษิ ไปใส่ในเซลล์ของพืช ฝ้ายบที ี

พชื ตา้ นทานต่อโรค • ดดั แปลงพนั ธุกรรมของมะละกอให้ต้านทานต่อโรคใบ ด่างจุดวงแหวน ซึ่งเกิดจากไวรัส โดยนายีนท่ีสร้าง โปรตีนเปลือกไวรัส ถ่ายฝากเข้าไปในเซลล์มะละกอ แลว้ ชักนาให้เป็นต้นมะละกอสร้างโปรตีนดังกล่าว ทา ใหส้ ามารถต้านทานต่อเชอ้ื ไวรัสได้

พืชดัดแปรพันธกุ รรมท่ีสามารถต้านทานสารปราบวัชพชื • เช่น นายนี ทตี่ า้ นทางสารปราบวัชพชื ใส่เขา้ ไปในเขา้ ไปในพชื ทาใหส้ ามารถ ต้านทานสารปราบวชั พชื ทาให้สารเคมที ี่ใช้ปราบวชั พชื ไม่มีผลตอ่ พชื