เทคโนโลยีชีวภาพมี จุด เริ่ม ต้น มาจาก นักวิทยาศาสตร์ ท่าน ใด บาง

เผยแพร่: 29 พ.ย. 2547 16:51   โดย: MGR Online

สัปดาห์นี้ผู้จัดการวิทยาศาสตร์จึงนำสุดยอดการค้บพบทางวิทยาศาสตร์ที่นำเสนอโดยรายการ"ไซน์แชนแนล" (Science Channel) ทางช่อง "ดิสคัฟเวอร์รี" (Discovery Channel) ในประเด็น “การค้นพบทางพันธุกรรม” โดยสรุป 13 ข้อค้นพบเด่นที่ขับเคลื่อนให้วงการเทคโนโลยีชีวภาพก้าวไกลมาได้ถึงขนาดนี้

1. “กฎของเมนเดล” (Rules of Heredity หรือกฎของการสืบสายเลือด)ในช่วงปี 1850

แน่นอนว่า...ประวัติศาสตร์แห่งวงการพันธุศาสตร์ต้องเริ่มต้นจาก บาทหลวงชาวออสเตรียที่เป็นนักพฤกษศาสตร์นามว่า “เกรเกอร์ โยฮัน เมนเดล” (Gregor Mendel) ที่ได้ค้นพบข้อมูลการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากรุ่นสู่รุ่น โดยเมนเดลได้ทดลองกับพืชตระกูลถั่ว เขาสังเกตว่าลักษณะบางอย่างของต้นถั่วรุ่นลูก อย่างเช่นความสูง การแสดงถึงลักษณะเด่นเหล่านี้จะแตกต่างกันไป

โดยกฎแห่งการสืบสายเลือด หรือกฎของเมนเดลนั้นจะมีลักษณะเด่น (Dominant) และลักษณะด้อย (Recessive) เมื่อพ่อกับแม่ที่มีลักษณะเด่นมาผสมกัน ก็จะได้ลูกเด่นทั้งหมด แต่ถ้านำด้อยมาผสมกันก็จะได้ลูกลักษณะด้อยทั้งหมดเช่นกัน แต่ถ้านำเด่นกับด้อยมาผสมกันผลที่ได้ในรุ่นลูกคือ “เด่น” ทั้งหมด แต่ถ้านำไปผสมกันในรุ่นหลานก็จะได้ เด่นแท้-ด้อยแท้-เด่นไม่แท้ ในลักษณะ 1-1-2 ส่วน ลองดูตามตัวอย่าง ให้ถั่วต้นสูง (T) เป็นลักษณะเด่น และต้นเตี้ย (t) เป็นลักษณะด้อย

1) ถั่วต้นสูง (T) + ถั่วต้นสูง (T) = ลูกสูงทั้งหมด (TT)
2) ถั่วต้นเตี้ย (t) + ถั่วต้นเตี้ย (t) = ลูกเตี้ยทั้งหมด (tt)
3) ถั่วต้นสูง (T) + ถั่วต้นเตี้ย (t) = ลูกสูงทั้งหมด (Tt)
4) เอาลูกที่ได้จากข้อ 3
ลูกสูงทั้งหมด (Tt) + ลูกสูงทั้งหมด (Tt) = ลูกสูงแท้ (TT) 25% , ลูกเตี้ยแท้ (tt) 25% ,ลูกสูงไม่แท้ (Tt) 50%
5) เมื่อเอาเมล็ดถั่วสูงแท้ (TT) จากข้อ 4 ไปปลูกจะได้ลูกสูงหมด (TT) และเอาเมล็ดถั่วต้นเตี้ย (tt) ไปปลูก จะได้ลูกเตี้ยหมด (tt) เอาเมล็ดถั่วต้นสูงไม่แท้ (Tt) จะได้ถั่วชั้นลูกเหมือนกับข้อ 4

เมนเดลได้ใช้เวลาทั้งชีวิตค้นคว้าในเรื่องนี้จนกระทั่งสิ้นใจ โดยหารู้ไม่ว่าสิ่งที่เขาค้นพบทำให้เขากลายเป็น “บิดาแห่งพันธุกรรม” ในเวลาต่อมา

2. “ยีนอยู่บนโครโมโซม” (Genes Are Located on Chromosomes) ช่วงปี 1910 – 1920

ทอมัส ฮันต์ มอร์แกน (Thomas Hunt Morgan) ค้นพบว่ายีนนั้นมีตำแหน่งอยู่บนโครโมโซม โดยเขาได้ศึกษาเกี่ยวกับโครโมโซมเพศของแมลงหวี่ และสรุปว่าลักษณะตาสีขาวของแมลงหวี่ ถูกควบคุมด้วยยีนด้อยที่มีตำแหน่งอยู่บนโครโมโซมเพศ และต่อมาในปี ค.ศ.1911เขายังแสดงให้เห็นอีกว่าบนโครโมโซมแต่ละแท่งประกอบด้วยยีนหลาย ๆ ตำแหน่งรวมกันอยู่ (linkage) และตั้งทฤษฎีโครโมโซมเกี่ยวกับพันธุกรรม พร้อมทั้งเขียนหนังสือที่ได้จากการสัมมนาของเขาและนักศึกษาต่อสมมติฐานชิ้นนี้ออกมาใช้ชื่อว่า “เดอะ แมคานิซึม ออฟ เมนเดลเลียน เฮียดิตี”(The Mechanism of Mendelian Heredity) หรือกลไกการสืบพันธุ์ของเมนเดลนั่นเอง

3. “1 ยีน 1 เอ็นไซม์” (Genes Control Biochemical Events) ในปี 1930

จอร์จ เวลส์ บีเดิล (George Wells Beadle) ร่วมกับ เอ็ดเวิร์ด ทาทัม (Edward Tatum) ได้เสนอสมมติฐาน “1 ยีน 1 เอ็นไซม์” (one gene one enzyme) จากการทดลองในเชื้อรานิวโรสปอรา (neurospora) ซึ่งหมายถึง ยีน 1 ตัวควบคุมทำให้เกิดการทำงานของเอนไซม์ 1 ชนิด

(แต่ต่อมาได้มีนักวิทยาศาสตร์พบว่าสิ่งมีชีวิตทั่วไปอาจมียีนบางยีนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีนที่ไม่ใช่เอนไซม์ เช่น พวกคอลลาเจน และยังพบว่าโปรตีนบางชนิดอาจมีสายโพลีเปปไทด์ (polypeptide) เพียงสายเดียว (โพลีเปปไทด์ปกติจะมีสายโซ่ของกรดอมิโนตั้งแต่ 3 เส้นขึ้นไป) เช่น โปรอินซูลิน แต่โปรตีนบางชนิดประกอบด้วยสายโพลีเปปไทด์มากกว่าหนึ่งสาย เช่น โมเลกุลฮีโมโกลบินประกอบด้วยอัลฟา 2 สาย และสายบีตา 2 สาย จึงนำข้อมูลใหม่ที่ได้ปรับปรุงสมมติฐานของบีเดิลกับเทตัม คือ สมมติฐานยีนหนึ่งที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับสังเคราะห์โพลีเปปไทด์สายหนึ่ง (one gene - one polypeptide))

4. “ยีนบางตัวกระโดดได้” (Some Genes Can Jump) ในปี 1940

บาร์บารา แม็กคินต็อก (Barbara McClintock) ได้ค้นพบการเคลื่อนที่ของธาตุพันธุกรรม หรือที่รู้จักกันดีว่า “การกระโดดของยีน” (jumping genes) บนโครโมโซม โดยได้อธิบายผ่านข้าวโพดที่เม็ดมีสีต่างๆ เป็นหย่อมๆ โดยการเคลื่อนที่เป็นส่วนหนึ่งของดีเอ็นเอ (DNA) ที่สามารถเปลี่ยนไปสู่ตำแหน่งต่างๆ ได้ภายในยีนของเซลล์เดี่ยว ซึ่งสิ่งเหล่านี้ทำให้เกิดการผ่าเหล่า (mutations) และเพิ่ม (หรือลด) จำนวน DNA ในยีนได้

(DNA ย่อมาจาก deoxyribonucleic acid หรือ “กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก” เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ชนิดหนึ่งที่มีในโครโมโซมของเซลล์และในไวรัส มีหน้าที่ในการเก็บสะสมรหัสทางพันธุกรรม)

5. “ดีเอ็นเอ” สารสำคัญทางพันธุกรรม (DNA Is the Genetic Material) ในปี 1928, 1944, 1952

นักวิทยาศาสตร์หลายคนพิสูจน์ว่า DNA เป็นสารเคมีที่เก็บข้อมูลพื้นฐานของยีนเอาไว้ โดย “ออสวอลด์ เอเวรี” (Oswald Avery) ได้พิสูจน์ได้ว่า DNA บรรจุข้อมูลของยีนเอาไว้ ขณะที่ “ไลนาส พอลลิง” (Linus Pauling) พบว่ายีนประกอบด้วยโปรตีนจำนวนมากเกาะกันอยู่เป็นเกลียวเหมือนขดลวด และในที่สุดเออร์วิน ชาร์กาฟฟ์ (Erwin Chargaff) นักชีวเคมีก็ค้นพบว่า เบสในดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีความแตกต่างกันไป และกระจายตัวอย่างไม่สม่ำเสมอ แต่ค่าสัดส่วนของจำนวนไนโตรเจนเบสในดีเอ็นเอจะมีค่าใกล้เคียงกับ 1 เสมอ ไม่ว่าจะเป็นเบสอะดีนีน (A) จะใกล้เคียงกับเบสไธมีน (T) และเบสกัวนีน (G) จะใกล้เคียงกับเบสไซโทซีน (C)

(ก่อนหน้านี้ในช่วงปี 1900 อัลเบร็ชท์ คอสเซล (Albrecht Kossel) ได้วิเคราะห์โครงสร้างโมเลกุลของกรดนิวคีอิก จนสามารถแยกสารประกอบไนโตรเจนออกมาได้ 4 ชนิดด้วยกัน คือ เอ ที จี ซี ( A T G C) ซึ่งทราบภายหลังว่าเป็นเบส)

6. “ดีเอ็นเอ” เป็นเกลียวคู่ (DNA Is a Double Helix) ในปี 1953

การค้นพบที่ฮือฮาที่สุดแห่งศตวรรษนี้คงจะหนีไม่พ้น 2 หนุ่ม “เจมส์ วัตสัน” (James Watson) และ “ฟรานซิส คริก” (Francis Crick) ได้อธิบายโมเลกุลของ DNA ว่า ก่อตัวขึ้นมาจากนิวคลีโอไทด์ 2 สายในลักษณะเกลียว หรือ “เฮลิกซ์” (helix) เหมือนบันไดเวียน โดยสายหนึ่งเวียนขึ้นและอีกสายหนึ่งเวียนลง โดยเกลียวคู่ของ DNA เป็นสายของน้ำตาลและหมู่ฟอสเฟตต่อเนื่องกันไปเป็นสายยาว และมีเบสของสายดีเอ็นเอแต่ละสายยื่นเข้าไปด้านในระหว่างสายของ DNA ทั้งคู่ ทำหน้าที่เป็นตัวยึดหรือตัวเชื่อม DNA ทั้ง 2 สายเข้าด้วยกัน

นอกจากนี้ ทั้งคู่ยังได้เสนอแนวคิดว่า DNA แต่ละสายจะเป็นต้นแบบ (template) สร้าง DNA สายใหม่ให้มาจับกับตัวมันเองต่อไป โดยไม่มีการเปลี่ยนโครงสร้างไปจากเดิม ยกเว้นกรณีเกิดความผิดพลาดหรือการกลายพันธุ์ ซึ่งทฤษฎีของพวกเขาได้รับการพิสูจน์ผ่านการทดลองในเวลาต่อมาว่าถูกต้อง

7. ถอดพิมพ์เขียวแห่งชีวิต (Cracking the Genetic Code) ในช่วงปี 1960

มาร์แชล นิเรนเบิร์ก (Marshall Nirenberg) ได้นำทีมค้นหารหัสพันธุกรรม จนสามารถแกะได้สำเร็จและพบ "โคดอน" (codon) เป็นการเรียงตัวของเบสทีละ 3 ตัว ซึ่งเบส 3 ตัวนั้น จะกลายเป็นโค้ดลับสำหรับกรดอะมิโน 1 ตัว และจะมาร่วมเรียงตัวกันกว่า 20 ชนิดจนได้ลำดับต่างๆ ซึ่งนั่นก็จะกลายเป็นโปรตีนที่เหมาะสม ตามความต้องการของเซลล์

8. “อาร์เอ็นเอ” ผู้นำสารแห่งพันธุกรรม (RNA Conveys Genetic Information) ในช่วงปี 1960

นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากได้ค้นพบ “กรดไรโบนิวคลีอีก” (ribonucleic acid) หรือ อาร์เอ็นเอ (RNA) สารเคมีที่พบอยู่ในนิวเคลียสและไซโตพลาสซึม ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับดีเอ็นเอ ในยุคสมัยนี้พวกเขาพบว่าอาร์เอ็นเอทำหน้าที่สำคัญในการสังเคราะห์โปรตีนและปฏิกิริยาทางเคมีอื่นๆ ในเซลล์ โดยฟองซัว จาค็อบ (Francois Jacob) และจาค โมนอด (Jacques Monod) สันนิษฐานว่า น่าจะเป็นอาร์เอ็นเอนี่เองที่เป็นตัวนำคำสั่งจากดีเอ็นเอในนิวคลียส ไปส่งให้โรงงงานสร้างโปรตีนที่อยู่ในไซโตพลาสซึม

(ดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอนั้น มีความแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย ตรงที่ชนิดของน้ำตาล (R= โรโบ ในอาร์เอ็นเอ และ D = ดีออกซีโรโบ ในดีเอ็นเอ) และอาร์เอ็นเอมี “ยู” ยูเรซิล (Urasil) แทน “ที” ไธมีน(Thymine) ที่อยู่ในดีเอ็นเอ)

9. “เอ็นไซม์ตัดจำเพาะ” (Restriction Enzymes) ในช่วงปี 1950 – 1960

ยุคนี้นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ค้นพบ “เอ็นไซม์ตัดจำเพาะ” (restriction enzymes) ซึ่งเป็นกรรไกรธรรมชาติที่ทำหน้าที่จดจำลำดับ DNA เฉพาะ และเมื่อเจอดีเอ็นเอเป้าหมายก็สามารถตัดออกจากตำแหน่งที่ต้องการให้ขาดออกเป็น 2 ท่อนได้ โดยเซลล์สร้างขึ้นเพื่อกำจัดแบคทีเรีย และมนุษย์ก็นำมาใช้ประโยชน์ในด้านชีวะโมเลกุล โดยใช้ตัด เคลื่อนย้าย และต่อยีนเข้าด้วยกัน

10. การต่อของอาร์เอ็นเอ (RNA Splicing) ในปี 1976

นักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มค้นพบการต่อของอาร์เอ็นเอ โดยพวกเขาเรียนรู้ว่ารอยต่อดังกล่าวมีไว้ให้เซลล์ได้สร้างโปรตีน ซึ่งตัวการสำคัญก็คือ “เอ็มอาร์เอ็นเอ” หรือ “แมสเซนเจอร์ อาร์เอ็นเอ” (mRNA - messengerRNA)

เมื่อเซลล์ต้องการสร้างโปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่งจากคำสั่งบนดีเอ็นเอ สายดีเอ็นเอบริเวณที่เป็นคำสั่งของโปรตีนนั้นจะคลายเกลียวออก แล้วสายดีเอ็นเอสายหนึ่งจากสองสายจะถูกใช้เป็นต้นแบบในการสร้างอาร์เอ็นเอ ซึ่งก็ใช้หลักการเข้าคู่กันของเบสคล้ายกับดีเอ็นเอ ( G จับกับ C , A จับกับ U) โดยกระบวนการคัดลอกคำสั่งนี้เรียกว่าการ “ถอดรหัส” (transciption) ในที่สุดจะได้ RNA ที่มีรหัสเหมือนกับ DNA ต้นแบบ และ RNA นี้ก็จะเป็นรหัสคำสั่งสำหรับการสร้างโปรตีนถ่ายทอดจาก DNA ไปยังโรงงานสร้างโปรตีน

ในหลายๆ โรคทางพันธุกรรมรวมถึงการผ่าเหล่าหรือกลายพันธุกรรม นั่นก็เพราะกระบวนการต่อของ RNA ผิดพลาด การเชื่อมต่อที่ผิดแบบจะทำให้ mRNA สร้างโปรตีนที่ผิดแปลกออกไป จึงเป็นเหตุให้เกิดโรคในร่างกาย

11. ลายพิมพ์ดีเอ็นเอ (DNA Polymorphism) ในปี 1985อเล็ก เจฟฟรีย์ (Alec Jeffreys) เป็นผู้บุกเบิกเทคโนโลยีลายพิมพ์ DNA เป็นคนแรกของโลก ภายหลังจากการเปิดเผยผลงานของเขา ก็มีนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกนำเทคโนโลยีลายพิมพ์ดีเอ็นเอมาประยุกต์ใช้ในหลายด้าน และก่อให้เกิดประโยชน์มากมาย ทั้งนี้ อเล็กได้พบกว่า ลำดับ DNA ต่างมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว ซึ่งได้ลองนำลายพิมพ์ DNA มาใช้เพื่อการสืบสวนเป็นครั้งแรกในการตามหาเด็กที่ฆาตกรรมทำร้ายเด็กหญิง 2 คนด้วยตัวอย่างดีเอ็นเอ

12. มนุษย์มียีน 20,000 - 25,000 ยีน (Humans Have 20,000 to 25,000 Genes) ในปี 2003

เมื่อปีที่แล้วนักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าในร่างกายมนุษย์มียีนอยู่เพียง 20,000 – 25,000 ยีน น้อยกว่าที่คาดการณ์กันไว้ โดยหวังว่าการค้นพบจำนวนยีนจะเป็นนำไปสู่ความเข้าใจถึงระบบพันธุกรรมทั้งหมดของร่างกาย เพื่อนำไปพัฒนายาและเทคโนโลยีทางชีวภาพ และช่วยให้เกิดการรักษาโรคบางอย่าง เช่นมะเร็ง และอัลไซเมอร์

13. การแทรกแซง “อาร์เอ็นเอ” (RNA Interference) ในปี 1998

แอนดรู ไฟร์ (Andrew Fire) และเครียก เมลโล (Craig Mello) ได้ค้นพบวิธีการแทรกแซงอาร์เอ็นเอ (RNA Interference : RNAi) ด้วยวิธีการตัดพวงอาร์เอ็นเอคู่ หรือดีเอสอาร์เอ็นเอ (dsRNA : Double-stranded RNA) ให้เป็นชิ้นเล็กๆ และด้วยกระบวนการนี้จะนำไปสู่นี้การทำลาย RNA ที่จำเพาะภายในเซลล์ นั่นหมายถึงว่ายีนเป้าหมายจะถูกยั้บยั้งหรือไม่แสดงออก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ากระบวนการนี้อาจนำไปใช้เป็นยาได้

ทั้งหมดนี้ คือ 13 ข้อค้นพบเด่นๆ ในวงการพันธุศาสตร์ ที่เดินทางได้ไกลด้วยเวลาอันสั้น อัตราการก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของวงการเทคโนโลยีทางชีวภาพนี้นอกจากจะนำผลดีให้แก่มวลมนุษยชาติแล้ว ยังนำพามายังความเคลือบแคลงสงสัยต่อผลร้ายที่จะตามมา เพราะว่าธรรมชาติลึกลับและซับซ้อนเกิดกว่าที่เราจะคิดและค้นพบนัก ซึ่ง ณ ปัจจุบันมนุษย์ก็ยังเดินหน้าค้นคว้าทุกซอกส่วนต่อๆ ไป

...โปรดติดตามข้อค้นพบเด่นทาง “การแพทย์” ได้ในสัปดาห์หน้า