ดีเอ็นเอ

คุณคิดว่า "อะไรทำให้สิ่งมีชีวิตแตกต่างจากก้อนหิน?"

คำตอบคือดีเอ็นเอ (DNA) นั่นเอง เรื่องนี้ค่อนข้างยาวและอธิบายยากแต่ผมก็ยังอยากเล่าให้ฟัง

ตั้งแต่สมัยฮิปโปคราตีส (Hippocrates) แล้วที่มีบันทึกว่าลูกหลานจะมีลักษณะคล้ายคลึงกับพ่อแม่ ปู่ย่า ตายาย แต่ไม่มีใครทราบว่าเป็นเพราะอะไร

จนกระทั่งปี พ.ศ. ๒๔๐๙ Gregor Mendel พระนักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรีย ทำการศึกษาการถ่ายทอด ลักษณะต่างๆ ของต้นถั่วจากรุ่นหนึ่งสู่รุ่นถัดๆ ไป พบว่าความน่าจะเป็นที่จะเกิดลักษณะเด่น : ลักษณะด้อยเป็น ๓ : ๑

ขออธิบายโดยใช้อักษรพิมพ์ใหญ่แทนลักษณะเด่น-อักษรพิมพ์เล็กแทนลักษณะด้อย เช่น ต้นดอกสีแดง (RR) เมื่อผสมกับต้นดอกสีขาว (rr) จะได้ต้นดอกสีแดงทั้งหมด (Rr) เมื่อผสมต้นในรุ่น Rr ก็จะได้ต้นดอกสีแดง ๓ ส่วน (๑ RR, ๒ Rr) และต้นดอกสีขาว ๑ ส่วน (๑ rr) เขาพยายามอธิบายผลงานของเขาแต่ไม่มีใครเข้าใจสิ่งที่เขาค้นพบ

พ.ศ. ๒๔๑๑ Friedrich Miescher แพทย์ชาวสวิสฯ สกัดสารจากนิวเคลียสของเซลล์ได้เรียกว่า Nuclein (ปัจจุบันคือกรดนิวคลีอิก)

ต่อมา พ.ศ. ๒๔๑๖ Shneider พบว่าขณะเซลล์แบ่งตัว ในนิวเคลียสจะมีสิ่งที่เป็นรูปแท่งอยู่เป็นคู่ๆ เรียกว่าโครโมโซม และต่อมา พ.ศ. ๒๔๔๓ หลังจาก Mendel เสียชีวิตได้ ๑๖ ปีการศึกษาของเขาก็ถูกค้นพบอีกครั้ง แต่คราวนี้ผู้คนเริ่มเข้าใจผลงานของเขา

พ.ศ. ๒๔๔๕ Walter Sutton พบว่าขณะเซลล์สืบพันธุ์แบ่งตัว โครโมโซมที่อยู่กันเป็นคู่ๆ จะถูกแยกออกจากกัน ซึ่งนักเซลล์วิทยาชาวเยอรมัน T. Boveri ก็พบเช่นกัน ทั้งสองเสนอสมมุติฐานว่า โครโมโซมคือสิ่งที่ใช้ในการถ่ายทอดทางพันธุกรรม

พ.ศ. ๒๔๕๑ Godfrey Harold Hardy นักคณิต-ศาสตร์ชาวอังกฤษ และ Wilhelm Weinberg แพทย์ชาว เยอรมันค้นพบสมการที่ใช้คำนวณสมดุลทางพันธุศาสตร์ ในระดับประชากรเรียกว่า Hardy-Weinberg Equation

พ.ศ. ๒๔๕๓ Thomas Hunt Morgan นักสัตววิทยา ชาวอเมริกันผู้ที่โลกส่งมาเพื่อสานงานต่อจาก Mendel (เขาเกิดในปีที่ Mendel เสนองานวิจัยพอดี) เขาศึกษาโครโมโซมของแมลงวัน Drosophila Melanogaster และพิสูจน์ว่าสมมติฐานของ Sutton กับ Boveri เป็นความจริง (ได้รับรางวัลโนเบลสาขาการแพทย์ในปี พ.ศ. ๒๔๗๖)

พ.ศ. ๒๔๗๐ Hermann Joseph Muller นักชีววิทยา ชาวอเมริกันลูกศิษย์ของ Morgan พบว่าโครโมโซมเกิดการกลายพันธุ์ได้ถ้าถูกรังสีเอกซ์ในปริมาณมาก (ได้รับรางวัลโนเบล สาขาการแพทย์ในปี พ.ศ. ๒๔๘๙)

พ.ศ. ๒๔๘๔ George Wells Beadle นักชีววิทยาชาวอเมริกัน และ Edward Lawrie Tatum นักชีวเคมีชาวอเมริกันค้นพบว่า ยีนหนึ่งๆ ที่อยู่ในโครโมโซม เกี่ยวข้องกับการสร้างเอนไซม์หนึ่งๆ เรียกว่า ๑ ยีน : ๑ เอนไซม์ (ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบล สาขาการแพทย์ พ.ศ. ๒๕๐๑)

พ.ศ. ๒๔๘๗ Oswald T. Avery และ Maclyn McCarty พยายามสกัดสารที่ใช้ในการถ่ายทอดทางพันธุกรรม พวกเขาพบว่าสารนี้ไม่ใช่ทั้งโปรตีน ไขมัน หรือคาร์โบไฮเดรต แต่ตกตะกอนในแอลกอฮอล์และจากการตรวจ Dische test ก็พบว่าสารนี้คือ Deoxyribonucleic acid (DNA)

พ.ศ. ๒๔๙๓ Barbara McClintock นักพันธุศาสตร์ ชาวอเมริกันค้นพบสารพันธุกรรมที่เคลื่อนย้ายได้ ซึ่งนำไปใช้อธิบายปรากฏการณ์ทางการแพทย์ได้หลายอย่าง (ได้รับรางวัลโนเบลสาขาการแพทย์ พ.ศ. ๒๕๒๖)

พ.ศ. ๒๔๙๖ James Dewey Watson นักสัตววิทยาชาวอเมริกัน และ Francis Harvy Compton Crick นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ใช้ X-ray diffraction ค้นพบว่า DNA มีโครงสร้างเป็นสาย ๒ สายขนานกันโดยเชื่อมกันด้วยกรดนิวคลีอิกซึ่งมีเบสเป็นองค์ประกอบอยู่  ๔ ชนิดคือ A (Adenine), G (Guanine), C (Cytosine), T (Thymine) และสายคู่นี้มีลักษณะบิดเป็นเกลียว (ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบล สาขาการแพทย์ พ.ศ. ๒๕๐๕)

พ.ศ. ๒๕๐๐ Arthur Kornberg แพทย์ชาวอเมริกัน ค้นพบเอนไซม์ DNA polymerase I ซึ่งใช้ในการสร้าง DNA (ได้รับรางวัลโนเบล สาขาการแพทย์ พ.ศ. ๒๕๐๒)

พ.ศ. ๒๕๐๑ Franklin William Stahl และ Matthew Stanley Meselson นักเคมีชาวอเมริกันพบว่าการเพิ่มจำนวนของดีเอ็นเอนั้น เกิดขึ้นโดยดีเอ็นเอจะคลายเกลียว และสายทั้ง ๒ จะแยกออกจากกัน แต่ละสายจะกลายเป็นต้นแบบในการสร้างสายใหม่ที่มาเข้าคู่กัน ทำให้ดีเอ็นเอเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ซึ่งดีเอ็นเอที่เกิดขึ้นใหม่สายหนึ่งจะมาจากดีเอ็นเออันเดิมจึงเรียกกระบวนการนี้ ว่า Semiconservative Replication

จาก ๑ ยีน : ๑ เอนไซม์ เราพบว่าดีเอ็นเอในยีนเกี่ยวข้องกับการสร้างกรดอะมิโนในเอนไซม์นั่นเอง ถ้าเบสในดีเอ็นเอ ๑ ตัวสร้างกรดอะมิโน ๑ ชนิดก็ควรจะมีกรดอะมิโนแค่ ๔ ชนิด แต่ในธรรมชาติกลับมีกรดอะมิโนถึง ๒๐ ชนิด

พ.ศ. ๒๕๐๔ Marshall Warren Nirenberg  นักชีวเคมีชาวอเมริกันพิสูจน์ได้ว่าเบสในดีเอ็นเอที่อยู่ติดกัน ๓ ตัวจะเป็นรหัสในการสร้างกรดอะมิโน จึงมีกรดอะมิโน อยู่ถึง ๒๐ ชนิด (ได้รับรางวัลโนเบล สาขาการแพทย์ใน  ปี พ.ศ. ๒๕๑๑)

ตอนแรกการศึกษาดีเอ็นเอในปริมาณน้อยๆ ทำได้ยาก จน พ.ศ. ๒๕๒๖ Karry B. Mullis นักชีวเคมีชาวอเมริกันคิดค้นวิธีเพิ่มปริมาณดีเอ็นเออย่างรวดเร็วที่เรียกว่า Polymerase Chain Reaction (PCR) โดยเลียนแบบกลไกธรรมชาติ PCR จึงมี ๓ ขั้นตอน
ขั้นที่ ๑ ใช้อุณหภูมิ ๙๕ องศาเซลเซียสเพื่อทำให้ดีเอ็นเอคลายเกลียวและแยกสายสองสายออกจากกัน 
ขั้นที่ ๒ ลดอุณหภูมิเหลือ ๕๕ องศาเซลเซียสแล้วใส่ชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่ต้องการตรวจลงไป
ขั้นที่ ๓ เพิ่มอุณหภูมิเป็น ๗๒ องศาเซลเซียสและ ใช้เอนไซม์ ดีเอ็นเอ polymerase ในการสร้างสายอีกข้างจากต้นแบบทั้ง ๒ สาย

เมื่อเสร็จสิ้นกระบวนการก็จะได้ดีเอ็นเอเพิ่มขึ้นเป็น ๒ เท่าและเมื่อทำซ้ำๆ หลายสิบรอบก็จะได้ปริมาณที่มากพอ

PCR มีประโยชน์อย่างมากในการตรวจหาเชื้อไวรัสและใช้ในทางนิติเวช แต่ช่วงนั้น PCR ยังทำได้ไม่ดีนักเพราะเอนไซม์ ดีเอ็นเอ polymerase ที่ใช้ทนความร้อนสูงไม่ได้  จนกระทั่ง พ.ศ. ๒๕๓๐ ค้นพบแบคทีเรีย Thermus aquaticus ที่อาศัยอยู่ในบ่อน้ำพุร้อน DNA polymerase ของมันที่สกัดได้เรียกว่า Taq polymerase  พบว่าทนความร้อนได้ดีทำให้ PCR สมบูรณ์ยิ่งขึ้น (Mullis ได้รับรางวัลโนเบล สาขาเคมี พ.ศ. ๒๕๓๖)

พ.ศ. ๒๕๓๓ สหรัฐอเมริกาและนานาชาติเริ่มโครงการ Human Genome Project (HGP) โดยวางแผนใช้งบ ๓,๐๐๐ ล้านเหรียญสหรัฐฯ เพื่อหาลำดับเบส      (Sequence) ของสารพันธุกรรมทั้งหมดของมนุษย์ให้ได้   ใน ๑๕ ปีนั่นคือ พ.ศ. ๒๕๔๘ และจะเปิดเผยข้อมูลทั้งหมดสู่สาธารณชน

แต่ว่าในปี พ.ศ. ๒๕๔๑ J. Craig Venter นัก-ชีววิทยา โมเลกุลชาวอเมริกันก่อตั้งบริษัท Celera และใช้เทคนิคใหม่ในการหาลำดับเบสได้อย่างรวดเร็วเรียกว่า Shotgun Sequencing โดยใช้ Supercomputer ในการคำนวณ เขาประกาศว่าจะใช้งบแค่ ๓๐๐ ล้านเหรียญสหรัฐฯ และใช้เวลาแค่ ๓ ปีในการวิจัยโดยจะจดสิทธิบัตร สิ่งที่เขาค้นพบคำประกาศนี้กระตุ้นให้ HGP ต้องเสร็จเร็วขึ้น

ในที่สุด พ.ศ. ๒๕๔๓ ลำดับเบสทั้งหมดอย่างคร่าวๆ (Draft) ก็เสร็จสิ้น Bill Clinton ประธานาธิบดีสหรัฐฯ และ Tony Blair นายกรัฐมนตรีอังกฤษก็ประกาศ ความสำเร็จพร้อมกันในวันที่ ๒๖ มิถุนายน พ.ศ. ๒๕๔๓ (หลังจากที่ชาวอเมริกันและชาวอังกฤษค้นพบโครงสร้างของดีเอ็นเอเมื่อ ๔๗ ปีก่อน)

นี่ก็เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น ก้าวต่อไปที่สำคัญคือการศึกษาว่าลำดับเบสเหล่านี้ควบคุมร่างกายของเราอย่างไรบ้าง และนั่นถึงจะเป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของมวลมนุษยชาติ (ดีกว่าการไปค้นหาอาวุธร้ายแรงในอิรักเป็นล้านเท่า ซึ่งหาเท่าไหร่ก็ไม่เจอเพราะมันไม่มีอยู่จริง แต่ที่เป็นจริงคือเขานั่นเองที่เอาอาวุธร้ายแรงไปทิ้งที่อิรัก) 

ป.ล. ผมรบกวนเวลาผู้อ่านมากแล้ว เลยไม่ได้กล่าวถึงผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบลจากการศึกษาพันธุศาสตร์อีกหลายคนได้แก่ Lederberg, Wilkins, Ochoa, Holley และ Khonrana ถ้าสนใจสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้ที่ www.nobelprize.org