การค้นพบสารพันธุกรรม ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 วิชาชีววิทยา

การค้นพบสารพันธุกรรม

ถ้าต้องทำการบ้านส่งคุณครู เพื่อถ่ายทอดความรู้ที่เรามีอยู่ เพื่อน ๆ ต้องเขียน ๆๆๆๆ สิ่งที่รู้ลงไปในกระดาษ และถ้าอยากได้ข้อมูลนี้เพิ่มอีกหลาย ๆ ชุดก็แค่ถ่ายเอกสารเก็บไว้ ในขณะเดียวกัน ถ้าร่างกายของสิ่งมีชีวิตมีข้อมูลที่อยากจะส่งต่อไปยังรุ่นลูกรุ่นหลานบ้างล่ะ ร่างกายจะทำอย่างไร ?

คำตอบก็คือร่างกายจะใช้สารพันธุกรรม (DNA*) บรรจุรหัสพันธุกรรมแล้วส่งต่อไปยังลูกหลานผ่านการสืบพันธุ์ไปเรื่อย ๆ ไม่ว่าจะเป็นคน สัตว์ หรือพืชก็ใช้วิธีนี้ด้วยกันทั้งนั้น แต่ DNA คืออะไร มนุษย์รู้ได้อย่างไรว่าร่างกายของเรามี DNA อยู่ด้วย วันนี้บทเรียนออนไลน์จาก StartDee จะพาเพื่อน ๆ ไปดูประวัติศาสตร์ของ “การค้นพบสารพันธุกรรม” การศึกษาที่ใช้เวลายาวนานนับร้อยปี และการศึกษานี้ได้เปลี่ยนความเชื่อของผู้คนไปตลอดกาล

หากเพื่อน ๆ อยากเรียนเรื่องนี้ในรูปแบบวิดีโอ ที่มีทั้งภาพประกอบสวย ๆ และคุณครูคอยอธิบายแบบละเอียดยิบ ๆ อย่าลืมดาวน์โหลดแอปฯ StartDee กันนะ

*ยกเว้นไวรัสซึ่งไม่จัดว่าเป็นสิ่งมีชีวิต บางชนิดมี RNA เป็นสารพันธุกรรม

Banner-Green-Standard

 

สารพันธุกรรมคืออะไร ? ทำไมต้องศึกษาเกี่ยวกับสารพันธุกรรม

สารพันธุกรรม คือ สารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ ซึ่งมีโครงสร้างเป็นสายโพลีเมอร์ เกิดจากหน่อยย่อยพื้นฐานที่มีองค์ประกอบคล้ายกันมาต่อกันและทำหน้าที่สำหรับเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ข้อมูลทางพันธุกรรมนี้จะอยู่ในรูปรหัสพันธุกรรม (Genetic Code) ที่อยู่เป็นส่วนหนึ่งของ DNA อีกที รหัสเหล่านี้จะเป็นเหมือน “โค้ด (Code)” ที่สั่งให้ร่างกายสร้างโปรตีนหรือเอนไซม์ชนิดต่าง ๆ และควบคุมการแสดงออกทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต 

นี่คือสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับสารพันธุกรรมในปัจจุบัน แต่กว่าจะรู้ว่าอะไรเป็นอะไร นักวิทยาศาสตร์ต้องศึกษาวิจัยเกี่ยวกับสารพันธุกรรมอย่างยาวนาน จากโลกในยุคศตวรรษที่ 18  ที่ผู้คนพร้อมใจกันเชื่อว่าพระเจ้าสร้างโลกภายใน 7 วัน ในปี ค.ศ. 1859 ชาลส์ ดาร์วิน (Charls Darwin) ก็ตีพิมพ์หนังสือ On The Origins of Species (กำเนิดสปีชีส์) เพื่อเผยแพร่ทฤษฎีวิวัฒนาการอันเป็นกระบวนการที่กินเวลานานนับล้านปี ทฤษฎีนี้ถูกมองว่าท้าทายอำนาจของพระผู้เป็นเจ้า ทำให้ความเชื่อของคริสตศาสนิกชนสั่นคลอน หนังสือของดาร์วินจึงถูกต่อต้านจากคริสตจักร แต่นอกจากทฤษฎีวิวัฒนาการอันเป็นที่เลื่องลือ ในหนังสือกำเนิดสปีชีส์ ดาร์วินยังกล่าวถึง “การถ่ายทอดลักษณะ” จากรุ่นสู่รุ่นของของสิ่งมีชีวิตไว้ด้วย แม้ในเวลานั้นวิทยาศาสตร์จะยังไม่สามารถอธิบายได้ว่าการถ่ายทอดลักษณะจากรุ่นสู่รุ่นของสิ่งมีชีวิตนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร แต่การค้นพบของดาร์วินก็ได้นำไปสู่การตั้งคำถามและงานวิจัยอื่น ๆ ในเวลาต่อมา

On the origin of speciesชาลส์ ดาร์วิน

The title page of the 1859 edition of On the Origin of Species on Wiki Commons

Darwin pictured shortly before publication on Wiki Commons

 

ต่อมาไม่นาน เกรเกอร์ โยฮันน์ เมนเดล (Gregor Johann Mendel) ได้ศึกษา การถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม ของถั่วลันเตาในปี ค.ศ. 1863 เมนเดลเริ่มปลูกต้นถั่วลันเตา เขาสังเกตและบันทึกลักษณะที่ตาเปล่ามองเห็นได้ ทั้งหมด 7 ลักษณะของต้นถั่วเช่น ลักษณะของฝัก สีของดอก และความเรียบของเมล็ด จากการทดลองนี้เมนเดลสรุปผลได้ว่า “มีหน่วยที่ทำหน้าที่ควบคุมการแสดงออกของลักษณะต่าง ๆ และหน่วยนี้สามารถถ่ายทอดจากพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกแต่ละรุ่นได้” แต่ในตอนนั้นยังไม่มีใครรู้จักสารพันธุกรรม เมนเดลจึงเรียกหน่วยนี้ว่า “แฟกเตอร์ (Factor)” การทดลองของเมนเดลเริ่มแสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตถ่ายทอดลักษณะต่าง ๆ จากรุ่นสู่รุ่นได้อย่างไร และจากสวนเล็ก ๆ หลังโบสถ์ งานวิจัยของเมนเดลนำมนุษยชาติไปสู่ก้าวแรกของการศึกษาด้านพันธุศาสตร์ รวมถึงเป็นตัวอย่างในการศึกษาการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมมาจนถึงปัจจุบัน 



ไทม์ไลน์การค้นพบสารพันธุกรรม (และการทดลองที่สำคัญ !)

การค้นพบของเมนเดลเริ่มจุดประกายความสงสัยให้วงการวิทยาศาสตร์ แต่การศึกษาเกี่ยวกับสารพันธุกรรมก็ไม่ใช่การวิจัยสั้น ๆ ของนักวิทยาศาสตร์คนใดคนหนึ่ง ทว่าเป็นการศึกษาที่ต่อเนื่องยาวนาน ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์หลายคน หลายคณะ วันนี้เราจะพาเพื่อน ๆ ไปรู้จัก 6 การทดลองสำคัญที่มีบทบาทต่อการค้นพบสารพันธุกรรม ได้แก่...

 

ค.ศ. 1869: โยฮันน์ ฟรีดริช มีเชอร์ (Johann Friedrich Miescher) ค้นพบกรดนิวคลีอิก (Nucleic acid)

ในปี ค.ศ. 1869 โยฮันน์ ฟรีดริช มีเชอร์ นักเคมีชาวสวิสได้ศึกษาองค์ประกอบของนิวเคลียสของเซลล์เม็ดเลือดขาวที่ตายแล้วบนผ้าพันแผล มีเชอร์ทดลองนำเซลล์เม็ดเลือดขาวมาย่อยโปรตีนออก แต่พบว่ามีสารชนิดหนึ่งภายในนิวเคลียสที่ไม่สามารถย่อยได้ จึงนำสารนี้มาวิเคราะห์องค์ประกอบต่อ

มีเชอร์พบว่าสารนี้ประกอบด้วยธาตุ C H O และ P และสารนี้ก็ไม่ใช่ทั้งลิพิด โปรตีน หรือคาร์โบไฮเดรต จึงเรียกสารนี้ว่านิวคลีอิน (Nuclein) เนื่องจากเป็นสารที่อยู่ในนิวเคลียส แต่ต่อมาพบว่าสารนี้มีสมบัติเป็นกรดจึงเรียกว่ากรดนิวคลีอิก (Nucleic acid) 

 

ค.ศ. 1928: เฟร็ดเดอริก กริฟฟิทช์ (Frederick Griffith) ค้นพบว่าข้อมูลพันธุกรรมใน DNA สามารถ่ายทอดได้ จากการศึกษาแบคทีเรีย Streptococcus pneumonia ที่ทำให้เกิดโรคปอดบวม

ในปี ค.ศ. 1928 เฟร็ดเดอริก กริฟฟิทช์ แพทย์ชาวอังกฤษค้นพบว่า “มีสารบางอย่างทำให้แบคทีเรีย Streptococcus pneumonia เกิดการแปลสภาพ จากสายพันธุ์ R (ไม่ก่อโรค) เป็นสายพันธุ์ S (ก่อโรค)” โดยกริฟฟิทช์ทำการทดลองทั้งหมด 4 ชุด

การทดลองชุดที่ 1 ทดลองฉีดแบคทีเรียสายพันธุ์ R เข้าไปในหนูทดลอง ปรากฏว่าหนูไม่ตาย

การทดลองชุดที่ 2 ทดลองฉีดแบคทีเรียสายพันธุ์ S เข้าไปในหนูทดลอง ปรากฏว่าหนูตาย

การทดลองชุดที่ 3 ฆ่าแบคทีเรียสายพันธุ์ S ให้ตายด้วยความร้อน จากนั้นจึงฉีดเข้าไปในหนูทดลอง ปรากฏว่าหนูไม่ตาย

การทดลองชุดที่ 4 นำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ตายแล้วมาผสมกับแบคทีเรียสายพันธุ์ R ที่ยังมีชีวิต แล้วฉีดเข้าไปในหนูทดลอง ปรากฏว่าหนูตาย และเมื่อนำเลือดของหนูไปตรวจก็พบว่ามีทั้งแบคทีเรียสายพันธุ์ R และ S

การศึกษาแบคทีเรีย-เฟร็ดเดอริก กริฟฟิทช์
Griffith experiment on Khan academy

จากการทดลองนี้ทำให้กริฟฟิทช์สรุปได้ว่า “มีสารบางอย่างจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S เข้าไปทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ R แปลสภาพเป็นแบคทีเรียสายพันธุ์ S” เราเรียกกระบวนการนี้ว่า Transformation แต่กริฟฟิทช์ก็ยังไม่รู้ว่าสารที่ว่านี้คืออะไร

 

ค.ศ. 1944: ออสวาลด์ เอเวอรี่ (Oswald Avery) คอลลิน แมคลาวด์ (Colin MacLeod) และแมคลินน์ แมคคาร์ที (Maclyn McCarty) ค้นพบกระบวนการ Transformation และได้ข้อสรุปว่า DNA เป็นสารพันธุกรรม 

ในปี ค.ศ. 1944 เอเวอรี่และคณะจึงทำการทดลองต่อจากเฟร็ดเดอริก กริฟฟิทช์ โดยนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S มาฆ่าให้ตายด้วยความร้อน สกัดออกมาเป็น 4 หลอด แล้วเติมเอนไซม์ที่แตกต่างกัน 

หลอดที่ 1 ไม่เติมเอนไซม์อะไรเลย (เป็นชุดควบคุมการทดลอง) > แบคทีเรียสายพันธุ์ S ในหลอดที่ 4 มี RNA, DNA และโปรตีน

หลอดที่ 2 เติมเอนไซม์ Protease เพื่อย่อยโปรตีน > แบคทีเรีย S ในหลอดที่ 2 ไม่มีโปรตีน

หลอดที่ 3 เติมเอนไซม์ Ribonuclease เพื่อย่อย RNA > แบคทีเรียสายพันธุ์ S ในหลอดที่ 1 ไม่มี RNA

หลอดที่ 4 เติมเอนไซม์ Deoxyribonuclease เพื่อย่อย DNA > แบคทีเรียสายพันธุ์ S ในหลอดที่ 3 ไม่มี DNA

จากนั้นจึงเติมแบคทีเรียสายพันธุ์ R ลงไปในหลอดทดลองทั้ง 4 เมื่อทิ้งไว้ระยะหนึ่งจึงพบว่า

หลอดที่ 1 พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S

หลอดที่ 2 พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S

หลอดที่ 3 พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S

หลอดที่ 4 ไม่พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S

ค้นพบกระบวนการ Transformation
Oswald Avery, Colin MacLeod, and Maclyn McCarty followed up on Griffith’s experiment and experimentally determined that the transforming principle was DNA. on Jobilize.com

สังเกตว่า เมื่อเติมแบคทีเรียสายพันธุ์ R ลงไปในหลอดทดลองที่ 4 ซึ่งเป็นแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ไม่มี DNA ก็ไม่พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S เพิ่ม ต่างจากหลอดอื่น ๆ ที่ยังมี DNA อยู่ จึงพบแบคทีเรียสายพันธุ์ S จากผลการทดลองนี้ เอเวอรี่และคณะจึงสรุปได้ว่า “DNA เป็นสารพันธุกรรม” ที่ทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ R เกิดกระบวนการ Transformation กลายเป็นแบคทีเรียสายพันธุ์ S

 

ค.ศ. 1950: เออร์วิน ชาร์กาฟฟ์ (Erwin Chargaff) พบเบสใน DNA มี 4 ชนิดและสัดส่วนของปริมาณเบสใน DNA 

ในปี ค.ศ. 1950 เออร์วิน ชาร์กาฟฟ์ได้ศึกษาเบสใน DNA พบว่าใน DNA มีเบสทั้งหมด 4 ชนิด แบ่งได้เป็น 2 กลุ่มคือ

  1. เบสไพริมิดีน (Pyrimidine) ประกอบด้วยไซโทซีน (Cytosine - C) และไทมีน (Thymine - T)
  2. เบสพิวรีน (Purine) ประกอบด้วยอะดีนีน (Adenine - A) และกัวนีน (Guanine - G)

นอกจากนี้ชาร์กาฟฟ์ยังศึกษาปริมาณของเบสทั้ง 4 ชนิดนี้ด้วย และพบว่าปริมาณของ A เท่ากับ T และ C เท่ากับ G เสมอ สรุปเป็นกฎของชาร์กาฟ (Chargaff’s rule) ได้ว่า

  1. อัตราส่วนระหว่างเบส A:T และ G:C จะใกล้เคียงกับ 1 เสมอ
  2. ปริมาณของเบส A ใกล้เคียงกับ T และปริมาณของเบส C จะใกล้เคียงกับ G ผลรวมเบส 4 ชนิดจะเท่ากับ 100%
  3. เบส A จับคู่กับเบส T และเบส G จับคู่กับเบส C
  4.  สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดจะมีปริมาณของเบสทั้ง 4 ชนิดแตกต่างกัน 

 

ค.ศ. 1952: มอริซ วิลคินส์ (Maurice Wilkins) และโรสลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin) ศึกษาโครงสร้างของ DNA จากภาพถ่ายโดยใช้เทคนิค X-ray Crystallography 

ในปี ค.ศ. 1952 มอริซ วิลคินส์ และโรสลินด์ แฟรงคลินต่างทำการทดลองเพื่อหาโครงสร้างของ DNA ด้วยเทคนิค X - ray Crysstallography ซึ่งเป็นการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA เมื่อรังสีเอกซ์หักเหจะทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม

X-ray Crystallography Franklin's X-Ray Crystallography on Mun.ca

จากการทดลองนี้ทำให้เรารู้ว่าโครงสร้างของ DNA จากสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ มีลักษณะคล้ายกัน โดย DNA ประกอบด้วยโพลีนิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย มีลักษณะเป็นเกลียวหลาย ๆ รอบ แต่ละรอบจะมีระยะห่างเท่า ๆ กัน 

 

ค.ศ. 1952: เจมส์ วัตสัน (James Watson) และฟรานซิส คริก (Francis Crick) เสนอแบบจำลองของ DNA 

watson-crick-dna-model
James Watson and Francis Crick with their DNA model at the Cavendish Laboratories in 1953. by A. Barrington Brown on www.photoresearchers.com.

จากผลการทดลองของเออร์วิน ชาร์กาฟฟ์ ภาพถ่าย DNA ของมอริซ วิลคินส์ (Maurice Wilkins) และโรสลินด์ แฟรงคลิน ในปี ค.ศ. 1952 เจมส์ วัตสันและฟรานซิส คริกก็ได้เสนอแบบจำลองของ DNA ว่า

  1. DNA มีโครงสร้างเป็นบันไดเวียนคู่ (Double helix) ตามเข็มนาฬิกา มีหมู่ฟอสเฟตกับน้ำตาล (Sugar - phosphate backbone) เป็นราวบันได มีเบสของแต่ละสายพอลินิวคลีโอไทด์เป็นขั้นบันได
  2. DNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายเรียงสลับทิศกัน (Antiparallel) คือ ปลาย 3’ จะจับกับปลาย 5’ ของพอลินิวคลีโอไทด์อีกสาย
  3. เบสในแต่ละสายของ DNA จะเป็นเบสคู่สมกัน (Complementary base pair) เบส A คู่กับเบส T และเบส C คู่กับเบส G เบสคู่สมจะยึดกันด้วยพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) 

By_Designua1DNA structure by Designua on Shutterstock

แบบจำลอง DNA ของวัตสันและคริกเป็นแบบจำลอง DNA ที่ถูกใช้มาจนถึงทุกวันนี้ และจากการค้นพบนี้ก็ทำให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาและการแพทย์ในปี ค.ศ. 1962 



Did you know ?

ชวนมาดูแรงบันดาลใจที่นำไปสู่การค้นพบ DNA ใน How I Discovered DNA 

อะไรจะดีไปกว่าการได้ฟังคำบอกเล่าจากผู้มีประสบการณ์จริง จาก TED - Ed ตอน How I Discovered DNA เจมส์ วัตสันจะเล่าให้เราฟังว่า กว่าจะได้หน้าตาโมเดลของ DNA ต้องอาศัยข้อมูลอะไรบ้าง เท้าความยาวตั้งแต่การค้นพบทฤษฎีวิวัฒนาการของชาร์ลส์ ดาร์วิน แรงบันดาลใจจากหนังสือ What is Life โดยเออร์วิน ชโรดิงเจอร์ (Erwin Schrodinger) การพูดคุยเรื่อง DNA กับมอริซ วิลคินส์ในอิตาลี และการพบกับฟรานซิส คริกในแลปเคมีของเคมบริดจ์เพื่อสร้างโมเดลด้วยกัน 

 

กว่าจะได้รูปร่างและโมเดลของ DNA ที่ถูกต้อง นักวิทยาศาสตร์แต่ละคนต้องลองผิดลองถูกมามากมาย และใช้เวลาศึกษายาวนานมากจริง ๆ แถมการล้มล้างสมมติฐานเดิมที่มีอยู่ด้วยข้อเท็จจริงใหม่ ๆ ก็ต้องอาศัยความเชื่อมั่นและผลการทดลองที่แม่นยำมาก ๆ เท่สุด ๆ ไปเลยเนอะ ปัจจุบันการค้นพบ DNA ได้นำไปสู่การศึกษาทางพันธุศาสตร์ที่สำคัญมากมาย เช่น การแสดงออกของยีนในระดับต่าง ๆ และเทคโนโลยีทางพันธุศาสตร์ที่ช่วยให้ชีวิตของเราดียิ่งขึ้น แต่การทดลองที่นำไปสู่การค้นพบสารพันธุกรรมยังมีรายละเอียดอีกมาก เพื่อน ๆ สามารถติดตามต่อได้ในแอปพลิเคชัน StartDee หรือจะแวะไปทบทวนบทเรียนชีววิทยาเรื่องอื่น ๆ เช่น ผนังเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ และนิวเคลียส, การรับรู้และการตอบสนองของสิ่งมีชีวิต เป็นต้น

ส่วนใครที่เริ่มติดใจวิดีโอจาก Ted - Ed เรารวบรวมแบบสนุก ๆ ไว้เพียบเลยที่นี่


ขอบคุณข้อมูลจาก:

  1. ธนพร พิมพ์อุบล (ครูฟิล์ม)
  2. หฤษฎ์ ยวงมณี (ครูติ๊ก)

References:

Admin. (2015, September 30). The history of DNA timeline. Retrieved March 11, 2021, from https://www.dna-worldwide.com/resource/160/history-dna-timeline#0

Aliouche, H. (2019, May 01). History of DNA research: Scientific pioneers & their discoveries. Retrieved March 16, 2021, from https://www.news-medical.net/life-sciences/History-of-DNA-Research-Scientific-Pioneers-Their-Discoveries.aspx#Watson%20and%20Crick

แสดงความคิดเห็น