เทคโนโลยีชีวภาพ

เทคโนโลยีชีวภาพ
          ปัจจุบันมีการนำความรู้ด้านชีววิทยาโดยเฉพาะในสาขาพันธุศาสตร์มาประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ต่อมนุษย์ในหลายรูปแบบ เกิดเป็นศาสตร์แขนงใหม่เรียกว่า เทคโนโลยีชีวภาพ(biotechnology)กระบวนการที่นักวิทยาศาสตร์พัฒนาขึ้น และมีการนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ได้แก่ พันธุวิศวกรรม(genetic engineering)การโคลน(cloning)และการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ(tissue culture)เป็นต้น

• เทคโนโลยีชีวภาพคืออะไร มีบทบาทอย่างไรในการปรับปรุงพันธุ์
         GMOs? 
                           CLONING? 
                  จีโนม? 
         Genetic Engineering?
         การโคลน? 
                  พันธุวิศวกรรม? 

4.5.1พันธุวิศวกรรม
         พันธุวิศวกรรม คือ การตัดต่อยีนด้วยกระบวนการที่นอกเหนือไปจากกระบวนการตามธรรมชาติ ทำได้โดยการตัดดีเอ็นเอจากสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งนำไปต่อเชื่อมกับดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่ง เกิดเป็นดีเอ็นเอลูกผสม เนื่องจากยีนกำหนดชนิดของโปรตีนที่สังเคราะห์ภายในเซลล์ สิ่งมีชีวิตที่ฝ่ายรับยีนจะสามารถสังเคราะห์โปรตีนชนิดที่ถูกกำหนดโดยยีนที่ได้รับมา ซึ่งตามธรรมชาติแล้วจะไม่สามารถสังเคราะห์ได้เอง เช่น การนำยีนที่สร้างโปรตีนชนิดหนึ่งของคนไปแทรกในดีเอ็นเอของแบคทีเรีย โดยทำในหลอดทดลองแล้วถ่ายดีเอ็นเอลูกผสมกลับคืนให้กับแบคทีเรีย ทำให้แบคทีเรียนั้นสามารถผลิตโปรตีนชนิดเดียวกับโปรตีนของคนได้ เรียกสิ่งมีชีวิตดัดแปรพันธุกรรม หรือ จีเอ็มโอ (GMO: genetically Modified Organism)

         นักเรียนสามารถทำความเข้าใจกับขั้นตอนหลักๆของกระบวนการทางพันธุวิศวกรรม จากตัวอย่างการใช้เซลล์แบคทีเรียผลิตโปรตีนอินซูลินของคน

         พลาสมิด (plasmid) เป็นดีเอ็นเอที่มีลักษณะเป็นวง พบตามธรรมชาติในเซลล์ของแบคทีเรีย และสิ่งมีชีวิตอื่นๆบางชนิด เช่น ยีสต์ สามารถเพิ่มจำนวนได้โดยอิสระภายในเซลล์ของผู้ถูกอาศัย
                  
                  ภาพ4.18 การสร้างสายพันธุ์แบคทีเรียที่สามารถสังเคราะห์ฮอร์โมนอินซูลินของคน

         ปัจจุบันสิ่งมีชีวิตดัดแปรพันธุกรรมมีเพิ่มขึ้นเรื่อยๆเช่นพืชต้านทานแมลงที่ได้รับยีนจากแบคทีเรียBacillus thuringiensis หรือบีที โปรตีนจากยีนนี้เป็นพิษต่อแมลงกลุ่มหนึ่ง พืชที่ได้รับการถ่ายฝากยีนเป็นบีที เช่น ฝ้ายบีทีหรือข้าวโพดบีที ก็จะมีความต้านทานแมลงกลุ่มนี้ไปด้วยในประเทศไทยมีการวิจัยและพัฒนาสิ่งมีชีวิตดัดแรพันธุกรรมที่อยู่ระหว่างการดำเนินการหลายโครงการ เช่น พริกชี้ฟ้าและมะละกอที่มีความต้านทานไวรัสได้ โดยพืชเหล่านี้จะได้รับยีนที่ทำให้เซลล์สามารถสังเคราะห์โปรตีนที่ห่อหุ้มอนุภาคไวรัสได้ โปรตีนนี้จะไม่ก่อให้เกิดโรคแต่จะกระตุ้นกลไกการสร้างความต้านมานต่อไวรัสในพืชส่วนตัวอย่างสัตว์ที่ได้รับการดัดแปรพันธุกรรม ได้แก่ ปลาที่ได้รับยีนของฮอร์โมนเร่งการเจริญเติบโต และหนูที่ได้รับการดัดแปรพันธุกรรมลักษณะต่างๆซึ่งมีประโยชน์อย่างมากในงานวิจัยทางชีววิทยา
                                                
         ภาพ4.19 มะละกอต้านไวรัส ได้รับการถ่ายฝากยีนที่ทำให้ต้านทานต่อโรคใบด่างจุดวงแหวน
                  เอื้อเฟื้อภาพโดยรศ.ดร. สุพัฒน์ อรรถธรรม มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์วิทยาเขตกำแพงแสน

• ในชีวิตประจำวัน นักเรียนพบสิ่งมีชีวิตที่ได้รับการดัดแปรพันธุกรรมบ้างหรืไม่
• นักเรียนคิดว่าการวิจัยพัฒนาและใช้ประโยชน์จากสิ่งมีชีวิตที่ได้รับการดัดแปรพันธุกรรมมีผลต่อสังคมด้านใดบ้างอย่างไร
• เทคโนโลยีพันธุวิศวกรรมได้ถูกนำมาใช้เปลี่ยนแปลงลักษณะของสิ่งมีชีวิตอย่างไรบ้าง ให้นักเรียนยกตัวอย่าง
• พันธุวิศวกรรมมีความสำคัญอย่างไรและการใช้เทคโนโลยีนี้จะมีผลต่อมนุษย์อย่างไร

4.5.2การโคลน
         ในทางชีววิทยา การโคลน หมายถึงการสร้างสิ่งมีชีวิตใหม่ ซึ่งมีลักษณะทางพันธุกรรมเหมือนสิ่งมีชีวิตต้นแบบทุกประการ วิธีการโคลนวิธีหนึ่งคือการนำนิวเคลียสของเซลล์ร่างกาย ใส่เข้าไปในเซลล์ไข่ที่ถูกดูดเอานิวเคลียสออกไปก่อนแล้ว ด้วยกระบวนการนี้เซลล์ไข่ที่มีนิวเคลียสของเซลล์ร่างกายจะพัฒนาไปเป็นสิ่งมีชีวิตตัวใหม่โดยใช้ข้อมูลในสารพันธุกรรมจากนิวเคลียสของเซลล์ร่างกายสิ่งมีชีวิตตัวใหม่จึงมีลักษณะทางพันธุกรรมเหมือนกับสิ่งมีชีวิตต้นแบบ

• การโคลนมีประโยชน์ต่อการปรับปรุงพันธุหรือไม่
• การโคลนมีผลอย่างไรต่อระบบนิเวศและความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต

          ในประเทศไทย มีการโคลนวัวเนื้อตัวแรกของโลก ชื่อ “นิโคล”และโคลนวัวนมชื่อ“อิง”อิงเป็นวัวนมตัวแรกในย่านเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ และเป็นตัวที่ 6 ของโลก อิงเกิดจากการโคลนโดยใช้เซลล์ใบหูเป็นเซลล์ต้นแบบ

                           
                                    ภาพ4.20 วัวโคลน(ด้านหน้า)กับวัวต้นแบบ

         การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช เป็นวิธีการโคลนอย่างหนึ่ง ทำได้โดยการนำส่วนใดส่วนหนึ่งของพืชมาเลี้ยงในอาหารสังเคราะห์ ซึ่งประกอบด้วยธาตุอาหาร น้ำตาล วิตามิน และฮอร์โมนพืช ในสภาพปลอดเชื้อและมีการควบคุมแสงสว่าง อุณหภูมิ และความชื้น

         นักวิทยาศาสตร์ได้นำเอาเทคนิคการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืชไปขยายพันธุ์พืชเศรษฐกิจ ทั้งพืชไร่นา เช่น ข้าว อ้อย รวมไปถึงไม้ดอกไม้ประดับ ไม้ผล ตลอดจนพืชผักต่างๆ
                           
                                     ภาพ4.21ขั้นตอนในการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ

         เทคโนโลยีชีวภาพ โดยเฉพาะการสร้างสิ่งมีชีวิตดัดแปรพันธุกรรมและการโคลน เป็นเทคโนโลยีใหม่สำหรับสังคมไทย ผลกระทบของเทคโนโลยีเหล่านี้ต่อสิ่งแวดล้อม เศรษฐกิจ และสังคม ยังเป็นที่ถกเถียงกันทั้งภายนอกและภายในวงวิชาการอย่างไม่มีข้อสรุปเป็นเอกฉันท์ จึงต้องมีการศึกษาถึงผลกระทบทั้งในด้านบวกแลด้านลบของเทคโนโลยีเหล่านี้อย่างถี่ถ้วนต่อไป

ลายพิมพ์ดีเอ็นเอ
         นักเรียนอาจเคยได้รับรู้ข่าวเกี่ยวกับการตรวจดีเอ็นเอเพื่อพิสูจน์ผู้ต้องสงสัยหรือหาความสัมพันธ์ทางสายเลือด สิ่งที่ถูกตรวจสอบในขั้นตอนเหล่านี้คือลายพิมพ์ดีเอ็นเอ (DNA fingerprint) ซึ่งเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของแต่ละบุคคล เช่นเดียวกับลายพิมพ์นิ้วมือ ลายพิมพ์ดีเอ็นเอไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ และไม่มีใครมีลายพิมพ์ดีเอ็นเอเหมือนกัน ยกเว้นแฝดร่วมไข่เท่านั้น นอกเหนือไปจากการใช้พิสูจน์บุคคล ยังใช้ลายพิมพ์ดีเอ็นเอพิสูจน์ความสัมพันธ์ทางสายเลือดได้ด้วย เนื่องจากดีเอ็นเอได้รับถ่ายทอดมาจากทั้งพ่อและแม่

         ดีเอ็นเอจากทุกเซลล์ในร่างกายจะเหมือนกันหมดด้วยเหตุนี้การตรวจจากเนื้อเยื่อส่วนใดๆในร่างกายจึงได้ผลเช่นเดียวกัน การตรวจลายพิมพ์ดีเอ็นเอเป็นการตรวจเทียบลำดับเบสของดีเอ็นเอตรงกันในทุกตำแหน่งที่ตรวจนั้นแทบจะไม่มีเลย การสร้างลายพิมพ์ดีเอ็นเอของผู้หนึ่งผู้ใดทำได้ตามขั้นตอนในภาพ4.22

• การตรวจลายพิมพ์ดีเอ็นเอสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านใดได้อีกบ้าง
                                              
                                          ภาพ4.22การสร้างลายพิมพ์ดีเอ็นเอ
                              
ลายพิมพ์ดีเอ็นเอในภาพ4.22เป็นของเด็กคนหนึ่งจากพิมพ์ดีเอ็นเอของแม่นักเรียนบอกได้หรืไม่ว่าชายคนใดเป็นพ่อเด็ก

ความก้าวหน้าทางพันธุศาสตร์และเทคโนโลยีชีวภาพ

         ปัจจุบันความก้าวหน้าในด้านพันธุศาสตร์ที่อยู่ในความสนใจ คือการทำแผนที่จีโนม(genome mapping) เพื่อให้รู้ว่ายีนต่างๆ และลำดับเบสของดีเอ็นเอทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตที่ศึกษาอยู่ที่ตำแหน่งไหนของโครโมโซมบ้างทำหน้าที่อะไร และอย่างไร

         ขณะนี้นักพันธุศาสตร์กำลังวิจัยศึกษาแผนที่จีโนมของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด เช่น ข้าว หนู แมลงหวี่ ยีสต์ แบคทีเรีย โดยเฉพาะแผนที่จีโนมของมนุษย์ ซึ่งอาจนำไปสู่ความรู้ที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ เช่น การรักษาโรคต่างๆที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม และโรคมะเร็งเป็นต้น เมื่อระบุได้ว่ายีนใดบ้างที่มีความเกี่ยวข้องกับภาวะผิดปกติ และเข้าใจกลไกการเกิดโรคเพียงพอ ก็อาจใช้เทคโนโลยีพันธุวิศวกรรมตัดต่อยีนที่พึงประสงค์เข้าไปแทนยีนที่บกพร่องอันเป็นสาเหตุให้เกิดโรคได้ เรียกวิธีรักษาแบบนี้ว่าการบำบัดรักษาด้วยยีน(gene therapy)นอกจากนี้แผนที่จีโนมของมนุษย์ ยังเป็นพื้นฐานในการพัฒนาวิธีการที่สามารถใช้ทำนายแนวโน้มในการเกิดโรคที่เกี่ยวเนื่องกับพันธุกรรมของแต่ละคนได้อีกด้วย

                ข้อมูลทางพันธุกรรมบันทึกอยู่ในยีน ซึ่งคือดีเอ็นเอช่วงหนึ่งๆ บนโครโมโซมที่มีข้อมูลสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนต่างๆ การจำลองดีเอ็นเอจึงเป็นขั้นตอนสำคัญในการแบ่งเซลล์ซึ่งทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถเจริญเติบโตและสืบทอดลักษณะของสิ่งมีชีวิตนั้นๆต่อไปได้ ความรู้เกี่ยวกับการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม ทำให้เข้าใจถึงปัจจัยการเกิดโรคทางพันธุกรรมและรู้ที่จะหลีกเลี่ยงการถ่ายทอดลักษณะผิดปกติหรือโรคพันธุกรรมไปสู่ลูกหลาน การเกิดมิวเทชันทำให้มีการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรมและกระบวนการคัดเลือกตามธรรมชาติทำให้มีสิ่งมีชีวิตต่างๆหลากหลายชนิด นอกจากนั้น มนุษย์ยังใช้ความรู้ด้านพันธุศาสตร์และความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ดัดแปลงสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนานา ให้มีคุณลักษณะตามต้องการมีคุณค่าทางเศรษฐกิจ เป็นประโยชน์ต่อตนเองและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ

คำถาม
1.ศึกษาแผนภาพต่อไปนี้ แล้วตอบคำถาม
                              
         ก. จำนวนโครโมโซมของหมายเลขต่างๆเท่ากับเท่าใด
         ข.การแบ่งเซลล์ที่ให้กำเนิดเซลล์ในหมายเลข 3, 4,5และ6เป็นการเซลล์แบบใด

2.ถ้าลำดับนิวคลีโอไทป์บนสายหนึ่งของดีเอ็นเอเป็น GCCATTG นิวคลีโอไทป์ที่เป็นคู่สายของดีเอ็นเอส่วนนี้มีลำดับอย่างไร

3.เพราะเหตุใดในการฉายรังสีเพื่อให้เกิดมิวเทชันในพืช ถึงต้องฉายรังสีกับพืชจำนวนมากแต่ได้พืชที่มีลักษณะพึงประสงค์จำนวนน้อย

4.นักเรียนมีความคิดเห็นอย่างไรถ้าจะมีการโคลนมนุษย์

5.มีผู้กล่าวว่า เทคโนโลยีชีวภาพจะเป็นสิ่งผลักดันอารยธรรมมนุษย์ในศตวรรษนี้ให้ก้าวหน้าเช่นเดียวกับที่พัฒนาการทางอุตสาหกรรมเปลี่ยนแปลงโลกในศตวรรษที่ผ่านมา นักเรียนมีความคิดเห็นอย่างไร