วันพุธที่ 20 กรกฎาคม พ.ศ. 2554

โยฮันน์ เกรกอร์ เมนเดล (Gregor Mendel)

ต้องยอมรับว่านี่คือ “ยุคแห่งพันธุศาสตร์” เพราะในช่วง 50 ปีที่ผ่านมานี้ การค้นคว้าและความก้าวหน้าทางด้านเทคโนโลยีชีวภาพได้เติบโตอย่างก้าวกระโดด นั่นก็เพราะความต้องการแก้ปัญหาด้านสุขภาพ และต้องการไขปริศนาธรรมชาติในกระบวนการสร้างสิ่งมีชีวิตต่างๆ ทำให้มวลมนุษย์เดินหน้าหาวิธีการต่างๆ เพื่อให้ร่างกายสามารถพิชิตโรคภัย และดำรงตนอยู่ในโลกยุคใหม่อย่างสบายใจไร้ทุกข์ ด้วยความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่พัฒนาขึ้นมาถึงระดับเทคโนโลยี



ประวัติ

โยฮันน์ เกรกอร์ เมนเดล เกิดในปี ค.ศ.1822 เป็นบาทหลวงชาวออสเตรีย และในขณะเดียวกันเขาก็เป็นอาจารย์สอนหนังสือให้แก่นักเรียน สอนนักเรียน ถึงเรื่องพันธุ์กรรมด้วย เมนเดลมีความสนใจศึกษาด้านวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะ ด้านพันธุศาสตร์ เขาได้ใช้สถานที่ภายในบริเวณวัดเพื่อทำการทดลองสิ่งต่างๆ ที่เขาสนใจ เมนเดลเริ่มต้นทดลองเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ.1856 เรื่องที่เขาทำการทดลองคือ การรวบรวมต้นถั่วหลายๆพันธุ์นำมาผสมกันหลายๆวิธีเขาใช้เวลาทดลองต่อเนื่อง ถึง 7 ปี จนได้ข้อมูลมากเพียงพอ ในปี ค.ศ.1865 เมนเดล จึงได้ รายงานผลการทดลอง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการผสมพันธุ์ ต้นถั่ว ให้แก่ที่ประชุม Natural History Society ในกรุงบรุนน์ ( Brunn ) ผลงานของเขาได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ออกไปทั่วทวีปยุโรปและ อเมริกาในปีต่อมาคือปี ค.ศ.1866 ผลงานของเขาถูกปล่อยไว้นานถึง 34 ปี จนกระทั่งปี ค.ศ.1900 ได้มีนัก ชีววิทยา 3 ท่าน คือ ฮูโก เดฟรีส์ ชาวฮอลันดา คาร์ล คอเรนส์ ชาวเยอรมันและ เอริช ฟอน แชร์มาค ชาวออสเตรเลีย ได้ทดลองผสมพันธุ์พืชชนิดอื่นๆ และได้ผลการทดลองตรงกับที่เมนเดลเคยรายงานไว้ ทำให้เมนเดลเป็นที่รู้จัก ในวงการพันธุศาสตร์นับแต่นั้นเป็นต้นมา และ เมนเดลยังได้รับการยกย่องว่า เป็นบิดาแห่งวิชาพันธุศาสตร์อีกด้วย เมนเดลเสียชีวิตลงในปี ค.ศ.1884 ถึงแม้เป็นความจริง เขาจะไม่ได้รับการ ยอมรับนับถือในฐานะนักวิทยาศาสตร์มากนัก แต่ประชาชนทั่วไปก็นับถือเขาและมีความศรัทธาในฐานะนักบวชเป็นอย่างมาก

ต้องยอมรับว่านี่คือ “ยุคแห่งพันธุศาสตร์” เพราะในช่วง 50 ปีที่ผ่านมานี้ การค้นคว้าและความก้าวหน้าทางด้านเทคโนโลยีชีวภาพได้เติบโตอย่างก้าวกระโดด นั่นก็เพราะความต้องการแก้ปัญหาด้านสุขภาพ และต้องการไขปริศนาธรรมชาติในกระบวนการสร้างสิ่งมีชีวิตต่างๆ ทำให้มวลมนุษย์เดินหน้าหาวิธีการต่างๆ เพื่อให้ร่างกายสามารถพิชิตโรคภัย และดำรงตนอยู่ในโลกยุคใหม่อย่างสบายใจไร้ทุกข์ ด้วยความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่พัฒนาขึ้นมาถึงระดับเทคโนโลยี

สัปดาห์นี้ผู้จัดการวิทยาศาสตร์จึงนำสุดยอดการค้บพบทางวิทยาศาสตร์ที่นำเสนอ โดยรายการ"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



ผลงาน

เมนเดลได้ใช้เวลาทั้งชีวิตค้นคว้าในเรื่องนี้จนกระทั่งสิ้นใจ โดยหารู้ไม่ว่าสิ่งที่เขาค้นพบทำให้เขากลายเป็น “บิดาแห่งพันธุกรรม” ในเวลาต่อมา



เอกสารอ้างอิง http://www.mgronline.com/Science/ViewNews.aspx?NewsID=9470000089123

61839



ที่มา http://www.vcharkarn.com/vcafe/127685

วันจันทร์ที่ 18 กรกฎาคม พ.ศ. 2554

นักวิทยาศาสตร์พบวิธีแฮ็กรหัสแห่งชีวิต

ข้อมูลพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตบนโลกนี้ถูกเก็บอยู่ในรูปของรหัสเบส 3 ตัวอักษรบนสาย DNA หรือ RNA ที่เรียกกันว่า "codon" โดยแต่ละ codon ก็จะแทนความหมายถึงกรดอะมิโนตามธรรมชาติทั้ง 20 ตัว ลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตก็ถูกบงการโดยโปรตีนที่ถอดรหัสมาจากรหัสเหล่านี้

ในทุกวันนี้ สิ่งที่พันธุวิศวกรรมทำก็เพียงแค่ตัดต่อหรือเพิ่มลดยีนเท่านั้น การแปลรหัสยังคงอยู่บนพื้นฐานตามธรรมชาติ แต่ทีมวิจัยที่นำโดย Farren Isaacs แห่ง Yale University ได้คิดค้นเทคนิคใหม่ในการ "แฮ็ก" รหัสแห่งชีวิตที่เปิดช่องทางให้การแปลรหัสรูปแบบใหม่และอาจจะนำไปสู่การผลิต โปรตีนจากกรดอะมิโนสังเคราะห์ที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ

กรดอะมิโนหนึ่งตัวอาจแทนได้ด้วยรหัส codon หลายรหัส ซึ่งเราเรียกลักษณะแบบนี้ว่า "codon redundancy" (กรุณาอ่านบทความไขปริศนากำเนิดรหัสแห่งชีวิตเพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น) สิ่งที่ทีมของ Farren Isaacs ทำก็คือ การเอารหัสที่แทนความหมายเดียวกันออกไปซักหนึ่งตัว

ฟังแล้วอาจจะคิดว่าเป็นเรื่องง่ายๆ แต่ผมยืนยันว่าการเอารหัส codon ตัวหนึ่งออกจากทั้งจีโนมนั้นไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย!

ดังนั้นเพื่อให้ชีวิตง่ายขึ้นหน่อย ทีมของ Farren Isaacs จึงเลือกที่จะเอารหัส TAG ซึ่งเป็น "รหัสหยุด" (stop codon) ออก เพราะรหัสหยุดไม่ได้มีความหมายแทนกรดอะมิโนตัวใด แต่ใช้เป็นสัญญาณให้รู้ว่าการสร้างโปรตีนสิ้นสุดตรงจุดนั้นจุดนี้ รหัสหยุดยังมีอีกสองตัวที่ทำหน้าที่เดียวกัน คือ TAA และ TGA ดังนั้นงานของนักวิจัยก็คือหาทางเอา TAA เข้าไปแทน TAG ให้หมด (ผมไม่แน่ใจว่าทำไมพวกเขาเลือกเอา TAA เข้าแทนนะครับ แต่เดาว่ามันคงสังเคราะห์ง่ายกว่า)

ขั้นตอนแรก พวกเขาใช้กระแสไฟฟ้าเปิดช่องบนเยื่อหุ้มเซลล์ของแบคทีเรีย E. coli แล้วยัด DNA ที่มีรหัส TAA กับเอนไซม์ของไวรัสเข้าไป เพื่อให้ TAA เข้าแทนที่ TAG หลายจุดพร้อมกัน เทคนิคนี้เรียกว่า multiplex automated genome engineering (MAGE) ซึ่งเพิ่งถูกคิดค้นในปี 2009 นี้เอง

จากนั้นก็นำแบคทีเรียที่รอดชีวิตมาคัดเลือกเอาแต่สายพันธุ์ที่มี TAA เข้าไปแทน TAG อย่างต่ำ 10 จุด (เป็นไปไม่ได้อยู่แล้วที่ TAA จะเข้าไปแทน TAG ทั้ง 314 จุดบนจีโนมของ E. coli ในคราวเดียว) ทีมของพวกเขาคัดแบคทีเรียในขั้นแรกนี้มาได้ 32 สายพันธุ์ แต่ละสายพันธุ์ก็มีจุดที่ถูกแทนที่แตกต่างกันไป

ขั้นตอนที่สอง นักวิจัยเอาแบคทีเรียที่เลือกไว้แล้วมาจับคู่ผสมพันธุ์กันในแบบที่เรียกว่า conjugation เพื่อให้แบคทีเรียสองสายพันธุ์แลกเปลี่ยนสารพันธุกรรมระหว่างกัน เมื่อปล่อยให้พวกแบคทีเรียผสมกันไปเรื่อยๆ ในที่สุดก็จะได้แบคทีเรียสายพันธุ์ที่ตำแหน่ง TAG เกือบทุกตำแหน่งถูกแทนที่ด้วย TAA เทคนิคใหม่ล่าสุดนี้ Farren Isaacs ตั้งชื่อว่า conjugative assembly genome engineering (CAGE)

เพียงเท่านี้ เราก็จะได้แบคทีเรีย E. coli ที่ไม่มีรหัส TAG บนจีโนม ส่งผลให้หน้าที่ของ TAG บนแบคทีเรียสายพันธุ์นี้ว่างไปโดยปริยาย ฉะนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็สามารถมอบหมายงานใหม่ให้กับรหัส TAG ได้ เช่น อาจจะ "แก้โปรแกรม" ของแบคทีเรียให้ TAG มีความหมายแทนกรดอะมิโนสังเคราะห์สักตัว (ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถทำเรื่องดังกล่าวได้แล้ว ทุกวันนี้ก็คือรอหาช่องให้มีรหัสว่างๆ มารับงานไปนี่แหละ)

เทคนิคของทีม Farren Isaacs ใช้เวลาเพียง 5 สัปดาห์ในการทำให้ TAG ตกงาน ซึ่งจะว่าไปก็ต้องนับว่าเร็วกว่าการสร้างจีโนมทั้งอันขึ้นมาใหม่อยู่มาก แถมยังเปลืองเงินน้อยกว่าด้วย

แผนการในอนาคตของ Farren Isaacs คือการปลดตำแหน่งรหัสของกรดอะมิโนอื่นๆ ที่มีรหัสอีกตัว (หรือมากกว่า) ทำหน้าที่แทนกันได้ ตอนนี้เป้าหมายในใจของทีม Farren Isaacs มีรหัสที่สมควรออกมาหางานใหม่ได้แล้วอีกประมาณ 12 รหัส

ที่มา - New Scientist, Ars Technica, Nature News, PhysOrg, MIT News, Popular Science

*หมายเหตุ: หลายคนอาจจะงงว่าทำไมบทความ genetic code ใน Wikipedia ถึงบอกว่า "รหัสหยุด" คือ UAA, UGA, UAG แต่ในข่าวนี้ผมกลับเขียนเป็น TAA, TGA, TAG

เหตุผลคือว่า รหัสที่เห็นใน Wikipedia เป็นลำดับเบสที่อยู่บน tRNA ส่วนรหัสในข่าวนี้เป็นเบสบน DNA ลิงก์และเนื่องจากสาย RNA มีแต่เบส uracil (U) ไม่มีเบส thymine (T) ดังนั้นจะเป็น U หรือ T ก็มีความหมายถึง codon เดียวกัน ต่างแค่ว่าอยู่บน tRNA หรือ DNA

ที่มา http://jusci.net


ไขปริศนา "กำเนิดรหัสแห่งชีวิต"

รหัสพันธุกรรมที่อยู่บนสาย DNA เขียนขึ้นด้วยเบส 4 ชนิด คือ adenine (A), guanine (G), thymine (T), และ cytosine (C) เรียงกันเป็นคำๆ (mRNA ตรง thymine จะแทนที่ด้วย uracil หรือ U) แต่ละคำจะเรียกว่า codon ประกอบด้วยความยาว 3 เบส แต่ละ codon แทนค่าเป็นหนึ่งในกรดอะมิโน 20 ตัวรวมทั้งรหัสหยุด (stop codon)* อีก 3 ตัว

ถ้ามาคำนวณกันเล่นๆ รูปแบบที่เป็นไปได้ทั้งหมดของการเรียงเบส 4 ขนิดติดกัน 3 ตัว คือ 64 รูปแบบ จะเห็นว่าเลข 64 มากกว่า 20 ตั้งสามเท่ากว่าๆ แหนะ ฉะนั้นคงพอเดากันได้แล้วสินะว่า กรดอะมิโนส่วนใหญ่จะถูกแทนค่าได้มากกว่า 1 codon ขึ้นไป** เช่น GCU, GCC, GCA, GCG แทน Alanine หรือ ACU, ACC, ACA, ACG แทน Threonine เป็นต้น

ในเมื่อเลขมันไม่ลงตัวพอดีกันเป๊ะๆ เช่นนี้ มีใครสงสัยกันบ้างหรือเปล่าว่า แล้วทำไมธรรมชาติจึงเลือกเลขชุดนี้ขึ้นมาสร้างเป็น "genetic code"? ทำไมต้องมีเบส 4 ชนิด? ทำไมต้องเรียงกัน 3 ตัว? ทำไมใช้แทนค่ากรดอะมิโน 20 ชนิด? ทำไมต้อง 3-4-20? (กลับบนล่าง, แทงเต็ง-แทงโต๊ดกันเองนะ แทงผิด ผมไม่เกี่ยว แต่ถ้าถูก แบ่งผมด้วย ^.^) มันจะน่าทึ่งเข้าไปอีกถ้าคุณได้ทราบว่าสิ่งมีชีวิตทั่วโลกใช้รูปแบบ 3-4-20 นี้ให้การเข้ารหัสและถอดรหัสเหมือนกันหมด (การแทนค่าของรหัสก็เหมือนกันแทบทั้งหมด ยกเว้นสิ่งมีชีวิตไม่กี่ชนิดที่แปลรหัสบางตัวต่างออกไป รายละเอียดอ่านเพิ่มเติมได้จากบทความ genetic code ใน Wikipedia)

ไม่ว่าคุณจะสงสัยหรือไม่ วิทยาศาสตร์ก็มีคำอธิบายแบบต่างๆ ไว้ให้คุณ แต่คำอธิบายเหล่านี้ก็ยังไม่ใช่สิ่งสัมบูรณ์ที่ทุกคนยอมรับ มันขึ้นอยู่กับว่าใครพอใจคำอธิบายแบบไหน มันก็เหมือนกับการขูดเลขขอหวยนั่นแหละ ใครพอใจเลขไหนก็แทงเลขนั้น (ย้ำอีกที ถ้าถูกงวดนี้ แบ่งผมด้วย)

คำอธิบายอย่างแรก คือ “ก็มันเป็นของมันแบบนี้”

ย้อนไปตั้งแต่สมัยที่เราเพิ่งรู้โครงสร้าง DNA ใหม่ๆ Franncis Crick หนึ่งในสองผู้ร่วมค้นพบโครงสร้าง DNA (อีกคนคือ James D. Watson) เคยให้ความเห็นไว้ว่าเลขชุดนี้ คือ "ความบังเอิญแช่แข็ง" (frozen accident) มันเหมือนกับประเพณีที่เผอิญว่าเซลล์เริ่มแรกเลือกทำแบบนี้แหละ และรุ่นต่อไปๆ ก็คงประเพณีไว้อย่างนั้นเหมือนถูกแช่แข็งในกาลเวลา จบข่าว...

คำอธิบายแรกจบแค่นี้จริงๆ กำปั้นทุบดินกันแบบนี้เลยแหละ

แต่นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ไม่เชื่อว่ามันจะเป็นเรื่องบังเอิญแบบที่ Francis Crick คิด เพราะถ้าสังเกตจากรหัส codon ที่แทนกรดอะมิโนตัวเดียวกัน จะเห็นว่าส่วนใหญ่ต่างกันแค่เบสตัวที่ 3 ซึ่งหมายความว่าหากเกิดการกลายพันธุ์***ที่เบสตัวที่ 3 พอแปลรหัสออกมาก็ยังได้กรดอะมิโนตัวเดิม หรือต่อให้มีการกลายพันธุ์จนแปลผิดไปเลย ส่วนใหญ่โปรตีนที่ได้ก็ยังจะมีคุณสมบัติคล้ายกับโปรตีนก่อนเกิดการกลาย พันธุ์ เซลล์เริ่มแรกบังเอิญเลือกโดนเอารูปแบบที่โชคช่วยสวรรค์บันดาลขนาดนี้มาได้ อย่างไร? จากการคำนวณของทีมวิจัยที่นำโดย Peter Clote รูปแบบ genetic code ทั้งหมดที่เป็นไปได้ของการจับคู่ codon 64 แบบ กับกรดอะมิโน 20 ตัว คือ 1,084 รูปแบบ

มันจะบังเอิญว่าบรรพบุรุษของเราเลือกมา 1 จาก 1,084 รูปแบบ แล้วโป๊ะเชะ ใช้ได้เลย ง่ายๆ กันแบบนี้เลยหรือ? (อย่าลืมว่า genetic code เหมือนกันหมดแทบทั้งโลก ฉะนั้นถ้าเป็นการเลือกสุ่มยกชุด มันจะต้องเป็นการเลือกเพียงครั้งเดียวโดยเซลล์ต้นแบบอันเดียว)

ดังนั้นคนที่ไม่พอใจกับคำอธิบายแบบแรกก็คิดหาคำตอบอื่นๆ ต่อไป

คำอธิบายที่สอง “นี่คือสิ่งที่ดีที่สุด”

Tsvi Tlusty นักฟิสิกส์จาก Weizmann Institute of Science ในประเทศอิสราเอล คิดว่ารูปแบบ genetic code ที่เราเห็นกันทุกวันนี้จะต้องเป็นผลจากกระบวนการคัดเลือกตามธรรมชาติ (natural selection) เขาเสนอว่าสิ่งที่เป็นแรงกดดันของวิวัฒนาการ "ภาษาพันธุกรรม" มี 3 อย่างคือ
1. ถ้าหากมีการสะกดคำผิด เช่น "เย็น" เป็น "เย็บ" หรือ "เย็..." (เซ็นเซอร์) ความเสี่ยงที่จะได้ความหมาย (โปรตีน) ที่เป็นอันตรายต่อเซลล์ต้องต่ำ
2. คำในภาษา "พันธุกรรม" จะต้องมีความหมายหลากหลายครอบคลุมการทำงานต่างๆ ของเซลล์
3. ภาษานี้จะต้องไม่ใช้ทรัพยากรในการสะกดคำและแปลความหมายมากเกินจำเป็น กิจกรรมทุกอย่างในเซลล์มีต้นทุน ไม่มีอะไรในโลกได้มาฟรีๆ

เมื่อลองเอาไปเทียบกับปัญหาคลาสสิคของทางภูมิศาสตร์ที่ถามว่า "ต้องใช้สีอย่างน้อยที่สุดกี่สีจึงจะเขียนแผนที่โลกได้โดยไม่มีประเทศใดที่ อยู่ติดกันใช้สีซ้ำกันเลย?" ถ้าเป็นในแผนที่สองมิติ คำตอบคือ "4 สี" แต่ถ้าเป็นแผนที่มากกว่าสองมิติขึ้นไป คำตอบจะเพิ่มเป็น "20-25 สี" ซึ่งนั่นก็ตรงกับจำนวนกรดอะมิโน 20 ตัวที่ใน genetic code พอดี (กรดอะมิโนเป็นคำสามัญหมายถึงสารประกอบอินทรีย์ที่มีหมู่คาร์บอกซีลิกและ หมู่อะมิโนอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน แต่กรดอะมิโนที่เป็นองค์ประกอบของโปรตีนมีเพียง 22 ชนิดเท่านั้น ในจำนวนนี้มี 20 ชนิดที่มีรหัสแปลใน genetic code อ่านเพิ่มเติมจากบทความ Proteinogenic amino acid ใน Wikipedia)

เมื่อ Tsvi Tlusty ลองสร้างแบบจำลองโดยใช้สมมติฐาน 3 ข้อที่เสนอไปข้างต้น ก็พบว่า ชุดเลข "เบส 4 ชนิด เรียงกัน 3 ตัว แทนกรดอะมิโน 20 ชนิด" หรืออะไรที่ใกล้เคียงกันประมาณนี้ เป็นรูปแบบที่เข้ากับแรงกดดันทั้งสามได้ดีที่สุด ไม่มากเกินไป ไม่น้อยเกินไป

อย่างไรก็ตาม Eugene Koonin นักชีววิทยาโมเลกุลแห่ง National Center for Biotechnology Information in Bethesda ไม่ค่อยเห็นด้วยกับข้อสรุปแบบนี้เท่าไร เขายอมรับว่า genetic code ที่ใช้กันอยู่นี้น่าจะเป็นรูปแบบที่ดีที่สุดแล้วเท่าที่สิ่งมีชีวิตจะสร้าง ได้ แต่มันจะเป็นผลจากการแข่งขันระหว่าง “สิ่งที่เหมาะสมมากกว่า” และ “สิ่งที่เหมาะสมน้อยกว่า” แบบในการคัดเลือกตามธรรมชาติจริงหรือ? เขาคิดว่าถ้าการคัดเลือกตามธรรมชาติเป็นไปตามรูปแบบนี้จริง ทำไมเราถึงไม่เห็นความแปรผันของรูปแบบนี้หลงเหลืออยู่เลย ทำไมไม่มีสิ่งมีชีวิตที่ใช้เบส 5 ชนิด เรียงกัน 2 ตัว แทนกรดอะมิโนสัก 18 ชนิด หรืออะไรสักอย่างที่ใกล้เคียงตัวเลข 3-4-20

และนั่นก็นำไปสู่คำอธิบายที่สาม

คำอธิบายที่สาม “นับหนึ่งถึงยี่สิบ”

ทีมวิจัยของ Eugene Koonin เชื่อว่าสิ่งมีชีวิตไม่น่าจะรับกรดอะมิโนเข้ามาอยู่ใน genetic code รอบเดียว 20 ตัวเลย เป็นไปได้ว่าตอนแรกอาจจะมีแค่ 16 ตัวหรือน้อยกว่า และแทนที่ด้วย codon ของเบส 4 ชนิดเรียงกันแค่ 2 ตัว (4 ยกกำลัง 2 เท่ากับ 16 พอดี) ต่อมาหน้าที่ของเซลล์ซับซ้อนขึ้น ฐานกรดอะมิโนสูงสุดแค่ 16 ตัวรองรับความหลากหลายของหน้าที่ไม่ไหว ก็เลยเพิ่มกรดอะมิโนเข้าไปใน genetic code อีก เลยต้องเพิ่มความยาว codon เป็น 3 ตัว พอเพิ่มเข้าไปแล้วมีตัวเลือกเหลือเฟือ ตัวไหนคล้ายๆ กันก็ใช้ซ้ำกันไปบ้าง ดีซะอีกจะได้เผื่อผิดเผื่อพลาดด้วย

ปัญหาต่อมาคือ "กรดอะมิโนตัวแรกที่เข้ามาอยู่ใน genetic code ได้แก่ตัวไหนบ้าง" นักวิทยาศาสตร์คิดว่ากรดอะมิโนที่เข้ามาเป็นตัวแรกๆ ต้อง 1) เกิดขึ้นมาก่อนกรดอะมิโนตัวอื่นๆ และ 2) เกาะกับ RNA ได้ดี เหตุที่ต้องเกาะกับ RNA ได้ดีเพราะว่ามันมีทฤษฎีหนึ่งบอกไว้ว่า RNA นี่แหละคือต้นกำเนิดของการควบคุมและการถ่ายทอดข้อมูลรหัสพันธุกรรม (เอาเข้าไป! นี่แหละงานของนักวิทยาศาสตร์ ตั้งทฤษฎีขึ้นมาซ้อนอีกทฤษฎี เหมือนกับ “ปั้นน้ำบนประสาททรายที่สร้างอยู่ในอากาศ” ยังไงยังงั้น)

ทีมวิจัยที่นำโดย Michael Yarus แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด ได้ทดลองเอากรดอะมิโน 8 ชนิดเคลือบไว้บนผนังหลอดทดลอง แล้วล้างด้วยสารละลายที่มี RNA สายสั้นๆ เจือปนอยู่ ผลปรากฏว่ากรดอะมิโนแต่ละชนิดมีรูปร่างที่พอดีกับ "ช่องรับ" ที่แตกต่างกันไปบนสาย RNA แม้ว่าการจับคู่จะไม่ได้เหนียวแน่นอะไรนัก แต่ที่น่าสนใจคือ "ช่องรับ" ของ RNA ที่มีลำดับเบสตรงกับรหัส codon กรดอะมิโนชนิดใดใน genetic code ก็จะจับกับกรดอะมิโนชนิดนั้นได้ดีกว่า นี่เป็นหลักฐานที่สนับสนุนได้ว่าแรงทางเคมีมีผลในการคัดเลือกกรดอะมิโนเข้า สู่ genetic code เป็นไปได้ว่าอย่างต่ำสามในสี่ของกรดอะมิโน 20 ตัวจับพลัดจับผลูเข้าไปอยู่ใน genetic code ก็เพราะมันยึดกับ RNA ได้ดีนี่แหละ

จากการทดลองอันโด่งดังของ Stanley Miller ในปี 1953 ที่เขาผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในโถแก้วที่มีก๊าซไฮโดรเจน, ก๊าซมีเธน, แอมโมเนีย, และไอน้ำ แล้วเกิดกรดอะมิโนขึ้นจำนวนหนึ่ง กรดอะมิโนที่เกิดขึ้นแทบทุกครั้ง ได้แก่ glycine, alanine, aspartic acid, glutamic acid และ valine ซึ่งกรดอะมิโนทั้งห้านี้ก็พบในอุกกาบาตที่ตกกระทบทวีปออสเตรเลียในปี 1969 ด้วย ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ากรดอะมิโนตัวแรกที่เข้าไปอยู่ใน genetic code ต้องอยู่ในห้าตัวนี้แหละ เพราะดูแล้วมันน่าจะมีโอกาสเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติได้มากที่สุด (ข้อสังเกตคือกรดอะมิโนทั้งห้ามีรหัสใน genetic code ขึ้นต้นด้วย G หมดเลย)

นี่คือคำตอบสุดท้ายแล้วหรือ? เปล่าเลย กฏอย่างไม่เป็นทางการของวิทยาศาสตร์บอกไว้ว่า "คำตอบของคำถามจะนำไปสู่คำถามต่อไปเสมอ"

คำถามต่อไปในที่นี้คือ “แล้ว RNA มาจุ้นจ้านทำหน้าที่เลือกกรดอะมิโนได้อย่างไร?” ในกระบวนการของสิ่งมีชีวิต องค์ประกอบที่ทำหน้าที่แทบทุกอย่างในเซลล์คือโปรตีน แม้แต่การสร้าง DNA และ RNA ก็ต้องอาศัยโปรตีน นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าตอนแรกสิ่งมีชีวิตใช้โปรตีนทั้งการทำกิจกรรมต่างๆ ในเซลล์และการเก็บข้อมูลพันธุกรรม ต่อมาจึงใช้ RNA เก็บข้อมูลแทนที่โปรตีนและสุดท้ายจึงไปลงที่ DNA เพราะเสถียรกว่า ดังนั้นถ้า RNA เป็นตัวคัดเลือกว่าจะเอากรดอะมิโนอะไรไปสร้างโปรตีนแล้ว โปรตีนที่สิ่งมีชีวิตใช้สร้าง RNA ในตอนแรกมาจากไหน คำถามนี้ยิ่งกว่า “ไก่กับไข่อะไรเกิดก่อนกัน” เสียอีก

เพื่อจะหาว่าไก่ตัวไหนเป็นตัวแรกที่ออกลูกเป็นไข่ หรือไข่ใบไหนที่ฟักเป็นไก่ตัวแรก นักวิทยาศาสตร์ต้องมองหาโปรตีนและ RNA ที่เก่าแก่ที่สุด หรือจะเรียกว่าเป็น “คู่ของโปรตีนและ RNA ที่เป็นบรรพบุรุษของโปรตีนและสารพันธุกรรมทั้งมวลในสิ่งมีชีวิต” ก็ได้ ฟังดูเหมือนเป็นเรื่องยาก แต่ในความเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์ไม่ต้องไปหาที่ไหนไกลเลย Loren Williams นักชีวเคมีจาก Georgia Institute of Technology ได้มองเข้าไปยัง “ไรโบโซม” (ribosome) ซึ่งออร์แกเนลล์ที่เซลล์ทุกเซลล์มี เพราะมันคือเครื่องจักรในการสร้างโปรตีนนั่นเอง

ในไรโบโซม โปรตีนจะจับกับ rRNA (RNA ในไรโบโซมเรียกว่า rRNA) เพื่อทำหน้าที่ในการสังเคราะห์โปรตีนจากกรดอะมิโนตามแบบแผนที่ร่างไว้ใน mRNA (ข้อมูลจาก mRNA ก็คัดลอกเอามาจาก DNA อีกต่อหนึ่ง) ถ้าทฤษฎีที่บอกว่า RNA เป็นตัวเลือกกรดอะมิโนเข้าสู่ genetic code เป็นจริง มันก็เป็นไปได้ว่าโปรตีนและ rRNA ที่อยู่ในไรโบโซมนี่แหละ คือ ทายาทที่สืบเชื้อสายตรงมาจากบรรพบุรุษคู่แรก หรือดีไม่ดี มันอาจเป็นร่างก็อปปี้ของ “คู่บรรพบุรุษ” ที่จำลองตัวเองผ่านกาลเวลามานับพันล้านปีเองเลยก็ได้

สิ่งที่ Loren Williams อ้างว่าเป็น RNA ที่เก่าแก่ที่สุดก็คือ rRNA ส่วนหนึ่งในไรโบโซมที่มีพันธะจับกับสาย rRNA ข้างเคียงหนาแน่นกว่า rRNA อื่นๆ อย่างเห็นได้ชัด อันนี้เทียบกับจากตรรกะที่ว่า “ถ้าคุณเข้าสังคมก่อน คุณก็ควรจะมีเพื่อนมากกว่าคนที่เข้าสังคมทีหลัง” (นึกถึงคนที่เล่น Facebook มาก่อนก็ควรจะมีเพื่อนมากกว่าคนที่เพิ่งเล่น กรณีนี้คงต้องยกเว้น Facebook ของคนดังหรือสาวน่ารักๆ – ซึ่งถ้าใครมีอย่างหลังส่งต่อมาให้ผมด้วย อย่ากั๊ก) และจากการศึกษาของทีมวิจัยที่นำโดย Loren Williams พบว่า โปรตีนที่จับ rRNA ส่วนดังกล่าวมีส่วน “หาง” เฉพาะที่ประกอบด้วย glycine กับ alanine

ดังนั้นจะสรุปได้เลยหรือไม่ว่า glycine และ alanine คือกรดอะมิโนตัวแรกที่ส่ิงมีชีวิตรับเข้ามาอยู่ใน genetic code?

คำตอบคือ ยังไม่ได้

ตอนนี้สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์กำลังรอ คือ หลักฐานอีกทางที่จะมายืนยันการค้นพบนี้ อย่าลืมว่านี่เป็นการสืบสวนจากมุมมองของ “RNA ที่เก่าแก่ที่สุด” เท่านั้น ยังไม่ได้พูดถึง “โปรตีนที่เก่าแก่ที่สุด” เลย

Eric Gaucher นักชีววิทยาจาก Georgia Institute of Technology อีกเช่นกัน มีความคิดที่จะพิสูจน์จากทางโปรตีน เขาได้พยายามที่จะสร้างโปรตีนที่เก่าแก่ที่สุดขึ้นมาอีกครั้งโดยอาศัยข้อมูล จากโปรตีนที่พบในสิ่งมีชีวิตต่างๆ และกรดอะมิโนที่ค้นพบในอุกกาบาต เท่าที่ทราบล่าสุด ความพยายามของทีมวิจัยที่นำโดย Eric Gaucher ยังไม่ถึงขั้นที่จะประกาศความสำเร็จได้

Stephen Freeland แห่งมหาวิทยาลัยฮาวาย แสดงความเห็นว่าหากโปรตีนที่ Eric Gaucher สร้างได้เป็นโปรตีนที่เขียนได้ด้วยรหัส codon ที่ขึ้นต้นด้วย G และสามารถจับกับ RNA ได้ดี ก็อาจจะเป็นไปได้ว่ามันคือ “โปรตีนที่เก่าแก่ที่สุด” จริง หรืออย่างน้อยก็ใกล้เคียง และมันจะเป็นหลักฐานชิ้นเยี่ยมที่สนับสนุนว่าสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คิดมา ก่อนหน้านี้ถูกต้อง แต่ถ้าหากไม่เป็นตามนี้ ทุกอย่างต้องนับหนึ่งใหม่อีกรอบ...

...หรือไม่ก็แทงไปเลยว่า “มันเป็นของมันแบบนี้” แบบที่ Francis Crick บอก

จบข่าว (คราวนี้จบจริงๆ)

แปลและเรียบเรียงจากบทความ Alphabet of Life ในเว็บ ​Science News


*รหัสหยุด (stop codon) เป็นรหัสบนสาย mRNA ที่กำหนดว่าเมื่อกระบวนการ Translation (การแปลรหัสจาก mRNA เป็นโปรตีน) อ่านมาถึงจุดนี้ ก็ให้หยุดกระบวนการทันที

**ลักษณะที่กรดอะมิโนตัวหนึ่งแทนค่าด้วย codon ได้หลายรหัส เรียกว่า "degeneracy of genetic code"

***หลายคนอาจจะคิดว่า "การกลายพันธุ์" (mutation) ต้องมีการเปลี่ยนแปลงในระดับที่แสดงออกทางสรีรวิทยา ทางสัณฐานวิทยา หรือทางชีวเคมีอย่างใดอย่างหนึ่ง แต่ในทางชีววิทยาแล้วคำว่า "mutation" มีความหมายกว้างมาก โดยรวมๆ จะหมายถึงการเปลี่ยนแปลงลำดับเบสบน DNA (ถ้าเป็นไวรัสบางชนิดก็ RNA) แค่เบสเปลี่ยนไปหนึ่งตัวก็นับเป็น mutation แล้ว เรียกว่า "point mutation"

ที่มา http://jusci.net/node/1547