วิทย์

•  วิชาชีววิทยา

   เรื่อง การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีของ DNA

การประยุกต์ใช้ในเชิงการแพทย์และเภสัชกรรม

            1. การวินิจฉัยโรค     

            ปัจจุบันมีการนำเอาเทคโนโลยีของ DNA มาใช้ในการวินิจฉัยโรคที่เกิดจากการติดเชื้อต่างๆ เช่น เชื้อไวรัส โดยการใช้เทคนิค PCR เพื่อตรวจสอบว่ามีจีโมนของไวรัสอยู่ในสิ่งมีชีวิตนั้นหรือไม่ ซึ่งเป็นเทคนิคที่มีความไวสูง สามารถตรวจพบได้โดยมีตัวอย่างเพียงเล็กน้อย เทคนิคนี้ได้นำมาใช้ในการตรวจวิเคราะห์การติดเชื้อ HIV เป็นต้น        

             จากความรู้ทางพันธุศาสตร์ การค้นพบเครื่องหมายทางพันธุกรรมเชื่อมโยงกับแอลลีลที่ก่อโรค และลำดับนิวคลีโอไทด์ จึงสามารถนำไปใช้ในการตรวจวินิจฉัยโรคทาง พันธุกรรมก่อนจะมีอาการของโรคหรือเป็นเพียงพาหะ ซึ่งทำให้สามารถป้องกันการถ่ายทอดลักษณะดังกล่าวได้อย่างถูกต้อง

            2. การบำบัดด้วยยีน

              จากความรู้เกี่ยวกับความผิดปกติต่างๆในคนที่เกิดความบกพร่องของยีน หากสามารถใส่ยีนที่ปกติเข้าไปในเซลล์ร่างกาย หรือเนื้อเยื่อที่แสดงอาการผิดปกติแล้วทำให้ยีนนั้นแสดงออกเมื่อมีสารโปรตีนที่ปกติในบริเวณดังกล่าวจึงอาจเป็นแนวทางหนึ่งที่จะช่วยทำให้บำบัดอาการบกพร่องที่เกิดขึ้นได้

              ในปัจจุบันเทคนิคหนึ่งที่ใช้ในการถ่ายยีนปกติ  เพื่อใช้ในการทำยีนบำบัด คือการใช้ไวรัสชนิดหนึ่งเป็นตัวนำยีนที่ต้องการถ่ายเข้าสู่เซลล์คน ซึ่งยีนของไวรัสที่เป็นอันตรายต่อคนจะถูกตัดทิ้ง แล้วใส่ยีนของคนที่ต้องการเข้าไปแทนที่ ไวรัสที่สร้างขึ้นใหม่นี้จะมียีนที่ต้องการแทรกอยู่ และจะมีความสามารถในการแทรกจีโนมของตัวมันเข้าสู่โครโมโซม คนได้ แต่ไม่สามารถจำลองตัวเองเองเพิ่มจำนวนได้ เนื่องจากยีนที่ทำหน้าที่ดังกล่าวที่มีอยู่เดิมในไวรัสได้ถูกตัดทิ้งไปแล้ว

การรักษาด้วยยีนบำบัด (gene therapy)

                ในสหรัฐอเมริกา การรักษาด้วยยีนบำบัด (gene therapy) แต่ละกรณีจะต้องมีการตรวจสอบอย่างเคร่งครัดในทุกขั้นตอน เพื่อคำนึงถึงความปลอดภัยของผู้รับการรักษา  ตัวอย่างของโรคที่มีการรักษาด้วยการบำบัดยีนแล้ว เช่น Severe Combined Immunodefiency Disorder (SCID) ซึ่งโรคนี้เป็นโรคทางพันธุกรรม ผู้ที่เป็นโรคนี้ไม่สามารถสร้างภูมิคุ้มกันได้มักเสียชีวิตจากการติดเชื้อเพียงเล็กน้อย 

                    

โรคที่มีการรักษาด้วยการบำบัดยีน โรค Severe Combined Immunodefiency Disorder (SCID)

                อย่างไรก็ดีการบำบัดด้วยยีนยังไม่ที่แพร่หลายและต้องใช้ด้วยความระมัดระวังอย่างยิ่ง เนื่องจากยังมีปัญหาทางด้านเทคนิคในการใช้  ตัวอย่างเช่น การควบคุมกิจกรรมของยีนที่ใส่ให้กับเซลล์ให้มีการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องการอย่างเหมาะสมได้อย่างไร การแทรกตัวของยีนเข้าสู่จีโนมของคนทำอย่างไรเมื่อแทรกแล้วจึงจะไม่ไปทำให้เกิดมิวเทชันในยีนอื่นที่ปกติอยู่แต่เดิม และไวรัสที่ใช้เป็นพาหะในการนำยีนเข้าสู่จีโนมคนนั้นสามารถบรรจุยีนได้อย่างจำกัด ไม่สามารถใส่ยีนที่มีขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงต้องมีการศึกษาวิธีการหรือเทคนิคใดมีความเหมาะสมต่อการใช้ยีนบำบัดให้มากขึ้น

                นอกจากนี้ในการทำยีนบำบัด ยังมีข้อโต้แย้งเชิงจริยธรรมเกิดขึ้นในสังคม ว่าหากเราทราบความผิดปกติของยีนต่างๆแล้ว เราควรบำบัดข้อบกพร่องในเซลล์ตั้งต้นที่จะสร้างเซลล์ไข่และตัวอสุจิหรือไม่หากอนุญาตให้มีการบำบัดในลักษณะดังกล่าว จะมีผลต่อวิวัฒนาการของมนุษย์หรือไม่ในอนาคต

3. การสร้างผลิตภัณฑ์ทางเภสัชกรรม

                การประยุกต์เทคโนโลยีเกี่ยวกับ DNA มาใช้ในเชิงเภสัชกรรมเป็นการประยุกต์ใช้ที่มีมาเป็นเวลาหลายสิบปี  โดยมีการสร้างผลิตภัณฑ์ทางเภสัชกรรมเป็นจำนวนมาก ซึ่งส่วนใหญ่เป็นการผลิตโปรตีน

                การผลิตฮอร์โมนอินซูลิน เป็นตัวอย่างแรกที่ที่นำเทคนิคทาง DNA มาใช้ในการผลิตสารที่ใช้เชิงเภสัชกรรมเพื่อรักษาโรคเบาหวาน ผู้ป่วยโรคเบาหวานจำเป็นต้องได้รับอินซูลิน เพื่อควบคุมระดับน้ำตาลจากการตัดและต่อ DNA ให้มียีนที่สร้างอินซูลิน แล้วใส่เข้าไปในเซลล์แบคทีเรีย เพื่อให้เกิดการแสดงออกและสร้างพอลิเพปไทด์ที่ต้องการ จากนั้นจึงนำเซลล์ไปเพื่อเพิ่มจำนวนยีนที่สร้างสายพอลิเพปไทด์ดังกล่าวและผลิตอินซูลินที่ทำงานได้
ดังภาพ

          

ภาพการผลิตฮอร์โมนอินซูลิน

                การใช้พันธุวิศวกรรมเพื่อผลิตโปรตีน หรือฮอร์โมนที่บกพร่องในมนุษย์ นอกจากอินซูลินแล้วยังใช้พันธุวิศวกรรมในการผลิตโกรทฮอร์โมน เพื่อที่รักษาเด็กที่เจริญเติบโตเป็นคนแคระ เนื่องจากได้รับโกรทฮอร์โมนไม่เพียงพอ เป็นต้น   

                นอกจากการผลิตฮอร์โมนเพื่อใช้ทดแทนในคนที่มีความบกพร่องของฮอร์โมน ดังกล่าวข้างต้นแล้ว ยังมีการประยุกต์ใช้ในการผลิตยาเพื่อรักษาโรคบางชนิดอีกด้วย เช่น ใช้ในการผลิตยาที่จะยับยั้งไวรัส HIV โดยอาศัยเทคนิคทางพันธุวิศวกรรมในการสร้างโมเลกุลของโปรตีนที่จะป้องกันหรือเลียนแบบตัวรับที่ HIV ใช้ในการเข้าสู่เซลล์ ซึ่งตัวรับเหล่านี้จะอยู่บนเยื่อหุ้มเซลล์ของคน หากมีโมเลกุลที่เลียนแบบตัวรับเหล่านี้อยู่ในกระแสเลือด HIV จะเข้าเกาะกับโมเลกุลเหล่านี้แทนที่จะเกาะที่ตัวรับที่เซลล์เม็ดเลือดขาวแล้วเข้าทำลายเซลล์เม็ดเลือดขาว ตัวยาเหล่านี้จึงสามารถยับยั้งการทำงานของ HIV ได้

                การใช้พันธุวิศวกรรมยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการผลิตวัคซีน แต่เดิมนั้นใช้วัคซีนเพื่อกระตุ้นภูมิคุ้มกันโรคที่เกิดจากไวรัส โดยใช้ไวรัสที่ไม่สามารถก่อโรค เพราะได้รับสารเคมีหรือวิธีทางกายภาพบางอย่าง หรือเป็นไวรัสในสายพันธุ์ที่ไม่นำโรคมาฉีดให้กับคน เพื่อกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน แต่เมื่อการศึกษาในระดับโมเลกุลเกี่ยวกับไวรัสมีความชัดเจนขึ้น จนทราบว่าโปรตีนชนิดใดที่ผิวของไวรัสที่เป็นตัวกระตุ้นภูมิคุ้มกันในคนได้ ก็สามารถใช้วิธีทางพันธุวิศวกรรมตัดต่อเฉพาะยีนที่เป็นต้นแบบในการสร้างโปรตีนชนิดนั้น แล้วใช้โปรตีนดังกล่าวเป็นแอนติเจนในการกระตุ้นภูมิคุ้มกันแทนการใช้ไวรัสซึ่งทำให้มีความปลอดภัยยิ่งขึ้น

การประยุกต์ใช้ในเชิงนิติวิทยาศาสตร์

            DNA เป็นสารพันธุกรรม  ซึ่ง DNA ของคนๆเดียวกันไม่ว่าจะมาจากเซลล์ส่วนใดของร่างกายจะมีรูปแบบที่เหมือนกัน  ดังนั้น DNA จึงเป็นเหมือนสิ่งที่บอกให้รู้ว่าคนๆนั้นเป็นใครและแตกต่างจากคนอื่นอย่างไร

                  โดยทั่วไปแล้วการที่จะบอกได้ว่าคนๆนั้นเป็นใคร  จะพิจารณาจากรูปร่างหน้าตา  วัน  เดือน  ปีเกิด  ตามข้อมูลในบัตรประชาชน หรือ หนังสือเดินทาง และถ้าจะให้ชัดเจนยิ่งขึ้นอาจดูจากรอยแผลเป็นหรือลายพิมพ์นิ้วมือ  อย่างไรก็ตามลักษณะอาจเปลี่ยนแปลงได้ตามอายุ หรือจากอุบัติเหตุ หรือจากสารเคมี แม้ว่าลายพิมพ์นิ้วมือจะไม่ สามารถบอกความสัมพันธ์ทางสายเลือดได้ว่าลายพิมพ์ นิ้วมือของลูกนั้นส่วนใดได้มาจากพ่อหรือแม่  แต่ลายพิมพ์ DNA สร้างมาจาก DNA ที่ได้รับการถ่ายทอดมาจากพ่อและแม่อย่างละครึ่งและเปลี่ยนแปลงไม่ได้  จึงมีลักษณะเฉพาะบุคคลซึ่งทำให้สามารถบอกความ    แตกต่างของบุคคลได้  ความแตกต่างที่มีความจำเพาะของแต่ละบุคคลนี้เองเราจึงนำมาใช้ประโยชน์ได้หลายด้าน เช่น การพิสูจน์ตัวบุคคล  การพิสูจน์ความสัมพันธ์ทางสายเลือด  การตรวจทางนิติเวชศาสตร์เพื่อหาผู้กระทำความผิด เป็นต้น  และจากความ       แตกต่างที่มีเฉพาะบุคคล  จึงทำให้บุคคลมีรูปแบบของ DNA ที่แตกต่างกัน เมื่อใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การใช้ RFLP marker ตรวจสอบ  จะเกิดเป็นแถบ DNA  รูปแบบของแถบ DNA           (DNA band) ที่เป็นความแตกต่างของขนาดชิ้น DNA ที่เป็นเอกลักษณ์ของแต่ละบุคคล เรียกว่า ลายพิมพ์ DNA (DNA fingerprint) เพราะโอกาสที่คนสองคน (ที่ไม่ใช่ฝาแฝดแท้) จะมีรูปแบบของลายพิมพ์ DNA เหมือนกันมีน้อยมาก 

ลายพิมพ์ DNA (DNA fingerprint)

                นอกจากนี้ได้มีการใช้ลายพิมพ์ DNA เพื่อพิสูจน์ความเกี่ยวพันในคดีอาญาที่รุนแรง เช่น ฆาตกรรม  ทำร้ายร่างกาย  ซึ่งสามารถใช้เป็นหลักฐานสำคัญอย่างหนึ่งประกอบการพิจารณาคดีศาล  ตัวอย่างเช่น  ในคดีฆาตกรรมคดีหนึ่ง ได้นำคราบเลือดของฆาตกรที่พบในสถานที่เกิดเหตุและเลือดของผู้ต้องสงสัยจำนวน 7 คน  มาทำลายพิมพ์ DNA และนำมาเปรียบเทียบกัน

                 เมื่อนำลายพิมพ์ DNA ของผู้ต้องสงสัยมาเปรียบเทียบกับลายพิมพ์ DNA ของคราบเลือดฆาตกรพบว่าเป็นดังนี้

ภาพการเปรียบเทียบลายพิมพ์ DNA ของผู้ต้องสงสัยกับคราบเลือดฆาตกร

                จากภาพด้านบนที่มีการเปรียบเทียบลายพิมพ์ DNA ของผู้ต้องสงสัยทั้ง 7 คน  จะเห็นได้ว่า  ผู้ต้องสงสัยหมายเลข 4 มีลายพิมพ์ DNA ใกล้เคียงกับหลักฐานคราบเลือดในที่เกิดเหตุมากที่สุด จึงอาจสรุปได้ว่าเป็นฆาตกร 
                ปัจจุบันการตรวจลายพิมพ์ DNA จะใช้เทคนิค PCR เนื่องจากเป็นวิธีที่ง่าย  รวดเร็ว  ประหยัดค่าใช้จ่ายและใช้ตัวอย่างเลือดในปริมาณที่น้อยในประเทศไทย
                การตรวจลายพิมพ์ DNA เริ่มโดยกลุ่มนักวิจัยจากหลายสถาบันร่วมกันทำงานอย่างต่อเนื่อง  โดยการตรวจพิสูจน์ความสัมพันธ์ทางสายเลือด  การหาตัวคนร้ายในคดีฆาตกรรม  การสืบหาทายาทที่แท้จริงในกองมรดก  นอกจากนี้ยังนำมาใช้ในการตรวจคนเข้าเมืองให้ถูกต้อง  กรณีการให้สัญชาติไทยแก่ชาวเขาและชนกลุ่มน้อย เพื่อสืบสาวว่า บรรพบุรุษเป็นชาวเขาที่ตั้งรกรากอยู่ในประเทศไทยหรือเป็นชนต่างด้าวที่อพยพเข้ามา ซึ่งมีผลต่อการพิสูจน์ชาติพันธุ์และการให้สิทธิในการอาศัยอยู่บนแผ่นดินไทยด้วย  นอกจากนี้ยังมีแนวโน้มว่าในอนาคตอาจมีการนำลายพิมพ์ DNA มาประยุกต์ใช้แทน การใช้ลายนิ้วมือ  เพื่อทำบัตรประชาชน  ทำให้สืบหาตัวบุคคลได้ถูกต้องรวดเร็ว  โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีสืบหาตัวบุคคลที่เสียชีวิตในสภาพที่บอกไม่ได้ว่าเป็น ใคร  เช่น  กรณีเครื่องบินตก หรือ ไฟไหม้
                ปัจจุบันในประเทศไทยมีหน่วยงานที่มีห้องปฏิบัติการที่ตรวจลายพิมพ์ DNA เช่น  สถาบันนิติเวช  กองพิสูจน์หลักฐาน  สังกัดสำนักงานตำรวจแห่งชาติ  โรงพยาบาลต่างๆ เช่น โรงพยาบาลรามาธิบดี โรงพยาบาลศิริราช โรงพยาบาลเชียงใหม่ และสถาบันนิติวิทยาศาสตร์ กระทรวงยุติธรรม เป็นต้น

• วิชาเคมี

เรื่องพอลิเมอร์
พอลิเมอร์ (Polymer) คือ สารประกอบที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมากประกอบด้วย หน่วยเล็ก ๆ ของสารที่อาจจะเหมือนกันหรือต่างกันมาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ 
มอนอเมอร์ (Monomer) คือ หน่วยเล็ก ๆ ของสารในพอลิเมอร์ 
พอลิเมอร์ แบ่งตามเกณฑ์ต่าง ๆ ดังนี้ 
แบ่งตามการเกิด 
         ก. พอลิเมอร์ธรรมชาติ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น โปรตีน แป้ง เซลลูโลส ยางธรรมชาติ 
         ข. พอลิเมอร์สังเคราะห์ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากการสังเคราะห์เพื่อใช้ประโยชน์ต่าง ๆ เช่น พลาสติก ไนลอน ดาครอนและลูไซต์ แบ่งตามชนิดของมอนอเมอร์ที่เป็นองค์ประกอบ 
         ก. โฮมอลิเมอร์ เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียวกัน เช่น แป้ง พอลิเอทิลีน PVC

ข. โคพอลิเมอร์ เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ต่างชนิดกัน เช่น โปรตีน พอลิเอสเทอร์

โครงสร้างของพอลิเมอร์ 

ก. พอลิเมอร์แบบเส้น
 

เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์สร้างพันธะต่อกันเป็นสายยาว โซ่พอลิเมอร์เรียงชิดกันมากว่าโครงสร้างแบบอื่น ๆ จึงมีความหนาแน่น และจุดหลอมเหลวสูง มีลักษณะแข็ง ขุ่นเหนียวกว่าโครงสร้างอื่นๆ ตัวอย่าง PVC พอลิสไตรีน พอลิเอทิลีน 

ข. พอลิเมอร์แบบกิ่ง

เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ยึดกันแตกกิ่งก้านสาขา มีทั้งโซ่สั้นและโซ่ยาว กิ่งที่แตกจาก พอลิเมอร์ของโซ่หลัก ทำให้ไม่สามารถจัดเรียงโซ่พอลิเมอร์ให้ชิดกันได้มาก จึงมีความหนาแน่นและจุดหลอมเหลวต่ำยืดหยุ่นได้ ความเหนียวต่ำ โครงสร้างเปลี่ยนรูปได้ง่ายเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตัวอย่าง พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ 

ค. พอลิเมอร์แบบร่างแห
 

เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ต่อเชื่อมกันเป็นร่างแห พอลิเมอร์ชนิดนี้มีความแข็งแกร่ง และเปราะหักง่าย ตัวอย่างเบกาไลต์ เมลามีนใช้ทำถ้วยชาม

ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชัน 

พอลิเมอร์ไรเซชัน (Polymerization) คือกระบวนการเกิดสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ (พอลิเมอร์) จากสารที่มีโมเลกุลเล็ก (มอนอเมอร์) 

ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชัน 

ก. ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันแบบเติม

ข. ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันแบบควบแน่น

วิชาฟิสิกส์