เนื้อหา
- จีโนมและลำดับดีเอ็นเอ
- ความหมายของลำดับดีเอ็นเอ
- การหาลำดับดีเอ็นเอ: การวิจัยเบื้องต้น
- ความทะเยอทะยานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของ Sanger คือการหาลำดับจีโนมขนาดใหญ่ทั้งหมด แต่การเรียงลำดับเบสคู่ของแบคทีเรียขนาดจิ๋วที่มีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับการเรียงลำดับจีโนมมนุษย์ 3 พันล้านคู่ อย่างไรก็ตามการเรียนรู้วิธีการเรียงลำดับจีโนมทั้งหมดของ bacteriophage ที่ต่ำเป็นขั้นตอนสำคัญในการรวมจีโนมทั้งหมดของมนุษย์เข้าด้วยกันเพราะ DNA และโครโมโซมประกอบด้วยคู่ฐานนับล้าน ๆ วิธีการเรียงลำดับส่วนใหญ่แยก DNA ออกเป็นเส้นเล็ก ๆ และ จากนั้นส่วนดีเอ็นเอจะถูกรวมเข้าด้วยกัน มันต้องใช้เวลาหรือเครื่องจักรที่รวดเร็วและซับซ้อน
- พื้นฐานการหาลำดับดีเอ็นเอ
- วิธีการหาลำดับดีเอ็นเอ: วิธีการของแซงเจอร์
- การพัฒนาที่น่าตื่นเต้นอีกอย่างคือวิธีปืนลูกซองที่สุ่มตัวอย่างและจัดลำดับสูงสุด 700 คู่เบสในคราวเดียว แซงเจอร์ยังเป็นที่รู้จักกันดีในการใช้วิธี dideoxy (dideoxynucleotide) ซึ่งจะแทรกนิวคลีโอไทด์แบบ chain-terminating ในระหว่างการสังเคราะห์ DNA เพื่อทำเครื่องหมายส่วนของ DNA สำหรับการวิเคราะห์
- ขั้นตอนการจัดลำดับดีเอ็นเอ
- ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการหาลำดับดีเอ็นเอ
- โครงการจีโนมมนุษย์
- ตัวอย่างการหาลำดับดีเอ็นเออื่น ๆ
- ผลกระทบทางจริยธรรมของการหาลำดับดีเอ็นเอ
นิวคลีโอไทด์เป็นหน่วยการสร้างทางเคมีของสิ่งมีชีวิตและพบได้ใน DNA ของสิ่งมีชีวิต นิวคลีโอไทด์แต่ละชนิดประกอบด้วย น้ำตาล, ฟอสเฟต และ ฐานที่ประกอบด้วยไนโตรเจน: adenine (A), thymine (T), cytosine (C) และ guanine (G) คำสั่งเฉพาะของฐานนิวคลีโอไทด์เหล่านี้จะกำหนดโปรตีนเอนไซม์และโมเลกุลที่จะถูกสังเคราะห์โดยเซลล์
การกำหนดลำดับหรือลำดับนิวคลีโอไทด์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการศึกษาการกลายพันธุ์วิวัฒนาการความก้าวหน้าของโรคการทดสอบทางพันธุกรรมการตรวจสอบทางนิติเวชและการแพทย์
จีโนมและลำดับดีเอ็นเอ
ฟังก์ชั่น เป็นการศึกษา DNA, ยีน, ปฏิสัมพันธ์ของยีนและอิทธิพลของสิ่งแวดล้อมที่มีต่อยีน ความลับในการไขปริศนาการทำงานของยีนที่ซับซ้อนนั้นสามารถระบุโครงสร้างและตำแหน่งของมันบนโครโมโซมได้
สีน้ำเงินของสิ่งมีชีวิตนั้นพิจารณาจากลำดับ (หรือลำดับ) ของคู่เบสกรดนิวคลีอิกใน DNA เมื่อ DNA ลอกเลียนแบบอะดีนีนจับคู่กับไทมีนและไซโตซีนกับกัวนีน คู่ที่ไม่ตรงกันจะถูกพิจารณา การกลายพันธุ์.
deoxyribonucleic acid (DNA) ได้ถูกสร้างแนวคิดขึ้นในปี 1953 จึงมีการปรับปรุงอย่างมากในด้านจีโนมิกส์และการจัดลำดับดีเอ็นเอขนาดใหญ่ นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานอย่างขยันขันแข็งเพื่อใช้ความรู้ใหม่นี้ในการรักษาโรคเป็นรายบุคคล
ในเวลาเดียวกันการอภิปรายอย่างต่อเนื่องช่วยให้นักวิจัยอยู่ข้างหน้าผลกระทบทางจริยธรรมของเทคโนโลยีการระเบิดอย่างรวดเร็ว
ความหมายของลำดับดีเอ็นเอ
การหาลำดับดีเอ็นเอเป็นกระบวนการในการค้นหาลำดับของฐานนิวคลีโอไทด์ต่างๆในตัวอย่างของ DNA การหาลำดับของยีนทั้งหมดช่วยให้สามารถเปรียบเทียบโครโมโซมและจีโนมที่มีอยู่ในสปีชีส์เดียวกันและต่างกัน
การทำแผนที่โครโมโซมมีประโยชน์สำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การวิเคราะห์กลไกและโครงสร้างของยีนอัลลีลและการกลายพันธุ์ของโครโมโซมในโมเลกุลดีเอ็นเอแสดงให้เห็นถึงวิธีการใหม่ในการรักษาความผิดปกติทางพันธุกรรมและหยุดการเจริญเติบโตของเนื้องอกมะเร็ง
การหาลำดับดีเอ็นเอ: การวิจัยเบื้องต้น
วิธีการเรียงลำดับดีเอ็นเอของ Frederick Sanger ก้าวหน้าอย่างมากในด้านของฟังก์ชั่นเริ่มต้นในปี 1970 แซงเจอร์รู้สึกพร้อมที่จะรับมือกับการหาลำดับดีเอ็นเอหลังจากประสบความสำเร็จในการหาลำดับ RNA เมื่อศึกษาอินซูลิน แซงเจอร์ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ตะลุยลำดับดีเอ็นเอ อย่างไรก็ตามวิธีการจัดลำดับดีเอ็นเอที่ชาญฉลาดของเขา - พัฒนาควบคู่กับเพื่อนร่วมงาน Berg และ Gilbert - ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1980
ความทะเยอทะยานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของ Sanger คือการหาลำดับจีโนมขนาดใหญ่ทั้งหมด แต่การเรียงลำดับเบสคู่ของแบคทีเรียขนาดจิ๋วที่มีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับการเรียงลำดับจีโนมมนุษย์ 3 พันล้านคู่ อย่างไรก็ตามการเรียนรู้วิธีการเรียงลำดับจีโนมทั้งหมดของ bacteriophage ที่ต่ำเป็นขั้นตอนสำคัญในการรวมจีโนมทั้งหมดของมนุษย์เข้าด้วยกันเพราะ DNA และโครโมโซมประกอบด้วยคู่ฐานนับล้าน ๆ วิธีการเรียงลำดับส่วนใหญ่แยก DNA ออกเป็นเส้นเล็ก ๆ และ จากนั้นส่วนดีเอ็นเอจะถูกรวมเข้าด้วยกัน มันต้องใช้เวลาหรือเครื่องจักรที่รวดเร็วและซับซ้อน
พื้นฐานการหาลำดับดีเอ็นเอ
แซงเจอร์รู้ถึงคุณค่าที่เป็นไปได้ของงานของเขาและมักจะร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ที่มีความสนใจใน DNA, ชีววิทยาโมเลกุลและวิทยาศาสตร์สิ่งมีชีวิต
แม้ว่าช้าและแพงเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการจัดลำดับของวันนี้วิธีการเรียงลำดับดีเอ็นเอของแซงเจอร์นั้นได้รับการยกย่องในเวลานั้น หลังจากการพิจารณาคดีและข้อผิดพลาดแซงเจอร์พบ“ สูตร” ทางชีวเคมีลับสำหรับการแยกสายดีเอ็นเอสร้างดีเอ็นเอมากขึ้นและระบุลำดับของนิวคลีโอไทด์ในจีโนม
สามารถซื้อวัสดุคุณภาพสูงเพื่อใช้ในการศึกษาในห้องปฏิบัติการ:
วิธีการหาลำดับดีเอ็นเอ: วิธีการของแซงเจอร์
แซงเจอร์คิดหาวิธีที่จะตัด DNA ออกเป็นส่วนย่อย ๆ โดยใช้เอนไซม์ DNA polymerase
จากนั้นเขาก็สร้าง DNA เพิ่มเติมจากแม่แบบและแทรกตัวติดตามกัมมันตภาพรังสีใน DNA ใหม่เพื่อแบ่งส่วนของเส้นที่แยกออกจากกัน นอกจากนี้เขายังจำได้ว่าเอนไซม์ต้องการไพรเมอร์ที่สามารถจับกับจุดที่เฉพาะเจาะจงบนเกลียวแม่แบบ ในปี 1981 แซงเจอร์สร้างประวัติศาสตร์ขึ้นอีกครั้งด้วยการหาจีโนมของคู่เบส 16,000 คู่ของไมโทคอนเดรีย
การพัฒนาที่น่าตื่นเต้นอีกอย่างคือวิธีปืนลูกซองที่สุ่มตัวอย่างและจัดลำดับสูงสุด 700 คู่เบสในคราวเดียว แซงเจอร์ยังเป็นที่รู้จักกันดีในการใช้วิธี dideoxy (dideoxynucleotide) ซึ่งจะแทรกนิวคลีโอไทด์แบบ chain-terminating ในระหว่างการสังเคราะห์ DNA เพื่อทำเครื่องหมายส่วนของ DNA สำหรับการวิเคราะห์
ขั้นตอนการจัดลำดับดีเอ็นเอ
ต้องปรับอุณหภูมิอย่างระมัดระวังตลอดกระบวนการจัดลำดับ ขั้นแรกสารเคมีจะถูกเติมลงในหลอดและทำให้ร้อนเพื่อคลาย (denature) โมเลกุลดีเอ็นเอที่มีเกลียวสองเส้น จากนั้นอุณหภูมิจะเย็นลงทำให้ไพรเมอร์มีพันธะ
จากนั้นอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นเพื่อกระตุ้นการทำงานของ DNA polymerase (เอนไซม์) ที่ดีที่สุด
โพลีเมอเรสมักใช้นิวคลีโอไทด์ปกติที่มีอยู่ซึ่งจะถูกเพิ่มที่ความเข้มข้นสูงกว่าเมื่อโพลีเมอเรสไปถึง“ การยุติโซ่” นิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมโยงกับสีย้อม, พอลิเมอเรสจะหยุดและโซ่นั้นจะสิ้นสุดลงซึ่งจะอธิบายว่าทำไมนิวคลีโอไทด์ที่ย้อมนั้นถูกเรียกว่า
กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปหลายต่อหลายครั้ง ในที่สุดนิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมโยงกับสีย้อมนั้นถูกวางไว้ที่ตำแหน่งเดียวของลำดับดีเอ็นเอ เจลอิเล็กโทรโฟเรซิสและโปรแกรมคอมพิวเตอร์สามารถระบุสีของสีย้อมบนเส้นดีเอ็นเอแต่ละเส้นและหาลำดับทั้งหมดของ DNA จากสีย้อมตำแหน่งของสีย้อมและความยาวของเส้น
ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการหาลำดับดีเอ็นเอ
การจัดลำดับความเร็วสูง - โดยทั่วไปเรียกว่า การหาลำดับยุคต่อไป - ใช้ความก้าวหน้าและเทคโนโลยีใหม่ ๆ ในการจัดลำดับเบสนิวคลีโอไทด์ได้รวดเร็วและราคาถูกกว่าที่เคยเป็นมา เครื่องเรียงลำดับดีเอ็นเอสามารถจัดการกับดีเอ็นเอในวงกว้างได้อย่างง่ายดาย ในความเป็นจริงจีโนมทั้งหมดสามารถทำได้ในเวลาไม่กี่ชั่วโมงแทนที่จะใช้เทคนิคการเรียงลำดับของแซงเจอร์
วิธีการหาลำดับยุคใหม่สามารถจัดการการวิเคราะห์ DNA ในปริมาณสูงโดยไม่ต้องเพิ่มขั้นตอนการขยายหรือการโคลนนิ่งเพื่อให้ได้ DNA เพียงพอสำหรับการจัดลำดับ เครื่องหาลำดับดีเอ็นเอใช้ปฏิกิริยาการเรียงลำดับหลายครั้งในคราวเดียวซึ่งมีราคาถูกและเร็วกว่า
โดยพื้นฐานแล้วเทคโนโลยีการหาลำดับดีเอ็นเอใหม่ใช้ปฏิกิริยา Sanger หลายร้อยตัวบนไมโครชิปขนาดเล็กที่อ่านได้ง่ายซึ่งจะทำงานผ่านโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่รวบรวมลำดับ
เทคนิคนี้อ่านเศษดีเอ็นเอที่สั้นลง แต่ก็ยังเร็วกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการเรียงลำดับของ Sanger ดังนั้นแม้แต่โครงการขนาดใหญ่ก็สามารถทำให้เสร็จได้อย่างรวดเร็ว
โครงการจีโนมมนุษย์
โครงการจีโนมมนุษย์เสร็จสมบูรณ์ในปี 2546 เป็นหนึ่งในงานศึกษาต่อเนื่องที่มีชื่อเสียงที่สุดจนถึงปัจจุบัน อ้างอิงจากบทความ 2018 ใน ข่าววิทยาศาสตร์จีโนมมนุษย์ประกอบด้วยประมาณ 46,831 ยีนซึ่งเป็นความท้าทายที่น่ากลัวในการจัดลำดับ นักวิทยาศาสตร์ชั้นนำจากทั่วโลกใช้เวลาเกือบ 10 ปีในการร่วมมือและให้คำปรึกษา นำโดยการวิจัยจีโนมมนุษย์แห่งชาติ
สถาบันโครงการประสบความสำเร็จในการทำแผนที่จีโนมมนุษย์โดยใช้ตัวอย่างคอมโพสิตที่นำมาจากผู้บริจาคโลหิตนิรนาม
โครงการจีโนมมนุษย์อาศัยวิธีการหาลำดับเบสของโครโมโซมจากแบคทีเรีย (BAC) เพื่อแมปคู่ฐาน เทคนิคนี้ใช้แบคทีเรียในการโคลนดีเอ็นเอชิ้นส่วนทำให้มีปริมาณดีเอ็นเอจำนวนมากสำหรับการจัดลำดับ โคลนถูกลดขนาดแล้ววางลงในเครื่องจัดลำดับและประกอบเข้าด้วยกันเพื่อเป็นตัวแทนดีเอ็นเอของมนุษย์
ตัวอย่างการหาลำดับดีเอ็นเออื่น ๆ
การค้นพบใหม่ในฟังก์ชั่นการเปลี่ยนแปลงวิธีการป้องกันการตรวจจับและการรักษาอย่างลึกซึ้ง รัฐบาลมีความมุ่งมั่นพันล้านดอลลาร์เพื่อการวิจัยดีเอ็นเอ การบังคับใช้กฎหมายอาศัยการวิเคราะห์ DNA เพื่อแก้ไขกรณีต่างๆ สามารถซื้อชุดทดสอบดีเอ็นเอเพื่อใช้ในบ้านเพื่อวิจัยบรรพบุรุษและระบุสายพันธุ์ของยีนที่อาจมีความเสี่ยงต่อสุขภาพ:
ผลกระทบทางจริยธรรมของการหาลำดับดีเอ็นเอ
เทคโนโลยีใหม่มักจะมาพร้อมกับความเป็นไปได้ของผลประโยชน์ทางสังคมเช่นเดียวกับอันตราย ตัวอย่าง ได้แก่ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ชำรุดและอาวุธนิวเคลียร์ที่มีอำนาจทำลายล้างสูง เทคโนโลยีดีเอ็นเอก็มีความเสี่ยงเช่นกัน
ความกังวลทางอารมณ์เกี่ยวกับการจัดลำดับดีเอ็นเอและเครื่องมือแก้ไขยีนอย่าง CRISPR นั้นรวมถึงความกลัวว่าเทคโนโลยีอาจช่วยในการโคลนนิ่งมนุษย์หรือนำไปสู่การกลายพันธุ์ของสัตว์ดัดแปลงพันธุกรรมที่สร้างขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์โกง
บ่อยครั้งที่ปัญหาด้านจริยธรรมที่เกี่ยวข้องกับการหาลำดับดีเอ็นเอต้องกระทำโดยได้รับความยินยอม เข้าถึงการทดสอบ DNA โดยตรงถึงผู้บริโภคได้ง่ายหมายความว่าผู้บริโภคอาจไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าจะใช้เก็บและแบ่งปันข้อมูลทางพันธุกรรมของพวกเขาอย่างไร คนเลย์อาจไม่พร้อมทางอารมณ์ในการเรียนรู้เกี่ยวกับยีนที่มีข้อบกพร่องและความเสี่ยงต่อสุขภาพ
บุคคลที่สามเช่นนายจ้างและ บริษัท ประกันภัยอาจเลือกปฏิบัติต่อบุคคลที่มียีนที่บกพร่องซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาทางการแพทย์ที่ร้ายแรง