ที่มาของเอนไซม์จำกัด

นับตั้งแต่การค้นพบเอ็นไซม์จำกัด สาขาวิชาชีววิทยาระดับโมเลกุลได้ก้าวหน้าอย่างรวดเร็วเนื่องจากความสามารถเฉพาะตัวของโปรตีนเหล่านี้ในการแยกดีเอ็นเอในลักษณะเฉพาะ เอนไซม์อย่างง่ายเหล่านี้มีผลอย่างมากต่อการวิจัยทั่วโลก น่าแปลกที่เรามีแบคทีเรียที่จะขอบคุณสำหรับของขวัญทางวิทยาศาสตร์ชิ้นนี้

เอ็นไซม์จำกัด หรือที่เรียกว่าเอนโดนิวคลีเอสจำกัด จับกับดีเอ็นเอและแยกเกลียวคู่ ก่อตัวเป็นชิ้นเล็ก ๆ ของดีเอ็นเอ เอ็นไซม์จำกัดมีสามประเภท; เอ็นไซม์การจำกัดประเภทที่ 1 จะจดจำลำดับดีเอ็นเอและตัดสายนั้นสุ่มมากกว่าหนึ่งพันคู่เบสออกจากไซต์ เอ็นไซม์จำกัด Type II มีประโยชน์มากที่สุดสำหรับห้องปฏิบัติการอณูชีววิทยา จดจำและตัดสาย DNA อย่างคาดเดาได้ในลำดับเฉพาะ ซึ่งปกติแล้วจะมีความยาวน้อยกว่าสิบคู่เบส เอ็นไซม์จำกัด Type III นั้นคล้ายกับ Type I แต่สิ่งเหล่านี้จะตัด DNA ประมาณสามสิบคู่เบสจากลำดับการจดจำ

สายพันธุ์แบคทีเรียเป็นแหล่งสำคัญของเอนไซม์จำกัดทางการค้า เอ็นไซม์เหล่านี้ทำหน้าที่ปกป้องเซลล์แบคทีเรียจากการบุกรุกโดย DNA แปลกปลอม เช่น ลำดับกรดนิวคลีอิกที่ไวรัสใช้เพื่อทำซ้ำตัวเองภายในเซลล์เจ้าบ้าน โดยพื้นฐานแล้ว เอ็นไซม์จะสับ DNA เป็นชิ้นเล็ก ๆ ซึ่งเป็นอันตรายต่อเซลล์เพียงเล็กน้อย เอนไซม์นี้ตั้งชื่อตามสายพันธุ์และสายพันธุ์ของแบคทีเรียที่ผลิตขึ้น ตัวอย่างเช่น เอนไซม์จำกัดแรกที่สกัดจากสายพันธุ์ Escherichia coli RY13 เรียกว่า EcoRI และเอนไซม์ที่ห้าที่สกัดจากสายพันธุ์เดียวกันเรียกว่า EcoRV

การใช้เอ็นไซม์จำกัด Type II นั้นแทบจะเป็นสากลในห้องปฏิบัติการทั่วโลก โมเลกุลของดีเอ็นเอนั้นยาวมากและจัดการได้ยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากนักวิจัยสนใจยีนหนึ่งหรือสองยีนเท่านั้น เอ็นไซม์จำกัดช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตัด DNA ออกเป็นส่วนๆ ที่มีขนาดเล็กลงได้อย่างน่าเชื่อถือ ความสามารถในการจัดการกับ DNA นี้ทำให้สามารถทำแผนที่ข้อจำกัดและการโคลนโมเลกุลได้ล่วงหน้า

ในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการ การรู้อย่างแน่ชัดว่าไซต์การจำกัดบางจุดอยู่บนสาย DNA นั้นมีประโยชน์และสะดวกอย่างยิ่ง หากทราบลำดับดีเอ็นเอ การทำแผนที่การจำกัดสามารถทำได้โดยคอมพิวเตอร์ ซึ่งสามารถแมปลำดับการรู้จำเอ็นไซม์จำกัดที่เป็นไปได้ทั้งหมดได้อย่างรวดเร็ว หากไม่ทราบลำดับดีเอ็นเอ ผู้วิจัยยังสามารถสร้างแผนที่ทั่วไปโดยใช้เอ็นไซม์ต่างๆ ด้วยตนเอง และร่วมกับเอ็นไซม์อื่นๆ ในการแยกโมเลกุล การใช้เหตุผลแบบนิรนัย สามารถสร้างแผนผังข้อจำกัดทั่วไปได้ การมีแผนที่ข้อ จำกัด เป็นสิ่งสำคัญเมื่อทำการโคลนยีน

การโคลนโมเลกุลเป็นเทคนิคในห้องปฏิบัติการที่ยีนถูกตัดออกจากโมเลกุลดีเอ็นเอเป้าหมาย ซึ่งมักจะสกัดจากสิ่งมีชีวิต โดยใช้เอนไซม์จำกัด ต่อไป ยีนจะถูกแทรกเข้าไปในโมเลกุลที่เรียกว่าเวกเตอร์ ซึ่งมักจะเป็นชิ้นเล็ก ๆ ของ DNA ทรงกลมที่เรียกว่าพลาสมิดซึ่งได้รับการดัดแปลงเพื่อให้มีเอ็นไซม์จำกัดหลายเป้าหมาย ลำดับ เวกเตอร์ถูกแยกออกโดยเอ็นไซม์จำกัด จากนั้นยีนก็ถูกแทรกเข้าไปใน DNA แบบวงกลม เอนไซม์ที่เรียกว่า DNA ligase สามารถปฏิรูปวงกลมเพื่อรวมยีนเป้าหมายได้ เมื่อยีนถูก 'โคลน' ในลักษณะดังกล่าว เวกเตอร์สามารถแทรกเข้าไปในเซลล์แบคทีเรียเพื่อให้ยีนสามารถผลิตโปรตีนได้