ลำดับดีเอ็นเอ: ความหมาย วิธีการ ตัวอย่าง

นิวคลีโอไทด์เป็นองค์ประกอบทางเคมีของชีวิตและพบได้ใน DNA ของสิ่งมีชีวิต แต่ละนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วย น้ำตาล, ฟอสเฟต และ ฐานที่มีไนโตรเจน: อะดีนีน (A), ไทมีน (T), ไซโตซีน (C) และกัวนีน (G) ลำดับเฉพาะของเบสนิวคลีโอไทด์เหล่านี้จะกำหนดว่าเซลล์จะสังเคราะห์โปรตีน เอนไซม์ และโมเลกุลใด

การกำหนดลำดับหรือลำดับของนิวคลีโอไทด์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการศึกษา การกลายพันธุ์วิวัฒนาการ ความก้าวหน้าของโรค การทดสอบทางพันธุกรรม การตรวจสอบทางนิติเวชและการแพทย์

จีโนมิกส์ คือการศึกษาดีเอ็นเอ ยีน ปฏิสัมพันธ์ของยีน และอิทธิพลของสิ่งแวดล้อมที่มีต่อยีน ความลับในการไขความลับในการทำงานภายในที่ซับซ้อนของยีนคือการสามารถระบุโครงสร้างและตำแหน่งของพวกมันบนโครโมโซมได้

พิมพ์เขียวของสิ่งมีชีวิตถูกกำหนดโดยลำดับ (หรือลำดับ) ของคู่เบสกรดนิวคลีอิกใน DNA เมื่อ DNA จำลองแบบ อะดีนีนจะจับคู่กับไทมีน และไซโตซีนกับกัวนีน ถือว่าคู่ไม่ตรงกัน การกลายพันธุ์.

ตั้งแต่เกลียวคู่ กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก โมเลกุล (DNA) ถูกสร้างแนวคิดขึ้นในปี 1953 มีการปรับปรุงอย่างมากในด้านจีโนมิกส์และการจัดลำดับดีเอ็นเอขนาดใหญ่ นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานอย่างขยันขันแข็งเพื่อนำความรู้ใหม่นี้ไปใช้กับการรักษาโรคเป็นรายบุคคล

ในเวลาเดียวกัน การอภิปรายอย่างต่อเนื่องช่วยให้นักวิจัยอยู่นำหน้าผลกระทบทางจริยธรรมของเทคโนโลยีที่ระเบิดอย่างรวดเร็วดังกล่าว

การจัดลำดับดีเอ็นเอเป็นกระบวนการในการค้นหาลำดับเบสของนิวคลีโอไทด์ต่างๆ ในตัวอย่างดีเอ็นเอ การจัดลำดับยีนทั้งหมดช่วยให้สามารถเปรียบเทียบโครโมโซมและจีโนมที่มีอยู่ในสายพันธุ์เดียวกันและต่างกันได้

การทำแผนที่โครโมโซมมีประโยชน์สำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ วิเคราะห์กลไกและโครงสร้างของ ยีนอัลลีลและการกลายพันธุ์ของโครโมโซมในโมเลกุลดีเอ็นเอแนะนำวิธีการใหม่ในการรักษาความผิดปกติทางพันธุกรรมและหยุดการเติบโตของเนื้องอกมะเร็ง เป็นต้น

วิธีการจัดลำดับ DNA ของ Frederick Sanger ก้าวหน้าอย่างมากในด้านจีโนมตั้งแต่ทศวรรษ 1970 Sanger รู้สึกว่าพร้อมที่จะจัดการกับการจัดลำดับ DNA หลังจากประสบความสำเร็จในการหาลำดับ RNA เมื่อศึกษาอินซูลิน แซงเจอร์ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ตะลุยลำดับดีเอ็นเอ อย่างไรก็ตาม วิธีการจัดลำดับ DNA อันชาญฉลาดของเขา ซึ่งพัฒนาควบคู่ไปกับเพื่อนร่วมงาน Berg และ Gilbert ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1980

แซงเจอร์รู้ถึงคุณค่าที่เป็นไปได้ของงานของเขา และมักจะร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ที่มีความสนใจใน DNA เหมือนกัน อณูชีววิทยา และวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต

แม้ว่าจะช้าและมีราคาแพงเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการจัดลำดับในปัจจุบัน แต่วิธีการจัดลำดับ DNA ของ Sanger ก็ได้รับการยกย่องในขณะนั้น หลังจากการลองผิดลองถูก แซงเจอร์พบ "สูตร" ทางชีวเคมีที่เป็นความลับสำหรับการแยกสายดีเอ็นเอ สร้าง DNA มากขึ้นและระบุลำดับของนิวคลีโอไทด์ในจีโนม

วัสดุคุณภาพสูงสามารถหาซื้อได้ง่ายเพื่อใช้ในการศึกษาในห้องปฏิบัติการ:

• ดีเอ็นเอโพลีเมอเรส เป็นเอ็นไซม์ที่จำเป็นในการสร้างดีเอ็นเอ
• ไพรเมอร์ดีเอ็นเอ บอกเอ็นไซม์ที่จะเริ่มทำงานบนสายดีเอ็นเอ
• dNTPs เป็นโมเลกุลอินทรีย์ที่ประกอบด้วยน้ำตาลดีออกซีไรโบสและนิวคลีโอไซด์ไตรฟอสเฟต – dATP, dGTP, dCTP และ dTTP – ที่ประกอบเป็นโปรตีน
• ตัวต่อลูกโซ่ คือนิวคลีโอไทด์สีย้อมหรือที่เรียกว่าเทอร์มิเนเตอร์นิวคลีโอไทด์สำหรับแต่ละเบส – A, T, C และ G

แซงเจอร์ได้ค้นพบวิธีตัด DNA ออกเป็นส่วนเล็กๆ โดยใช้เอนไซม์ DNA polymerase

จากนั้นเขาก็สร้าง DNA เพิ่มเติมจากเทมเพลตและแทรกตัวติดตามกัมมันตภาพรังสีใน DNA ใหม่เพื่อแบ่งเขตส่วนของเส้นที่แยกจากกัน เขายังตระหนักว่าเอนไซม์ต้องการไพรเมอร์ที่สามารถยึดติดกับจุดเฉพาะบนเส้นแม่แบบได้ ในปี 1981 แซงเจอร์สร้างประวัติศาสตร์อีกครั้งด้วยการค้นหาจีโนมของคู่เบส 16,000 คู่ของไมโทคอนเดรียดีเอ็นเอ

ต้องปรับอุณหภูมิอย่างระมัดระวังตลอดกระบวนการจัดลำดับ ขั้นแรก เติมสารเคมีลงในหลอดและให้ความร้อนเพื่อคลาย (denature) เกลียวคู่ โมเลกุลดีเอ็นเอ. จากนั้นอุณหภูมิจะเย็นลงเพื่อให้ไพรเมอร์ยึดติด

ต่อไป อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นเพื่อกระตุ้นการทำงานของ DNA polymerase (เอนไซม์) ที่เหมาะสมที่สุด

โดยทั่วไปแล้วโพลีเมอเรสจะใช้นิวคลีโอไทด์ปกติที่มีอยู่ ซึ่งจะถูกเติมที่ความเข้มข้นที่สูงขึ้น เมื่อโพลีเมอเรสไปถึงนิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมโยงกับสีย้อมที่ "ยุติสายโซ่" โพลีเมอเรสจะหยุด โซ่สิ้นสุดที่นั่น ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมนิวคลีโอไทด์ที่ย้อมแล้วจึงถูกเรียกว่า "การสิ้นสุดสายโซ่" หรือ “เทอร์มิเนเตอร์”

กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปหลายครั้ง ในที่สุด นิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมด้วยสีย้อมถูกวางไว้ที่ทุกตำแหน่งของลำดับดีเอ็นเอ เจลอิเล็กโตรโฟรีซิสและโปรแกรมคอมพิวเตอร์สามารถระบุสีย้อมบนแต่ละสายดีเอ็นเอและ หาลำดับดีเอ็นเอทั้งหมดโดยพิจารณาจากสีย้อม ตำแหน่งของสีย้อม และความยาวของ length เส้น

การจัดลำดับปริมาณงานสูง – โดยทั่วไปเรียกว่า ลำดับรุ่นต่อไป – ใช้ความก้าวหน้าและเทคโนโลยีใหม่ ๆ เพื่อจัดลำดับเบสของนิวคลีโอไทด์ได้รวดเร็วและถูกกว่าที่เคยเป็นมา เครื่องจัดลำดับดีเอ็นเอสามารถจัดการกับดีเอ็นเอขนาดใหญ่ได้อย่างง่ายดาย อันที่จริง จีโนมทั้งหมดสามารถทำได้ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง แทนที่จะใช้เวลาหลายปีด้วยเทคนิคการจัดลำดับของแซงเจอร์

วิธีการหาลำดับยุคต่อไปสามารถจัดการกับการวิเคราะห์ DNA ในปริมาณมากโดยไม่ต้องเพิ่มขั้นตอนของการขยายหรือการโคลนเพื่อให้ได้ DNA ที่เพียงพอสำหรับการจัดลำดับ เครื่องหาลำดับดีเอ็นเอทำงานปฏิกิริยาการหาลำดับหลายครั้งในคราวเดียว ซึ่งมีราคาถูกและเร็วกว่า

โดยพื้นฐานแล้ว เทคโนโลยีการหาลำดับดีเอ็นเอแบบใหม่จะรันปฏิกิริยาของ Sanger หลายร้อยตัวบนไมโครชิปขนาดเล็กที่อ่านง่าย จากนั้นจึงเรียกใช้ผ่านโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่ประกอบลำดับ

เทคนิคนี้อ่านชิ้นส่วน DNA ที่สั้นกว่า แต่ก็ยังเร็วกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการจัดลำดับของ Sanger ดังนั้นแม้แต่โครงการขนาดใหญ่ก็สามารถทำได้อย่างรวดเร็ว

โครงการจีโนมมนุษย์เสร็จสมบูรณ์ในปี พ.ศ. 2546 เป็นหนึ่งในการศึกษาเกี่ยวกับการจัดลำดับที่มีชื่อเสียงที่สุดจนถึงปัจจุบัน ตามบทความ 2018 ใน 2018 ข่าววิทยาศาสตร์, จีโนมมนุษย์ประกอบด้วยประมาณ 46,831 ยีนซึ่งเป็นความท้าทายอย่างมากในการจัดลำดับ นักวิทยาศาสตร์ชั้นนำจากทั่วโลกใช้เวลาเกือบ 10 ปีในการทำงานร่วมกันและให้คำปรึกษา นำโดยการวิจัยจีโนมมนุษย์แห่งชาติ

สถาบัน โครงการนี้ประสบความสำเร็จในการทำแผนที่จีโนมมนุษย์โดยใช้ตัวอย่างประกอบที่นำมาจากผู้บริจาคโลหิตที่ไม่ระบุชื่อ

โครงการจีโนมมนุษย์อาศัยวิธีการจัดลำดับโครโมโซมเทียมจากแบคทีเรีย (BAC-based) เพื่อสร้างแผนที่คู่เบส เทคนิคนี้ใช้แบคทีเรียในการโคลนชิ้นส่วน DNA ส่งผลให้มี DNA จำนวนมากสำหรับการจัดลำดับ จากนั้น โคลนจะถูกลดขนาดลง วางในเครื่องจัดลำดับและประกอบเป็นเส้นที่เป็นตัวแทนของ DNA ของมนุษย์

การค้นพบใหม่ในจีโนมกำลังเปลี่ยนแปลงวิธีการป้องกัน ตรวจหา และรักษาโรคอย่างลึกซึ้ง รัฐบาลทุ่มงบประมาณหลายพันล้านดอลลาร์เพื่อการวิจัยดีเอ็นเอ การบังคับใช้กฎหมายอาศัยการวิเคราะห์ดีเอ็นเอเพื่อไขคดี สามารถซื้อชุดตรวจดีเอ็นเอสำหรับใช้ในบ้านเพื่อวิจัยบรรพบุรุษและระบุตัวแปรของยีนที่อาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพ:

• การวิเคราะห์จีโนม นำมาซึ่งการเปรียบเทียบและเปรียบเทียบลำดับจีโนมของสปีชีส์ต่าง ๆ มากมายในโดเมนและอาณาจักรแห่งชีวิต การจัดลำดับดีเอ็นเอสามารถเปิดเผยรูปแบบทางพันธุกรรมที่ก่อให้เกิดความกระจ่างใหม่เมื่อมีการแนะนำลำดับบางอย่างวิวัฒนาการ บรรพบุรุษและการย้ายถิ่นสามารถตรวจสอบได้ผ่านการวิเคราะห์ดีเอ็นเอและเปรียบเทียบกับบันทึกทางประวัติศาสตร์

• ความก้าวหน้าทางการแพทย์ กำลังเกิดขึ้นในอัตราเลขชี้กำลังเพราะแทบทุกโรคในมนุษย์มีองค์ประกอบทางพันธุกรรม การจัดลำดับดีเอ็นเอช่วยให้นักวิทยาศาสตร์และแพทย์เข้าใจว่ายีนหลายตัวมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันและสิ่งแวดล้อมอย่างไร การจัดลำดับ DNA ของจุลินทรีย์ชนิดใหม่ที่ทำให้เกิดการระบาดของโรคได้อย่างรวดเร็วสามารถช่วยระบุยาและวัคซีนที่มีประสิทธิภาพก่อนที่ปัญหาจะกลายเป็นปัญหาด้านสาธารณสุขที่ร้ายแรง ตัวแปรของยีนในเซลล์มะเร็งและเนื้องอกสามารถจัดลำดับและใช้ในการพัฒนาการบำบัดด้วยยีนเฉพาะบุคคล

• นิติวิทยาศาสตร์ มีการใช้แอปพลิเคชันเพื่อช่วยบังคับใช้กฎหมายในการถอดรหัสคดียากนับพันคดีตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1980 ตามรายงานของ สถาบันยุติธรรมแห่งชาติ. หลักฐานที่เกิดเหตุอาจมีตัวอย่าง DNA จากกระดูก ผม หรือเนื้อเยื่อของร่างกายที่สามารถนำมาเปรียบเทียบกับโปรไฟล์ DNA ของผู้ต้องสงสัยเพื่อช่วยระบุความผิดหรือความบริสุทธิ์ ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PCR) เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการทำสำเนาดีเอ็นเอจากหลักฐานการติดตามก่อนการจัดลำดับ

• การจัดลำดับสายพันธุ์ที่ค้นพบใหม่ สามารถช่วยระบุว่าสปีชีส์อื่นใดที่เกี่ยวข้องกันมากที่สุดและเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับวิวัฒนาการ นักอนุกรมวิธานใช้ "บาร์โค้ด" ของ DNA เพื่อจำแนกสิ่งมีชีวิต ให้เป็นไปตาม มหาวิทยาลัยจอร์เจีย ในเดือนพฤษภาคม 2018 มีสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมประมาณ 303 สายพันธุ์ที่ยังไม่ถูกค้นพบ

• การตรวจโรคทางพันธุกรรม มองหายีนที่กลายพันธุ์ ส่วนใหญ่เป็น single nucleotide polymorphisms (SNPs) ซึ่งหมายความว่ามีนิวคลีโอไทด์เพียงตัวเดียวในลำดับที่เปลี่ยนจากเวอร์ชัน "ปกติ" ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมและวิถีชีวิตส่งผลต่อวิธีและการแสดงออกของยีนบางตัว บริษัทระดับโลกนำเสนอเทคโนโลยีการจัดลำดับรุ่นใหม่ที่ทันสมัยสำหรับนักวิจัยทั่วโลกที่สนใจในการปฏิสัมพันธ์แบบหลายยีนและการจัดลำดับทั้งจีโนม

• ชุด DNA ลำดับวงศ์ตระกูล ใช้ลำดับดีเอ็นเอในฐานข้อมูลเพื่อตรวจสอบตัวแปรในยีนของแต่ละบุคคล ชุดนี้ต้องใช้ตัวอย่างน้ำลายหรือไม้กวาดแก้มที่ส่งไปยังห้องปฏิบัติการเชิงพาณิชย์เพื่อทำการวิเคราะห์ นอกเหนือจากข้อมูลบรรพบุรุษแล้ว ชุดอุปกรณ์บางชุดสามารถระบุ single nucleotide polymorphisms (SNPs) หรืออื่นๆ ตัวแปรทางพันธุกรรมที่รู้จักกันดี เช่น ยีน BRCA1 และ BRCA2 ที่สัมพันธ์กับความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้นสำหรับเต้านมของสตรีและ มะเร็งรังไข่

เทคโนโลยีใหม่ๆ มักจะมาพร้อมกับความเป็นไปได้ของผลประโยชน์ทางสังคม เช่นเดียวกับอันตราย ตัวอย่างรวมถึงความล้มเหลวของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ที่มีอำนาจทำลายล้างสูง เทคโนโลยีดีเอ็นเอก็มีความเสี่ยงเช่นกัน

ความกังวลทางอารมณ์เกี่ยวกับการจัดลำดับดีเอ็นเอและเครื่องมือแก้ไขยีน เช่น CRISPR รวมถึงความกลัวว่า เทคโนโลยีอาจอำนวยความสะดวกในการโคลนนิ่งมนุษย์ หรือนำไปสู่สัตว์แปลงพันธุ์กลายพันธุ์ที่สร้างขึ้นโดยคนโกง นักวิทยาศาสตร์

บ่อยครั้ง ประเด็นด้านจริยธรรมที่เกี่ยวข้องกับการจัดลำดับ DNA นั้นเกี่ยวข้องกับการรับทราบและยินยอม การเข้าถึงการทดสอบ DNA โดยตรงกับผู้บริโภคอย่างง่ายดายหมายความว่าผู้บริโภคอาจไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าข้อมูลทางพันธุกรรมของพวกเขาจะถูกใช้ จัดเก็บ และแบ่งปันอย่างไร ฆราวาสอาจไม่พร้อมทางอารมณ์ที่จะเรียนรู้เกี่ยวกับความแปรปรวนของยีนที่บกพร่องและความเสี่ยงต่อสุขภาพ

บุคคลที่สาม เช่น นายจ้างและบริษัทประกันภัยอาจเลือกปฏิบัติต่อบุคคลที่มียีนบกพร่องซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาทางการแพทย์ร้ายแรง