DNA นี้ มีคุณสมบัติเพียงพอที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้หรือไม่ ซึ่งการที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้นั้นย่อมต้องมีคุณสมบัติสำคัญ
การสังเคราะห์ DNA
เมื่อวอตสันและคริกคิดโครงสร้างทางเคมีของ DNA ขึ้นแล้ว งานขั้นต่อไปก็คือการพิสูจน์และทดสอบว่าโครงสร้างของ DNA นี้ มีคุณสมบัติเพียงพอที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้หรือไม่ ซึ่งการที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้นั้นย่อมต้องมีคุณสมบัติสำคัญ คือ
1. ต้องสามารถแบ่งตัวเอง ได้โดยมีลักษณะเหมือนเดิมเพื่อทำให้มีการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกได้
2. สามารถควบคุมให้เซลล์สังเคราะห์สารต่าง ๆ เพื่อแสดงลักษณะทางพันธุกรรมให้ปรากฏ
3. ต้องสามารถเปลี่ยนแปลงได้บ้าง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นอาจก่อให้เกิดลักษณะทางพันธุกรรมที่ผิดแผกแตกต่างไปจากเดิมและเป็นช่องทางให้เกิดสิ่งมีชีวิตพันธุ์ใหม่ ๆ ขึ้น
อีก 10 ปี ต่อมาหลังจากที่วอตสันและคริกได้คิดโครงสร้างของ DNA ขึ้น จึงสามารถพิสูจน์ได้ว่า DNA มีคุณสมบัติที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้ วอตสันและคริกจึงได้รับรางวัลโนเบลด้วยผลงานการค้นพบโครงสร้างของ DNA ในปี พ.ศ. 2505 นับว่าเป็นผู้เปิดศักราชใหม่ให้แก่ความรู้ด้านพันธุศาสตร์ และการศึกษาค้นคว้าในระดับโมเลบกุลต่อไป
วอตสันและคลิกเสนอโครงสร้างของ DNA ว่าเป็นพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายพันกันเป็นเกลียวซึ่งโครงสร้างตามแบบจำลองนี้นำไปสู่การเสนอกลไกพื้นฐานของการสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองตัวเองของ DNA โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้พยากรณ์กลไกการจำอลง DNA ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร
ในปี พ.ศ. 2496 วอตสันและคลิกได้พิมพ์บทความพยากรณ์การจำลองตัวเองของ DNA ไว้ว่า ในการจำลองตัวเองของ DNA พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย แยกออกจากันเหมือนการรูดซิป โดยการสลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบส A กับ T และเบส C กับ G ทีละคู่ พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์สำหรับการสร้างสายใหม่ มีการนำนิวคลีโอไทด์อิสระที่อยู่ในเซลล์เข้ามาจับกับพอลินิวคลีโอไทด์สายเดิม โดยเบส A จับกับ T และเบส C จับกับ G หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์อิสระจับกับน้ำตาลดีออกซีไรโบสของนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ถัดไป ทำให้ DNA ที่สังเคราะห์ใหม่เหมือนกับ DNA โมเลกุลเดิมทุกประการ การสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองตัวเองของ DNA โดยวิธีการนี้เรียกว่า DNA เรพลิเคชัน (DNA replication) ทำให้มีการเพิ่มโมเลกุลของ DNA จาก 1 โมเลกุลเป็น 2 โมเลกุล DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์ สายเดิม 1 สาย และสายใหม่ 1 สาย จึงเรียกวิธีการจำลองแบบนี้ว่าเป็น แบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative) ดังภาพที่ 6-1
ภาพที่ 6-1 DNA เรพลิเคชัน
(ที่มา : https://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/library/cat-removed/dna_rep.gif )
ตามแนวคิดเกี่ยวกับการจำลอง DNA ที่วอตสันและคลิกเสนอนั้นเป็นเพียงสมมติฐาน แต่ในปี
พ.ศ. 2499 อาร์เธอร์ คอร์นเบิร์ก (Arther Kornberg) นักชีวเคมีชาวอเมริกันเป็นคนแรกที่สามารถสังเคราะห์ DNA ในหลอดทดลองได้สำเร็จโดยนำเอาเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส (DNA polymerase) ซึ่งสกัดจากแบคทีเรีย E. coli ใส่ในหลอดทดลองที่มีสารสังเคราะห์สมบูรณ์ ได้แก่ DNA แม่พิมพ์ นิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด ที่มีเบส A T C และเบส G เอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมนิวคลีโอไทด์ให้ต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย DNA สายใหม่ จากปลาย 5/ ไปยังปลาย 3 /
ปัญหา คือ จะพิสูจน์อย่างไรว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้นั้น เหมือนกับ DNA แม่พิมพ์ที่ใส่ในหลอดทดลอง
จากผลการทดลองของคอนเบิร์ก ดังตารางที่ 6.1
ตารางที่ 6.1 อัตราส่วนของเบสใน DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลองและ DNA แม่พิมพ์
| สิ่งมีชีวิตที่นำ DNA มาเป็นแม่พิมพ์ | ปริมาณใน DNA ที่ได้ | อัตราส่วนของในDNAที่สังเคราะห์ได้ | อัตาส่วนของใน DNA ที่เป็นแม่พิมพ์ | |||
| A | T | C | G | |||
| แบคทีเรีย Micrococcus lysodelikicus | 0.15 | 0.15 | 0.35 | 0.35 | 0.41 | 0.39 |
| แบคทีเรีย Aerobacter aerogenes | 0.22 | 0.22 | 0.28 | 0.28 | 0.80 | 0.82 |
| แบคทีเรีย Escherichai coli | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.28 | 1.00 | 0.97 |
| วัว (เซลล์จากต่อมไทมัส) | 0.29 | 0.28 | 0.21 | 0.22 | 1.32 | 1.35 |
| ไวรัส (phageT) | 0.32 | 0.32 | 0.18 | 0.18 | 1.78 | 1.84 |
-
จากข้อมูลนี้สามารถบอกอะไรแก่เราได้บ้าง
คำตอบ วนของ (A+T)/(C+G) ใน DNA ที่สังเคราะห์ได้กับอัตราส่วนของ (A+T)/(C+G) ใน DNA แม่พิมพ์มีอัตราส่วนใกล้เคียงกัน เป็นไปได้ว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้น่าจะมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับ DNA ที่เป็นแม่พิมพ์
จากผลการทดลองพบว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลอง มีอัตราส่วนของเบส A+T ต่อ C+G แทบจะกล่าวได้ว่าเท่ากัน อัตราส่วนดังกล่าวไม่ใช่เป็นความบังเอิญ เพราะได้ผลการทดลองเป็นเช่นนี้เสมอไม่ว่าจะใช้ DNA ของสิ่งมีชีวิตชนิดใดเป็นแม่พิมพ์ก็ตาม
การค้นพบเอนไซม์ที่ใช้ในการเชื่อมนิวคลีโอไทด์เข้าด้วยกันในครั้งนั้นนับว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในประวัติศาสตร์ของพันธุศาสตร์ เพราะเท่ากับว่านักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่า การสังเคราะห์ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ในหลอดทดลองโดยไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นในภายในเซลล์ การสังเคราะห์ DNA จึงเกิดขึ้นได้เช่นเดียวกับปฏิกิริยาเคมีโดยทั่วไป
ต่อมานักชีวเคมีจึงได้สรุปว่า การสังเคราะห์ DNA ทั้งภายในและภายนอกเซลล์จะเริ่มต้นจากการที่สายพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย ของ DNA ต้นแบบ แยกห่างออกจากกันเพื่อเปิดช่องให้นิวคลีโอไทด์ที่เป็นวัตถุดิบได้เข้าไปจับคู่กับเบสของนิวคลีโอไทด์ที่มีอยู่แล้วในสายเดิม โดย A คู่กับ T และ C คู่กับ G นิวคลีโอไทด์ที่เข้าไปใหม่นี้จะเชื่อมติดกันโดยการทำงานของเอนไซม์ ซึ่งจะเริ่มจากปลาย 5´ ไปยังปลาย 3´ ดังนั้น DNA ที่เป็นต้นแบบ 1 โมเลกุลจะให้ DNA จากการสังเคราะห์ 2 โมเลกุล ซึ่งแต่ละโมเลกุลประกอบด้วยสายพอลินิวคลีโอไทด์เดิม 1 สาย และสายพอลินิวคลีโอไทด์ใหม่ 1 สาย การสังเคราะห์ DNA นี้เรียกว่า ดีเอ็นเอ เรพลิเคชัน (DNA replication) DNA โมเลกุลใหม่จะมีสายพอลินิวคลีโอไทด์เดิม 1 สาย และสายพอลินิวคลีโอไทด์ใหม่ 1 สาย
ภาพที่ 6-2 ดีเอ็นเอ เรพลิเคชัน (คลิกดูภาพ DNA replication)
(ที่มา : https://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/library/cat-removed/dna_rep.gif )
การสังเคราะห์ DNA ในลักษณะนี้สามารถรักษาลำดับของนิวคลีโอไทด์ไว้ได้อย่างเดิม เช่นเดียวกับ DNA ที่เป็นต้นแบบ DNA จึงเหมาะสมที่จะเป็นสารพันธุกรรมโดยมีลำดับนิวคลีโอไทด์เป็นเสมือนรหัสพันธุกรรมที่สามารถถ่ายทอดให้แก่เซลล์ลูกหลานต่อไปได้
คำถาม การสังเคราะห์ DNA สายใหม่ทั้ง 2 สาย จะเหมือนกันหรือไม่
จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ พบว่าการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ 2 สายมีส่วนที่แตกต่างกัน คือ สายหนึ่งจะสร้างต่อเนื่องกันเป็นสายยาว เรียกสายนี้ว่า ลีดดิงสแตรนด์ (leading strand) ส่วนสายใหม่อีกสายหนึ่งไม่สามารถสร้างวต่อกันเป็นสายยาวได้เหมือนสายแรก เนื่องจากทิศทางการสร้างจากปลาย 5/ไปยังปลาย 3/ นั้นสวนทางกับทิศทางการคลายเกลียวของ DNA โมเลกุลเดิม จึงสร้างพอลินิวคลีโอไทด์สายสั้น ๆ มีทิศทางจากปลาย 5/ ไปยังปลาย 3/ จากนั้นเอนไซม์ไลเกส (ligase) จะเชื่อมต่อสายสั้น ๆ เหล่านี้ให้เป็นสายเดียวกัน เรียกสาย DNA ที่ถูกสร้างขึ้นเป็นสายสั้น ๆ ว่า แลกกิงสแตรนส์ (lagging strand) ดังภาพที่ 6-3
(ที่มา : https://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/library/cat-removed/dna_rep.gif )
ที่มา : https://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&id=790