นักวิทยาศาสตร์พบวิธีแฮ็กรหัสแห่งชีวิต

By: terminus
Writer
on Sun, 17/07/2011 - 23:52

ข้อมูลพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตบนโลกนี้ถูกเก็บอยู่ในรูปของรหัสเบส 3 ตัวอักษรบนสาย DNA หรือ RNA ที่เรียกกันว่า "codon" โดยแต่ละ codon ก็จะแทนความหมายถึงกรดอะมิโนตามธรรมชาติทั้ง 20 ตัว ลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตก็ถูกบงการโดยโปรตีนที่ถอดรหัสมาจากรหัสเหล่านี้

ในทุกวันนี้ สิ่งที่พันธุวิศวกรรมทำก็เพียงแค่ตัดต่อหรือเพิ่มลดยีนเท่านั้น การแปลรหัสยังคงอยู่บนพื้นฐานตามธรรมชาติ แต่ทีมวิจัยที่นำโดย Farren Isaacs แห่ง Yale University ได้คิดค้นเทคนิคใหม่ในการ "แฮ็ก" รหัสแห่งชีวิตที่เปิดช่องทางให้การแปลรหัสรูปแบบใหม่และอาจจะนำไปสู่การผลิตโปรตีนจากกรดอะมิโนสังเคราะห์ที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ

กรดอะมิโนหนึ่งตัวอาจแทนได้ด้วยรหัส codon หลายรหัส ซึ่งเราเรียกลักษณะแบบนี้ว่า "codon redundancy" (กรุณาอ่านบทความไขปริศนากำเนิดรหัสแห่งชีวิตเพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น) สิ่งที่ทีมของ Farren Isaacs ทำก็คือ การเอารหัสที่แทนความหมายเดียวกันออกไปซักหนึ่งตัว

ฟังแล้วอาจจะคิดว่าเป็นเรื่องง่ายๆ แต่ผมยืนยันว่าการเอารหัส codon ตัวหนึ่งออกจากทั้งจีโนมนั้นไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย!

ดังนั้นเพื่อให้ชีวิตง่ายขึ้นหน่อย ทีมของ Farren Isaacs จึงเลือกที่จะเอารหัส TAG ซึ่งเป็น "รหัสหยุด" (stop codon) ออก เพราะรหัสหยุดไม่ได้มีความหมายแทนกรดอะมิโนตัวใด แต่ใช้เป็นสัญญาณให้รู้ว่าการสร้างโปรตีนสิ้นสุดตรงจุดนั้นจุดนี้ รหัสหยุดยังมีอีกสองตัวที่ทำหน้าที่เดียวกัน คือ TAA และ TGA ดังนั้นงานของนักวิจัยก็คือหาทางเอา TAA เข้าไปแทน TAG ให้หมด (ผมไม่แน่ใจว่าทำไมพวกเขาเลือกเอา TAA เข้าแทนนะครับ แต่เดาว่ามันคงสังเคราะห์ง่ายกว่า)

ขั้นตอนแรก พวกเขาใช้กระแสไฟฟ้าเปิดช่องบนเยื่อหุ้มเซลล์ของแบคทีเรีย E. coli แล้วยัด DNA ที่มีรหัส TAA กับเอนไซม์ของไวรัสเข้าไป เพื่อให้ TAA เข้าแทนที่ TAG หลายจุดพร้อมกัน เทคนิคนี้เรียกว่า multiplex automated genome engineering (MAGE) ซึ่งเพิ่งถูกคิดค้นในปี 2009 นี้เอง

จากนั้นก็นำแบคทีเรียที่รอดชีวิตมาคัดเลือกเอาแต่สายพันธุ์ที่มี TAA เข้าไปแทน TAG อย่างต่ำ 10 จุด (เป็นไปไม่ได้อยู่แล้วที่ TAA จะเข้าไปแทน TAG ทั้ง 314 จุดบนจีโนมของ E. coli ในคราวเดียว) ทีมของพวกเขาคัดแบคทีเรียในขั้นแรกนี้มาได้ 32 สายพันธุ์ แต่ละสายพันธุ์ก็มีจุดที่ถูกแทนที่แตกต่างกันไป

ขั้นตอนที่สอง นักวิจัยเอาแบคทีเรียที่เลือกไว้แล้วมาจับคู่ผสมพันธุ์กันในแบบที่เรียกว่า conjugation เพื่อให้แบคทีเรียสองสายพันธุ์แลกเปลี่ยนสารพันธุกรรมระหว่างกัน เมื่อปล่อยให้พวกแบคทีเรียผสมกันไปเรื่อยๆ ในที่สุดก็จะได้แบคทีเรียสายพันธุ์ที่ตำแหน่ง TAG เกือบทุกตำแหน่งถูกแทนที่ด้วย TAA เทคนิคใหม่ล่าสุดนี้ Farren Isaacs ตั้งชื่อว่า conjugative assembly genome engineering (CAGE)

เพียงเท่านี้ เราก็จะได้แบคทีเรีย E. coli ที่ไม่มีรหัส TAG บนจีโนม ส่งผลให้หน้าที่ของ TAG บนแบคทีเรียสายพันธุ์นี้ว่างไปโดยปริยาย ฉะนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็สามารถมอบหมายงานใหม่ให้กับรหัส TAG ได้ เช่น อาจจะ "แก้โปรแกรม" ของแบคทีเรียให้ TAG มีความหมายแทนกรดอะมิโนสังเคราะห์สักตัว (ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถทำเรื่องดังกล่าวได้แล้ว ทุกวันนี้ก็คือรอหาช่องให้มีรหัสว่างๆ มารับงานไปนี่แหละ)

เทคนิคของทีม Farren Isaacs ใช้เวลาเพียง 5 สัปดาห์ในการทำให้ TAG ตกงาน ซึ่งจะว่าไปก็ต้องนับว่าเร็วกว่าการสร้างจีโนมทั้งอันขึ้นมาใหม่อยู่มาก แถมยังเปลืองเงินน้อยกว่าด้วย

แผนการในอนาคตของ Farren Isaacs คือการปลดตำแหน่งรหัสของกรดอะมิโนอื่นๆ ที่มีรหัสอีกตัว (หรือมากกว่า) ทำหน้าที่แทนกันได้ ตอนนี้เป้าหมายในใจของทีม Farren Isaacs มีรหัสที่สมควรออกมาหางานใหม่ได้แล้วอีกประมาณ 12 รหัส

ที่มา - New Scientist, Ars Technica, Nature News, PhysOrg, MIT News, Popular Science

*หมายเหตุ: หลายคนอาจจะงงว่าทำไมบทความ genetic code ใน Wikipedia ถึงบอกว่า "รหัสหยุด" คือ UAA, UGA, UAG แต่ในข่าวนี้ผมกลับเขียนเป็น TAA, TGA, TAG

เหตุผลคือว่า รหัสที่เห็นใน Wikipedia เป็นลำดับเบสที่อยู่บน mRNA ส่วนรหัสในข่าวนี้เป็นเบสบน DNA และเนื่องจากสาย RNA มีแต่เบส uracil (U) ไม่มีเบส thymine (T) ดังนั้นจะเป็น U หรือ T ก็มีความหมายถึง codon เดียวกัน ต่างแค่ว่าอยู่บน tRNA หรือ DNA

18 Comments

HMage's picture

ขั้นตอนที่ 2 ที่ให้แบคทีเรียจับคู่กันแล้วคัดเอาตัวที่ใกล้เป้าหมายขึ้นเรื่อยๆ นี่มันเหมือนใน Genetic Algorithm ในวิชา A.I. ชัดๆ เลยนี่ครับ เรียกได้ว่าถูกนำกลับมาใช้ที่ต้นกำเนิดอีกครั้งเลยนะเนี่ย

hisoft's picture

อ่านคร่าว ๆ แล้วพอเข้าใจแต่ยังสนใจอยู่ ด้วยสภาพ ณ เวลาปัจจุบันไม่สามารถที่จะดึงรายละเอียดใส่สมองได้มากกว่านี้อีกแล้ว ขอตัวอ่านวันหลังแทนแล้วกันนะครับ T-T สงสัยต้องไปนอนพักผ่อนเสียแล้ว

The Phantom Thief

EThaiZone's picture

ทดสอบกับแบคทีเรีย ก็อาจเป็นได้ 2 อย่าง
- แบคทีเรียที่ทำให้สิ่งมีชีวิตเป็นซอมบี้ (เป็นพาหะ)
- แบคทีเรียที่กลายเป็นซอมบี้ (กินสิ่งมีชีวิตได้)

O_o

hisoft's picture

มีแวว เริ่มติดรั้วกันซอมบี้ก่อนเลยดีกว่า

The Phantom Thief

hisoft's picture

ออกเมล็ดแล้วผมขอบ้างนะครับ เก็บพระอาทิตย์รออยู่ >_<

The Phantom Thief

mementototem's picture

โอ้ว มุกชุดนี้

อย่าลืมซื้อเครื่องตัดหญ้าล่ะ เผื่อผิดพลาด

neizod's picture

แต่ก่อนอื่น ต้องย้ายบ้านไปอยู่กับเพื่อนบ้านที่เอากระทะมาเป็นหมวกสินะ

PaPaSEK's picture

อาห์... ในที่สุดเราก็ขายวิญญาณให้กับปีศาจที่ชื่อ "วิทยาศาตร์", ดร.คิชิวาดะ

punchhole's picture

คิดว่าที่เลือกเอา TAG ออกเพราะมันเอาออกง่ายที่สุด เนื่องจากเป็น codon ที่มีความถี่ในการใช้ต่ำที่สุด
ความถี่ของ codon TAA ใน E. coli = 0.2%
ของ TAG = 0.03%
ของ TGA = 0.1%
ในเมื่อมันมีอยู่น้อย จะเอาออกให้หมดก็ง่ายกว่าไปเอาอะไรที่ใน 100 codon จะเจอซะ 10-20 ตัวแน่นอน
ส่วนที่ว่าทำไมเลือกให้เป็น TAA แทนที่จะเป็น TGA ก็ไม่รู้เหมือนกัน เขาอาจจะทำทั้งสองตัวแล้วเลือกอันที่ได้ผลดีกว่า หรือเลือก TAA จากความถี่สูงสุด หรือต้องการให้ตัวแรกกับตัวที่สองของ codon เหมือนกันไว้ก่อน

จะว่าสิ่งที่กลุ่มนี้เขาทำกันเป็นเรื่องผิดธรรมชาติก็ไม่เชิง เพราะในธรรมชาติก็มีแบคทีเรียที่เอา stop codon ไปเปลี่ยนเป็น codon สำหรับกรดอะมิโน "แปลกๆ" อยู่แล้ว เช่นแบคทีเรียในกลุ่ม methanogenic (พบได้ในลำไส้ โคลนใต้ทะเล และบ่อน้ำร้อน) ใช้ stop codon TGA สำหรับแปลเป็น selenocysteine ซึ่งถือว่าเป็น "กรดอะมิโนแปลกๆ" ชนิดหนึ่ง

ส่วนตัวแล้วไม่รู้สึกว่าเป็นเรื่องตื่นเต้นเท่าไหร่ มันคงเป็นข่าวได้เพราะทำได้ภายในเวลาแค่เดือนเดียวมั้ง

Nozomi's picture

เดี่ยวนะเอก ช่วยขยายความหน่อย งง หว่ะ !!!

รหัสบน DNA เนี่ย มันจะหยุด หรือไม่หยุดมันขึ้นกับตัวอ่านไม่ใช่หรอ ว่าไปเจอโค๊ดอะไร ...
ถ้า ribosome มันอ่านไปเจอ stop codon ที่ถูกแทนที่ มันก็ต้องตีความว่าเป็น Stop codon แล้วหยุดการสร้างสายโปรตีนอยู่ดีไม่ใช่หรอ ... หรือ เรา งง อะไรฟร่ะ

punchhole's picture

เหตุผลที่การสร้างสายโปรตีนหยุดทันทีที่ ribosome เลื่อนมาอ่านเจอ stop codon เป็นเพราะไม่มี tRNA ที่อ่าน codon นั้นได้

หากเป็น codon อื่นๆ จะมี tRNA ที่จับคู่กับ codon ดังกล่าวได้
ตัวอย่างเช่น codon สำหรับกรดอะมิโน methionine ของ E. coli คือ ATG
รอบๆ บริเวณที่ ribosome กำลังอ่านโค้ดอยู่นั้นจะมี tRNA หลายชนิดลอยเท้งเต้งอยู่ หนึ่งในนั้นคือ tRNA ที่ปลายข้างหนึ่งถือกรดอะมิโน methionine ไว้ และปลายอีกข้างมีรหัส TAC ซึ่งเข้าคู่กับ codon ATG ได้
tRNA ที่ถือ methionine ก็จะเข้าไปในช่องอ่านโค้ดของ ribosome รหัส TAC ยืนยันคู่กับ ATG แล้ว ribosome ก็จะดึง methionine ที่ tRNA ถืออยู่ออกไปเชื่อมกับสายโปรตีน จากนั้น tRNA เปล่าๆ ก็จะหลุดออกจากช่องใน ribosome
จะมองว่า tRNA เป็นอะแดปเตอร์สำหรับแปลงจาก DNA เป็นกรดอะมิโนก็ได้

แต่ stop codon คือ codon ที่ไม่มี tRNA ชนิดไหนอ่านได้ ดังนั้นเมื่อ ribosome เลื่อนมาอ่านเจอ stop codon ก็จะไม่มี tRNA ใดๆ เข้ามา การอ่านก็จะหยุดชะงัก และอาการชะงักนี้ก็ทำให้จบการสร้างสายโปรตีน

สิ่งที่กลุ่มนี้เขาทำก็คือ เปลี่ยนจาก stop codon ตัวหนึ่งไปเป็นอีกตัวหนึ่งเฉยๆ ดังนั้นผลลัพธ์ก็ยังคงเหมือนเดิม การสร้างสายโปรตีนก็ยังจบที่เดิมไม่มีอะไรเปลี่ยน
กลุ่มนี้เขามองว่า stop codon มีตั้งสามตัว (TAA, TAG, TGA) แถมตัวนึงก็ไม่ค่อยได้ใช้เสียด้วย แทนที่จะให้มันเป็น stop codon ต่อไปก็แอบแก้ให้มันเป็นคำสั่งสำหรับทำอย่างอื่นดีกว่า
ดังนั้นขั้นแรกคือยกเลิกการใช้ TAG เป็น stop codon ให้หมด ตรงไหนมี TAG ก็เปลี่ยนเป็น TAA ซะ ซึ่งแค่นี้ก็ยากระดับเวิลด์คลาสแล้ว
ขั้นต่อไป บางทีเขาอาจจะต้องสร้าง tRNA สำหรับอ่าน TAG codon ขึ้นมาเอง (อาจจะไปก๊อปตัวอย่างมาจากแบคทีเรียชนิดอื่นที่มี tRNA สำหรับอ่าน TAG codon) และทำให้มันโยงกับกรดอะมิโนแปลกๆ ที่ต้องการ เอามันใส่เข้าไปใน E. coli
สุดท้ายก็ใส่เส้น dna ที่โค้ดรหัสสำหรับโปรตีนที่ต้องการไว้ ตรงไหนที่อยากให้มีกรดอะมิโนแปลกๆ ก็แทรก TAG เข้าไป เท่านี้ E. coli ก็สังเคราะห์โปรตีนแบบที่คนต้องการได้แล้ว

กลไกการแปลงจาก dna เป็นโปรตีนไม่ได้เป็นอย่างที่อธิบายไว้ข้างบนซะทีเดียว แต่เพื่อความสะดวกและไม่อีรุงตุงนังเกินไปจะละไว้แค่นี้