กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ โรงเรียนหนองหว้าพิทยาสรรค์

พันธุศาสตร์และเทคโนโลยีทางดีเอ็นเอ

ผู้จัดท ำ นำงสำวณิชัชฌำ อำโยวงษ์

ภาพจาก: http://geneticsm6.wordpress.com/

รายวิชา พันธุศาสตร์และวิวัฒนาการ

ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6

1. อธิบายความก้าวหน้าของเทคโนโลยีชีวภาพที่ใช้ในการขยายพนัธุ์และปรับปรุงพันธุ์ เพื่อเพิ่มผลผลติของสัตว์ได ้

2. ยกตัวอย่างการใช้ประโยชน์และผลการใช้เทคโนโลยีชีวภาพในด้านการเกษตร อุตสาหกรรม อาหาร และการแพทย์ได ้

3. อธิบายความหมายของพันธุวศิวกรรมได้ บอกประโยชน์ของสิ่งมชีีวิตที่ได้จากการเปลี่ยนถ่ายหน่วยพันธุกรรม (GMOs) ได้

4. อธิบายความหมายและตัวอย่างการโคลนได ้

5. ใช้หลักการของเทคนิคเจลอเิล็กโทรโฟรซีสี พีซีอาร ์ และสมบัติของเอนไซม์ตักจ าเพาะ เพื่อพสิูจน์บุคคลได ้

เทคโนโลยีชีวภาพ

เทคโนโลยีทีน่ าเอาความรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์ มาประยุกตใ์ช้กับสิ่งมีชวีิต หรือชิ้นส่วนสิ่งมีชวีิต หรอืผลิตผลของสิ่งมีชีวิต

ประโยชน์ต่อมนุษย์

การเกษตร อาหาร สิ่งแวดล้อม การแพทย์

Biotechnology

เทคโนโลยีชีวภาพ

1. พันธุวิศวกรรม (Genetic engineering)

Biotechnology

2. การโคลนยีน (Gene Cloning)

3. การวิเคราะห์ DNA และการศึกษาจีโนม

4. การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีของ DNA

พันธุวิศวกรรม

เทคโนโลยีทีท่ าการเคลื่อนย้ายยีน จากสิ่งมีชีวิตพันธุ์หนึ่ง ไปสู่สิ่งมีชวีิตอกีพันธุ์หนึ่ง

สิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่ (novel)

Genetic engineering

Living modified organisms: LMOs

Genetically modified organisms

การใช้เทคโนโลยีตัดต่อยีน (DNA)

หลักการของพันธวุิศวกรรม

ตัด เอนไซม์ตัดจ าเพาะ (Restriction Enzyme)

หลักการของพันธวุิศวกรรม

เชื่อมต่อชิ้น DNA เข้าไปในพาหะ พาหะ= แบคทีเรีย

ได้ DNA พาหะ หรือ เวกเตอร์

เอนไซม์เชื่อมต่อ = ไลเกส

DNA พาหะ หรือ เวกเตอร ์

= แบคทีเรียที่มี DNA ของตัวเอง + DNA ที่ต้องการ

Halmilton Smith

หลักการตั้งชื่อเอนไซม์ตัดจ าเพาะ (Restriction Enzyme)

อักษรตัวแรกของชื่อจีนัสรวมกับ อักษรสองตัวแรกของสปีชีส์

ตามด้วยชื่อสายพันธุ์ (ถ้าเอนไซม์มีมากกว่า 1 ชนิด

ตัวเลขโรมัน

Halmilton Smith

หลักการตั้งชื่อเอนไซม์ตัดจ าเพาะ (Restriction Enzyme)

ตัวอย่าง Escherrichia coli Ry13

ECoR = E.coli R

R คือ สายพันธุ์ RY13 คือ ล าดับที่พบเอนไซม์

ถ้าสิ่งมีชวีิตมีชื่อวิทยาศาสตร์ คือ Streptormyces albus

จะตั้งชื่อเอนไซมท์ี่ผลิตจากส่ิงมีชีวิตนี้ได้ว่า

Sal

ถ้าสิ่งมีชีวิตมีชื่อวิทยาศาสตร์ คือ Bacillus amyloliquefaceinsH

จะตั้งชื่อเอนไซม์ที่ผลิตจากสิ่งมีชีวิตนี้ได้ว่า

BamH

Halmilton Smith

ปัจจุบันมี 1,200 เอนไซม์

Restriction mapping

ประโยชน์ของเอนไซม์ตัดจ าเพาะ (Restriction Enzyme)

1. ตัด DNA เป็นท่อนสั้นๆ

2. ทราบล าดับเบสที่แน่นอนตรงจุดตัด (บริเวณจดจ า: recognition site)

3. สามารถเชื่อมชิ้นส่วน DNA จากข้อ 1 ตามต้องการได้

ดีเอ็นเอสายผสม (Recombinant DNA)

ตัวอย่างการสังเคราะห์ฮอร์โมนโกรท

ขั้นตอนการท า ดีเอ็นเอลูกผสม

พันธุวิศวกรรม (genetic engineering)

การโคลนดีเอ็นเอ (DNA cloning)

ขั้นตอนการท า ดีเอ็นเอลูกผสม

1. การเตรยีมยีน (gene) หรือดเีอ็นเอที่น่าสนใจ

2. การตัด DNA อย่างจ าเพาะดว้ยเอนไซม์ตัดจ าเพาะ

3. การเชือ่มต่อ DNA ที่แยกได ้กับ DNA พาหะ (vector)

DNA พาหะ (vector) มี 3 รูปแบบ คือ

1. พลาสมิด (Plasmid)

2. ฝาจ (Phage)

3. คอสมิด (Cosmid)

พลาสมิด (Plasmid) = DNA วงแหวนที่อยู่นอกโครโมโซมของแบคทีเรีย

ฝาจ (Phage) = แบคทีเรียที่มีสารพันธุกรรมของไวรัส

คอสมิด (Cosmid) = พลาสมิดที่มี cos site ของฝาจแลมบ์ดาอยู่ด้วย เพื่อให้สามารถแทรกดีเอ็นเอที่มีขนาดใหญ่ได้ 45 kbase

ขั้นตอนการท า ดีเอ็นเอลูกผสม

4. การน าดเีอ็นพาหะที่ถูกตัดตอ่เรียบร้อยแล้ว (ดีเอ็นเอสายผสม) ใสเ่ข้าไปในเซลล์ผูร้ับ

ขั้นตอนการท า ดีเอ็นเอลูกผสม

4. เลี้ยงเซลล์ผู้รับให้แบ่งเซลล์หลายๆ ครั้ง ท าใหเ้พิ่มจ านวนเซลล์ หรือเพิ่มปริมาณยีนที่น่าสนใจ

กระบวนการนี้ เรยีกว่า การโคลนยีน (gene cloning)

5. การคัดเลือกเซลล์ที่มีดีเอ็นเอสายผสม

ที่ต้องการ

การโคลนยนี (gene cloning)

การโคลนดีเอ็นเอ (DNA cloning) หรือ

ท าได้ 2 วิธ ี

1. การโคลนยีนโดยอาศัยพลาสมิดของดีเอ็นเอ 2. การโคลนยีนในหลอดทดลองโดยเทคนิค พอลิเมอเรสเชนรีแอกชันหรือพีซีอาร์

DNA cloning = เพื่อเพิ่มจ านวน DNA ให้มีปริมาณมากพอ ที่จะน าไปใช้ได ้

น าไปโคลน

1. การโคลนโดยอาศัยพลาสมิดของแบคทีเรีย

เลี้ยงแบคทีเรีย ในอาหารเลี้ยง

2. การโคลนยีนในหลอดทดลองโดยเทคนิคพอลเิมอเรสเชนรีแอกชัน Polymerase chain reaction: PCR

เครื่องมือ Thermocycler หน้าที:่ เพิ่ม-ลดอุณหภูมิ เพื่อเพิ่มปริมาณ DNA ในแต่ละรอบ

เครื่องมือ Thermocycler

90 – 95 C

50 – 55 C

70 – 75 C

ขั้นที่ 1

ขั้นที่ 2 ขั้นที่ 3

20 – 30 รอบ

องค์ประกอบในการท า PCR

1. DNA แม่พิมพ์ (template DNA)

2. นิวคลีโอไทด์ ทั้ง 4 ชนิด

3. ไพรเมอร์ (primer): DNA สายสั้นๆ

4. เครื่อง Thermo cycle

5. บัพเฟอร์ที่เหมาะสม

6. เอนไซม์ DNA polymerase

2. การโคลนยีนในหลอดทดลองโดยเทคนิคพอลิเมอเรสเชนรีแอกชันหรือพีซีอาร์

Polymerase chain reaction: PCR

DNA สายใหม่จ านวนมาก (amplified product)

Amplicon

หลักการของเทคนิค PCR

การสังเคราะห์ DNA อยา่งต่อเนื่องเป็นวงจรลูกโซ ่1 รอบ ประกอบดว้ย 3 ขั้นตอน ดงันี ้

1. การ แยก DNA เป็นสายเดี่ยว

2. การ จับ ของไพรเมอร์กับ DNA

3. การ สร้าง DNA สายใหม่

ข้อดีของเทคนิค PCR

ใช้ DNA ต้นแบบปริมาณเล็กน้อย ได้ DNA สายใหม่จ านวนมาก

ในเวลาอันรวดเร็ว และท าได้ง่าย

ประโยชน์ของเทคนิค PCR (หน้า 85)

ด้านการแพทย์

ตรวจหาเชื้อไวรัสและแบคทีเรีย

: โรคเอดส์ วัณโรค มาลาเรีย และโรคไข้หวัดนก

ประโยชน์ของเทคนิค PCR (หน้า 85)

ด้านการเกษตร

ตรวจสอบสายพันธุ์พืช โรคสายพันธุ์พืช

ความสมัพันธ์ระหว่างความต้านทานโรคของสายพนัธุ์พืช การป้องกัน ก าจัดโรคพืชที่เกิดจากเชือ้เรา แบคทีเรีย และไวรัส

ประโยชน์ของเทคนิค PCR (หน้า 85)

ศึกษาความแปรผันหรือการกลายพันธุ์ของยีน

การท าแผนที่ยีน (Gene mapping)

การศึกษาล าดับเบสของสิ่งมีชีวิต

งานวิจยัทางชีววิทยาโมเลกุล และ พนัธุวิศวกรรม

การท าแผนที่ยีน : การวิเคราะห์ล าดับเบสของยีน (gene sequencing)

Disease Gene Mapping with Multiple Chromosomes

การสร้าง DNA ตรวจติดตาม DNA probe

หมายถึง

DNA สายสั้นๆ สามารถจับกับชิ้น DNA ที่สนใจได้อย่างจ าเพาะ

DNA probe จะติดสารกัมมันตรังสีไว้

ท าให้เราสามารถติดตาม ช้ิน DNA ที่สนใจนั้นได้โดยอาศัยกัมมันตภาพรังสีที่ติด

อยู่กับ DNA probe

การวิเคราะห์ DNA และการศึกษาจีโนม

1. การวิเคราะห์ DNA ด้วยเจลอิเล็กโทรโฟริซีส (Gel electrophoresis)

2. การศึกษาจีโนม

1. การวิเคราะห์ DNA ด้วยเจลอิเล็กโทรโฟริซีส (Gel electrophoresis)

หลักการ การแยกสารพันธุกรรมหรือโปรตีน

โดยใช้กระแสไฟฟ้า

โครงการศึกษาจีโนมมนุษย์

จีโนม (Genome) หมายถงึ

Human genome project: HGP

ล าดับเบสทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ

ข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดที่จ าเป็น ในการใช้สร้างและการด ารงชีวิตอย่างปกติ

ของสิ่งมีชีวิตชนิดใดชนิดหนึ่ง

โครงการศึกษาจีโนมมนุษย์ Human genome project

International project

4. การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีของ DNA

1. กระบวนการนิติวิทยาศาสตร์

2. ยีนบ าบัด

3. เภสัชกรรม

4. การเกษตร

1. กระบวนการนิติวิทยาศาสตร์

กระบวนการนิติวิทยาศาสตร์ หมายถึง

กระบวนการทางกฎหมายที่มีการน าเทคโนโลยีทาง DNA มาใช้ในการพิสูจน์บุคคล

โดยใช้ลายพิมพ์ DNA (DNA fingerprint)

พิสูจน์ความเป็นพ่อลูก ใช้ในด้านอาชญากรรม

การพิสูจน์ความเป็นพ่อลูก

หลักการ ลูกแต่ละคน ย่อมได้รับพันธุกรรมมาจาก

พ่อและแม่อย่างละครึ่ง

กิจกรรม นักสืบหัวเห็ด

จุดประสงค์

เพื่อวิเคราะห์ลายพิมพ์ดีเอ็นเอ

สถานการณ์ที่ 1

สามีภรรยาคู่หนึง่มีบุตร 4 คน ในจ านวนนี้มี ลูกสาว 2 คน และลูกชาย 2 คน

จงวิเคราะห์ ลายพิมพ์ DNA ของทุกคน คนใดเป็นลูกติดพ่อและคนใดเป็นบุตรบุญธรรม

ค าตอบสถานการณ์ที่ 1 ลูกติดพ่อ คือ คนที่ 1 2 และ 3

บุตรบุญธรรม คนที่ 4

สถานการณ์ที่ 2

สามีภรรยาคู่หนึ่งมีบุตร 4 คน ในจ านวนนี้มี ลูกสาว 2 คน และลูกชาย 2 คน

จงวิเคราะห์ ลายพิมพ์ DNA ของทุกคน คนใดเป็นลูกติดพ่อและคนใดเป็นบุตรบุญธรรม

ค าตอบสถานการณ์ที่ 2 ลูกติดพ่อ คือ D1 และ S1

ลูกติดแม่ คือ D2

บุตรบุญธรรม คือ S2

สถานการณ์ที่ 3

จากการตรวจลายพิมพ์ DNA ของคนในครอบครัว ก และ ข นักเรยีนบอกได้หรือไม่ว่าคนใน ครอบครัวใดมีความสัมพันธ์กันในลักษณะของพ่อ-แม-่ลูก

และครอบครัวไม่มีความสัมพันธ์กันเพราะเหตุใด

ค าตอบสถานการณ์ที่ 3 ครอบครัว ก

มีความสัมพันธ์กันในลกัษณะของพ่อ-แม่-ลูก

ครอบครัว ข

ไม่มีความสัมพันธ์กัน

เพราะลูกมีลายพิมพ์ DNA ไม่พ่อและแม่

สถานการณท์ี่ 4 ได้มีการใช้ลายพิมพ์ DNA เพื่อตรวจพสิูจน์ความเกี่ยวพันในคดอีาญาที่รุนแรงเช่น

ฆาตกรรม ท ารา้ยร่างกาย ซึ่งสามารถใช้เป็นหลักฐานส าคัญอย่างหนึ่งประกอบ

การพจิารณาคดีทางศาล ตัวอย่างเช่น คดีฆาตกรรมคดีฆาตกรรมคดีหนึ่งได้น าคราบ

เลือดของฆาตกรที่พบในสถานที่เกิดเหตุและเลือดของผู้ต้องสงสัยจ านวน 7 คน

มาท าลายพิมพ์ DNA และน ามาเปรียบเทียบกัน เมื่อน าลายพิมพ์ DNA ของผู้ต้อง

สงสัยมาเปรียบเทียบกับลายพมิพ์DNA ของคราบเลือดฆาตกร พบว่าเป็นดังนี้

การเปรยีบเทียบลายพมิพ์ DNA ของผู้ตอ้งหากับคราบเลือด

คนที่ 4 เป็นฆาตกร

สถานการณท์ี่ 5 ถ้านักเรียนได้รับเลือกเป็นคณะลูกขุนโดยมี ลายพิมพ ์DNA จากหลักฐานที่พบในที่เกิดเหตุในคดีฆาตกรรมและลายพิมพ ์DNA ของผู้ต้องสงสัยหมายเลข 1-5

จงหาว่า (1) บุคคลหมายเลข 4 ถูกกล่าวหาว่าเป็น ฆาตกร นักเรียนจะตัดสินว่าเขาเป็นฆาตกรหรือ เป็นผู้บริสุทธิ์ เพราะเหตุใด (2) ผู้ต้องสงสัยหมายเลขใดที่มีลายพมิพ์ DNA ใกล้เคียงกับหลักฐานที่พบในที่เกิดเหตุ

คนที่ 4 ไม่ใช่ฆาตกร

คนที่ 5 เป็นฆาตกร เพราะมลีายพิมพ์ DNA ตรงกับหลักฐานมากที่สุด

2. ยีนบ าบัด (Gene therapy)

การใช้เทคนิคทางพันธุวิศวกรรมช่วยรักษาโรคที่เกิดจากกรรมพนัธุ์

โรคทาลัสซีเมีย โรคมะเร็ง

หลักการ ใช้เวกเตอรใ์ห้น ายีนที่ต้องการเข้าสู่เซลล์เป้าหมาย

ในร่างกาย และท าให้เกดิการแสดงออกให้ได้ผลผลิต ที่ถูกตอ้งตามต้องการ

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/Gene_therapy.jpg

3. เภสัชกรรม

การประยุกตใ์ช้เทคโนโลยทีาง DNA ในด้านเภสัชกรรม

การผลิตวัคซีน เซรุ่ม น้ ายาตรวจวินิจฉัยโรค

ยาต่อต้านเนื้องอก การผลิตอินซูลิน

4. การเกษตร

การสร้างพืชดัดแปลงพันธุกรรม (Transgenic plant)

พืชต้านทานโรคและแมลง พืชที่มีคุณค่าทางอาหารสูง พืชที่ให้ผลผลิตสูง

การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ

4. การเกษตร

การสร้างพืชดัดแปลงพันธุกรรม (Transgenic plant)

พืชดัดแปลงพันธุกรรมให้ต้านทานแมลง

การถ่ายยีนบีทีที่สร้างสารพิษจากแบคทีเรีย Bacillus thuringiensis

ซึ่งสามารถท าลายตัวอ่อนของแมลงบางชนิดได้

ฝ้าย ข้าวโพด มันฝรั่ง ยาสูบ และมะเขือเทศ

4. การเกษตร

การสร้างพืชดัดแปลงพันธุกรรม (Transgenic plant)

มะละกอต้านทานโรคใบด่างจุดวงแหวน

การถ่ายฝากยีนสร้างโปรตีนเปลือกไวรัส (Coat protein gene)

4. การเกษตร

การสร้างพืชดัดแปลงพันธุกรรม (Transgenic plant)

การสร้างวิตามินเอในเมล็ดข้าว

การน ายีนจากดอกแดฟโฟดิล (daffodils) และยีนจากแบคทีเรีย Erwinia breteria

ถ่ายฝากในข้าว

ข้าวสีทอง (golden rice)

Golden Rice

Normal Rice Golden Rice

4. การเกษตร

การสร้างพืชดัดแปลงพันธุกรรม (Transgenic plant)

ต้นยาสูบต้านแมลง

การถ่ายฝากยีนที่ก าหนดสารยับยั้งเอนไซม์ย่อยโปรตีน (Proteinase inhibitor) จากถั่วพุ่ม

(cow pea) และจากมันฝรั่ง

4. การเกษตร

การสร้างพืชดัดแปลงพันธุกรรม (Transgenic plant)

การสร้างพืชทนเค็ม พืชทนแล้ง กล้วยไม้สีแปลก