DNA Sequencing ฉบับคนทั่วไป (อยู่) ตอน 1 : DNA หน้าตาเป็นยังไง ?

จากตอนก่อน เราติดค้างไว้นานมาก เราบอกว่า เราจะมาเล่าเรื่อง DNA Sequencing วันนี้เรากลับมาแล้ว แต่คิดอยู่นานมากว่า เราจะเล่ายังไงให้เข้าใจง่าย และ ลงลึกนิดหน่อย เลยจะแบ่งเป็นตอน ๆ ออกมาละกัน แต่ก่อนที่เราจะไปเข้าใจเรื่อง DNA Sequencing เราจะต้องมาทำความรู้จัก DNA กันก่อนว่า มันหน้าตายังไง อยู่ตรงไหน

DNA : The blueprint of organism

DNA หรือ Deoxyribonucleic Acid แค่ชื่อก็ดูยากแล้ว แต่เดี๋ยวเราจะมาอธิบายต่อไปว่าทำไมมันชื่อแบบนี้ เอาเป็นว่า มันเป็นเหมือน Blueprint หรือ พิมพ์เขียว (ทุกวันนี้ก็ยังไม่เข้าใจนะว่า Blueprint เป็นพิมพ์เขียวได้ไง) ของสิ่งมีชีวิตเลยก็ว่าได้

มันเป็นเหมือนกับ หน่วยย่อยที่ใช้เก็บลักษณะของสิ่งมีชีวิต เช่นถ้าเป็นคน มันเก็บลักษณะของเราว่า เราผมสีดำ เรามีผิวสีนี้ เรามีลักษณะอะไรต่าง ๆ บ้าง เก็บไว้ในนั้นหมดเลย ทำให้ การที่เราเข้าใจ DNA ของเรา ก็จะทำให้เราเข้าใจการแสดงออก (Expression) ของลักษณะต่าง ๆ รวมไปถึง โรคทางพันธุกรรม และ โรคอื่น ๆ อีกมากมาย

Rare Japanese plant has largest genome known to science

Scientists have discovered that Paris japonica, a striking rare native of Japan, has the largest genome of them all -- bigger than the human genome and even larger than the previous record holder -- the marbled lungfish.

ScienceDaily

เมื่อหน่วยย่อยมันมาต่อกันเยอะ ๆ จนเป็นเส้นขนาดใหญ่ ๆ อยู่ในเซลล์ละ เราจะเรียกมันว่า Genome ซึ่งในสิ่งมีชีวิต ก็จะมีขนาดของ Genome ไม่เท่ากัน เช่น คน ก็จะมีอยู่ประมาณ 3.3 พันล้าน ก็คือมี DNA ประมาณ 3.3 พันล้านอันมาต่อกัน หรือเอาเยอะ ๆ เลยอย่างพืชชนิดหนึ่ง มี Genome ขนาดใหญ่กว่าคนถึง 50 เท่าไปเลย นั่นคือ Paris japonica หรือที่บ้านเราเรียกว่า แอนโดรเมดา

ถ้าเราไปดูต้นแอนโดรเมดา จะเห็นว่า ขนาดมันไม่ได้ใหญ่เลยนะ เล็กกว่าคนตั้งเยอะ ดังนั้น ขนาดของ Genome ไม่ได้สอดคล้องกับขนาดของสิ่งมีชีวิตนั้น ๆ อีกตัวอย่าง เอาเป็นสัตว์ใหญ่เลย 4.34 พันล้านเท่านั้น ซึ่งไม่ได้ใหญ่กว่าคนเยอะ แต่ตัวใหญ่กว่าคนมาก ๆ เหยียบคนได้สบาย ๆ เลยละ

DNA อยู่ที่ไหน ?

DNA มันเล็กมาก ๆ ถามว่า แล้วมันอยู่ที่ไหนกันละ ถ้าเราดูจากในหนังสืบสวนสอบสวน เขาจะเอาไม้อะไรสักอย่างไปแหย่ แล้วผลก็ออกมา เรามามองให้ลึกขึ้นกันดีกว่า

สิ่งที่เราเก็บมา เป็นเซลล์ตัวอย่างจากกระพุ้งแก้มนั่นเอง ถ้าเราพูดถึงเซลล์ ภายในของมันประกอบด้วยส่วนประกอบหลาย ๆ อย่าง เราเรียกว่า Organelle หนึ่งในของที่อยู่ภายในเซลล์คือ Nucleus เป็นเหมือนส่วนที่ห่อหุ้มสิ่งที่เราสนใจในวันนี้คือ DNA ของเราเอง

ความสนุกคือ DNA ของเรามันยาวมาก ๆ เวลาเราเก็บ เราก็จะเก็บให้มันเป็นระเบียบหน่อย เราจะไม่ปล่อยมันพัน ๆ กันเหมือนหูฟังสมัยก่อนของเราแน่นอน ธรรมชาติผ่านกาลเวลามา มันฉลาดกว่านั้น มันม้วนเก็บอยู่บนสิ่งที่เราเรียกว่า Chromosome ขอไม่พูดถึงในบทความนี้ละกัน

ดังนั้น ถ้าถามว่า DNA ของคนเราอยู่ที่ไหน ก็ต้องบอกว่า มันอยู่ภายใน Nucleus เซลล์ของเรานี่แหละ อยู่ในทุก ๆ เซลล์ในร่างกายของเราเลย ทำให้จริง ๆ แล้วเราสามารถเก็บ DNA ได้จากทุก ๆ ส่วนของร่างกายเราเลย ยกเว้นที่เดียว น่าจะเดาได้คือ Red Blood Cell (RBC) เพราะมันไม่มี Nucleus นั่นเอง แต่ไม่ได้บอกว่า เราเก็บจากเลือดไม่ได้นะ เพราะในเลือดของเรามีส่วนประกอบที่เป็นเซลล์ที่มี Nucleus เช่น เม็ดเลือดขาว (White Blood Cell)

DNA หน้าตาเป็นยังไง ?

สำหรับเด็กสายวิทย์ตอบได้อย่างไวแน่นอน เพราะเราเรียนกันตอนมัธยมปลายกันไปแล้ว อาจจะเคยได้ยินคำว่า Watson and Crick DNA Model เรื่องนี้ไม่ได้เป็นเรื่องใหม่อะไรเลย เพราะ Model นี้ถูกค้นพบโดย Watson และ Crick ตามชื่อเลย ในช่วงปี 1953

เราอาจจะเคยได้เห็นแบบจำลองนี้ในพวกหนัง หรือใน Emoji เองก็มีให้เรากดเล่นแบบนี้ 🧬  งั้นเรามาดูกันลึก ๆ หน่อยว่า มันประกอบด้วยอะไรบ้าง

ถ้านึกภาพจาก Emoji เมื่อกี้ เราจะเห็นว่า มันเป็นเกลียว ๆ ถ้าเราคลายมันตรึงมันให้เป็นเส้นตรง เราจะเห็นเส้นที่เหมือนสะพานด้านข้างบนล่างนี่แหละคือสิ่งที่น่ามหัศจรรย์ ธรรมชาติสร้างสิ่งที่เหมือนกับจุดยึด ที่ต่อกันเป็นเส้น ๆ เราเรียกว่า Sugar phosphate backbone

เพราะมันประกอบด้วยกลุ่มน้ำตาลอย่าง Ribose แต่เป็นน้ำตาล Ribose ที่เราดึง Oxygen ออกไป เลยทำให้เราเรียกว่า Deoxyribose (De- เป็น Prefix ส่วน Oxy ก็มาจาก Oxygen) และ กลุ่มของ Phosphate ต่อกันไปเป็นเส้น ๆ นั่นทำให้ D ตัวแรกใน DNA เลยแปลว่า Deoxyribose

อีกส่วนที่คำคัญ และอยู่บน Backbone คือกลุ่มของ Base ที่เราเคยได้ยินกันมา เราจะพบได้ทั้งหมด 4 ประเภทบน DNA คือ Adenine (A), Thymine (T), Cytocine (C) และ Guanine (G)

ตอนนี้เราได้ข้างนึงละ อีกข้าง มันก็ทำออกมาเหมือนกันเลย ประกอบด้วย Backbone เหมือนกันทุกประการ และทั้งสองเส้นนี้จะเชื่อมต่อกันตรงกลุ่ม Base ที่เราพูดถึงนี่แหละ แต่ Base มันก็เหมือนแม่เหล็ก มันเอาแบบเดียวกันต่อกันไม่ได้ มันมีกฏของมันคือ A ต้องต่อกับ T และ C ต้องต่อกับ G เท่านั้น เพราะลักษณะของโครงสร้าง มันบังคับให้เป็นมาแบบนั้นนั่นเอง เอาให้ลึกอีกนิด จุดนี้ มันเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ Hydrogen นะ ดังนั้น ถ้าด้านนึงเป็น ATTCA อีกด้านก็ต้องเป็น TAAGT เสมอ นี่คือสิ่งที่ธรรมชาติกำหนด

ธรรมชาติแมร่ง Beyond ล้ำไปอีก

เราเล่าว่าธรรมชาติทำให้ DNA ของเราซ่อนอยู่ในเซลล์ และ ซ่อนอยู่ใน Nucleus อีกที ถามว่า ทำไมธรรมชาติต้องทำให้เราซ่อนอะไรกันขนาดนั้น นั่นเป็นเพราะ มันเป็นเหมือน Blueprint หรือ Main Program ของเราเอง

ถ้าเกิดมันมีบางส่วนที่อาจจะผิดพลาด ก็อาจจะทำให้กลไกการทำงานอย่างอย่างผิดพลาดไปได้ อาจจะเกิดจากสิ่งแวดล้อมภายนอก หรือ ภายในเอง สำหรับภายในอะ อันนี้เราไว้เล่าในโอกาสหน้า มันมีวิธีการจัดการอยู่ แต่ภายนอก เป็นสิ่งที่แก้ได้ยาก และ DNA มันก็ไม่ได้เสถียรอะไรขนาดนั้น ทำไงดี

ธรรมชาติเลยบอกว่า ในเมื่อเราเลี่ยงการที่มันจะเกิดความผิดพลาด เกิดการเปลี่ยนแปลงได้ยากมาก ๆ งั้น เราทำให้มันยาว ๆ เลยมั้ยละ ทำให้มันมีส่วนที่ไม่ได้ใช้ออกมาเลยมั้ยละ ทำให้ถ้าเราเอาความน่าจะเป็นมาจับ ก็ทำให้มีโอกาสยากขึ้นที่จะอะไรสักอย่างมาเปลี่ยนโดนส่วนที่เราใช้งาน

ส่วนที่เราใช้งาน เราจะเรียกว่า Exon เป็นส่วนที่เราใช้เอามา Transcript และ Translate ออกมาเป็น Protein เอาไปใช้ และ อีกส่วนที่เราเล่าเมื่อครูที่เป็นขยะ เราเรียกว่า Intron แต่จริง ๆ แล้ว มันก็แอบพูดยากนะว่า Intron คือส่วนที่ไม่ใช้ เพราะมันจะมีกลไกบางอย่างพวก Epigenetics หรือจริง ๆ แล้วมันอาจจะเป็น Exon ที่เรายังไม่รู้ก็ได้ แต่เอาเป็นว่า ใน DNA ของเรา ไม่ได้ถูกใช้ทั้งหมดละกัน ส่วนที่ใช้เราเรียกว่า Exon และส่วนที่ไม่รู้ หรือไม่ได้ใช้เราเรียกว่า Intron

อีกคำที่น่าจะเคยได้ยินกันคือ Gene เราบอกว่า มันประกอบด้วย DNA ยาว ๆ ใช่มะ ประกอบกับที่อ่านมาตอนนี้ ก็น่าจะเข้าใจว่า Gene มันก็น่าจะประกอบด้วย Exon เท่านั้น แต่จริง ๆ แล้ว Gene เราพูดถึงแง่ของการทำงานมากกว่า เป็นลักษณะละกัน ดังนั้นใน Gene อาจจะมีทั้ง Exon และ Intron ไปพร้อม ๆ กัน

การทำ DNA Sequencing เอาอะไรออกมา ?

โครงสร้างของ DNA เราจะเก็บไว้ตอนหน้าว่ามันสำคัญอย่างไร แต่ตอนนี้เราอยาก Intro ไว้ก่อน สิ่งที่เราต้องการจาก DNA Sequencing คือ A,T,C และ G ว่ามันเรียงกันอย่างไรนี่แหละ

อย่างที่บอกไปว่า DNA มันยาวมาก ๆ การที่เราจะเอาออกมาทั้งหมด ในบางงาน มันก็แอบดูเปลืองไปหน่อย ทำให้ในการทำ DNA Sequencing เราสามารถทำได้หลายระดับมาก ๆ ขึ้นกับตัวอย่างที่เราใส่เข้าไป

เช่น เล็กที่สุด เราอาจจะสนใจบางส่วนของ DNA เราก็สามารถที่จะ PCR (ไปอ่านเพิ่มเอาเด้อ) เพื่อเอาส่วนที่เราต้องการออกมา แล้วเราก็เอาไป Sequencing ได้เหมือนกัน

แต่สำหรับบางงาน เราอาจจะยังไม่รู้ว่าเราจะเอาอะไรออกมา เราอาจจะเลือกที่จะทำในกลุ่ม Whole Genome Sequencing (WGS) ที่เอาทั้งหมดของ DNA ออกมาหมดเลย ทั้ง Extron และ Intron ดึงมาทั้งหมด หรือเล็กลงมาหน่อย เราสนใจส่วนที่มันเอามาใช้งานเท่านั้น เราก็สามารถเลือกทำเป็น Whole Exome Sequencing (WES) ได้เช่นกัน ตามการใช้งานของเราเลย

สรุป

ในตอนแรกก่อนที่เราจะเข้าไปดูขั้นตอนที่เราถอดรหัส DNA ออกมาได้ เราจะต้องเข้าใจกันก่อนว่า DNA มันหน้าตาเป็นอย่างไร ในนั้นมันไม่ได้ประกอบด้วยแค่เบสอย่าง A,T,C และ G อย่างที่เราเข้าใจกัน แต่มันประกอบด้วยอะไรหลาย ๆ อย่างในนั้นเช่นพวก Sugar Backbone ที่เราเล่าไปในนั้น เดี๋ยวในตอนหน้า เราจะเข้าใจว่า ส่วนที่เราเล่าไปในตอนนี้มันสำคัญอย่างไร เกี่ยวอะไรกัน รอติดตามได้ในตอนหน้าจ้าาาา