เราทดสอบ DNA กันอย่างไรบ้าง ? หลักการมันคืออะไร ?

เมื่ออาทิตย์ก่อน เราเขียนเรื่องการทำ DNA Testing ที่เขามาขายเราบอกว่า มันบอกพรสวรรค์แฝง หรือ บอกการกินอาหารของเราได้อะไรพวกนั้น ลองกลับไปอ่านกันได้ เลยเป็นเรื่องที่ต่อกันคือ แล้ววิธีที่เราจะทดสอบ DNA กัน จริง ๆ มันมีอะไรบ้าง มันใช้หลักการอะไรที่ทำให้เราสามารถตรวจหาอะไรที่เล็กแต่ยาวมาก ๆ อย่าง DNA ได้

การตรวจมีหลายรูปแบบ

ในปัจจุบัน เรามีวิธีการตรวจหลากหลายรูปแบบมาก ๆ ยิ่งเทคโนโลยีมันก้าวหน้ามากขึ้น เราก็มีวิธีใหม่ ๆ มาตรวจมากขึ้นด้วยเช่นกัน ซึ่งวิธีการที่เราใช้กันอยู่ตอนนี้มีหลายวิธี แต่ละวิธีก็จะเหมาะกับงานที่แตกต่างกันออกไป ดังนั้น วันนี้เราจะยกตัวอย่างวิธีที่เรานิยมใช้ในการตรวจกันทั้งหมด 4 วิธีด้วยกัน

PCR (Polymerase Chain Reaction)

วิธีแรก เราว่าหลังจากผ่านการระบาดของ COVID-19 เราว่าหลาย ๆ คนน่าจะไม่น่าไม่เคยได้ยินคำว่า PCR มาแน่นอน ว่า ถ้าอยากตรวจ COVID-19 จริง ๆ เลย เราจะต้องไปตรวจ PCR นะ

หลักการของ PCR จริง ๆ แล้วมันลอกวิธีการทางธรรมชาติตอนที่เราจะสร้าง DNA ชุดใหม่ เข้าไปอยู่ใน Cell ที่แบ่งตัวใหม่ ทำให้จริง ๆ แล้วเทคนิค PCR เลยเป็นเทคนิคที่เราใช้ในการ คัดลอกสารพันธุกรรมเพิ่มได้ ตัวอย่างเช่น เรามีตัวอย่าง DNA ชุดนึงมา แล้วปรากฏว่า เราหยดเช็คความเข้มข้น มันน้อยมากเกินกว่า เราจะเอาไปทำการทดลองได้ เราก็อาจจะทำการเพิ่มจำนวน (Amplicfication) ด้วยการทำ PCR ได้

หลักการของมัน เราน่าจะเคยผ่านตา ตอนเราเรียนมัธยมปลายกันมาบ้างแล้วคือ เราก็แหก DNA ออกมาจาก Double Strand กลายเป็น Single Strand แล้วให้ชิ้นส่วน DNA เส้นสั้น ๆ ที่เราออกแบบไว้หรือ Primer ไปเกาะ แล้วให้ DNA Polymerase มาเกาะแล้วเดินดูดพวกเบส A,T,C และ G เข้าไปเรื่อย ๆ จนเราก็จะได้ DNA เส้นใหม่ออกมา เราก็จะทำวน ๆ แบบนี้ไปเรื่อย ๆ แหก แปะ เดิน ไปเรื่อย ๆ หลาย ๆ รอบ

ความเจ๋งของวิธีการนี้คือ การออกแบบ Primer หรือ DNA เส้นสั้น ๆ ที่เหมือนเป็นจุดเริ่มต้นของการคัดลอกนั่นเอง โดยทั่ว ๆ ไปแล้ว เบสใน DNA มันจะไม่จับมั่ว ๆ คือ A ต่อกับ T และ C ต่อกับ G เท่านั้น ยิ่งเราออกแบบ Primer ให้จำเพาะกับตัวอย่างที่เราต้องการตรวจเท่าไหร่ โอกาสที่ Primer จะจับมั่วมีน้อยเท่านั้น ถ้า Primer มันจับไม่ได้เลย นั่นก็อาจจะแปลผลได้ว่า DNA ตัวอย่างที่เราใส่เข้าไป ไม่มีส่วนที่ Primer มันจับได้นั่นเอง นั่นเลยแปลว่า ในตัวอย่างของเราไม่มีสารพันธุกรรมที่เราค้นหานั่นเอง

อ่านมาถึงตรงนี้แล้ว เอ๊ะ มันเริ่มเหมือนการตรวจแล้วใช่มั้ย อย่างในการตรวจ COVID-19 วิธีการที่เป็น Gold Standard คือการทำ RT-PCR หรือ Real-Time PCR หลักการเหมือนกับ PCR ปกติเลย แต่แทนที่เราจะเอาเบส A,T,C และ G ใส่ไปปกติ เราใส่เบสพิเศษที่ทำการติดกับพวกสารเรืองแสงไว้ เมื่อเบสเหล่านี้มันไปแปะกับเส้น DNA ที่ทำการคัดลอกขึ้น สารเรืองแสงมันก็จะหลุด แล้วเรืองแสงออกมาให้เครื่องตรวจจับได้

ถ้าเรารันไปหลาย ๆ รอบ แล้วเครื่องตรวจไม่เจอเลย (เวลาเราทำ เราจะต้องมี Control เช็คนะ) นั่นแปลว่า เราอาจจะไม่มีสารพันธุกรรม COVID-19 อยู่ในตัวอย่าง แต่ถ้ามีแสง มันก็จะทำให้มีอีกค่าขึ้นมาคือ Ct (Cycle Threshold) ขึ้นมา มันคือ จำนวนรอบที่ใช้ในการ แหก แปะ เดิน จนทำให้สารเรืองแสงมันเปล่งแสงจนทำให้เครื่องเห็น นั่นแปลว่า ถ้า Primer มันจับกับสารพันธุกรรมในตัวอย่างได้เยอะ ได้เร็วเท่าไหร่ ก็จะทำให้มันเปล่งแสงเร็วขึ้น ทำให้ เวลาเราตรวจออกมาค่า Ct ต่ำ ๆ คือ เราอาจจะมีเชื้อเยอะมาก ๆ พึ่งติดเชื้อไป กลับกันคือ Ct สูง ๆ คือ กว่าแสงจะเปล่งออกมาให้เครื่องเห็นได้ มันก็รันไปยาวมาก ๆ ปริมาณเชื้ออาจจะมีน้อยมาก ๆ แล้ว อาจจะเจอใน Phase ที่ใกล้จะหายแล้ว หรือไม่พบอาการติดเชื้อแล้วก็มี

Cytogenetics

อีกกลุ่มของการตรวจคือ Cytogenetics เกิดจากคำว่า Cyto ที่แปลว่า Cell และ Genetics ที่แปลว่าพันธุกรรม หรือก็คือ การตรวจพันธุกรรมใน Cell ของเราอะไรแบบนั้นละกัน ซึ่งเราจะเอามาเล่า 2 วิธีใหญ่ ๆ คือ Keryotype และ FISH

คนเป็นมะเร็งได้ ทำไมคนถึงบินไม่ได้ ไขปัญหาด้วยพันธุศาสตร์

เมื่อวันก่อนนั่งดู X-Men แล้วทำให้นึกถึงตอนไปสอนหนังสือแล้วโดนเด็ก ๆ ถามว่า อาจารย์ฮะ ในเมื่อคนเป็นมะเร็งได้ แล้วทำไมเรายังไม่เจอคนที่บินได้สักทีนะ เออหวะ !! เชี้ย แมร่ง Genius !!! เราลองเอาทฤษฏีทางพันธุศาสตร์ และวิวัฒนาการ มาคุยกันขำ ๆ ดีกว่าว่า ทำไมถึงเกิดเหตุการณ์แบบนี้ขึ้น

ArnondoraArnon Puitrakul

Keryotype เราเคยเล่าไปแล้วในบทความก่อนหน้าเข้าไปอ่านกันได้ สั้น ๆ คือ เราจะเอา Chomosome มาเรียงกัน ในโรคทางพันธุกรรมบางชนิด เราสามารถตรวจพบได้ เช่น การเจอ Chromosome เกินมาในบางคู่ อย่าง Down Syndrome ที่เราเจอว่าคู่ 21 มันเกินมา 1 รักเลขคี่เลยมั้ยละ ทำให้วิธีการตรวจนี้ เราจะใช้กับกลุ่มการตรวจที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ เช่น Duplicate Copy (Copy เกิน) หรือ Translocation (การย้ายขา เปลี่ยนที่)

อีกวิธีคือ FISH (Fluorescence in situ hybridisation) แค่ชื่ออ่านแล้วก็อิหยังหว่าแล้ว ใช่ฮ่ะ ตอนเราเรียนครั้งแรกคือ เชี่ย แมร่งเท่ชิบหาย อยากอ่านบ่อย ๆ เอาเป็นว่า เราเรียกชอบติดปากว่า ไปตกปลา ! ละกัน สิ่งที่มันทำให้เราเรียกแบบนั้นเป็นเพราะหลักการของมันนี่ละ

หลักการของมันคือ การที่เราเอาชิ้น DNA ที่เราสนใจ เราเรียกว่า Probe หย่อนลงไปในตัวอย่างของเรา เหมือนกับเบ็ดที่เราติดเหยื่อแล้วหย่อนลงน้ำ ถ้าในตัวอย่างของเรามีส่วนที่เข้ากันได้กับ Probe เจ้า Probe มันก็จะเข้าไปเกาะ แล้วเปล่งแสงออกมา (หลักการคล้าย ๆ กับ RT-PCR มีแสงวิบ ๆ) นั่นแปลว่า เหยื่อติดเราแล้ว ในตัวอย่างมีส่วนที่เราสนใจละ ซึ่งส่วนที่เราสนใจ เราอาจจะใส่พวก Probe ที่เรารู้ว่ามันมีความผิดปกติของโรคทางพันธุกรรมอะไรบางอย่างก็ได้ (จริง ๆ มันมีวิธีการ Label Probe แต่เราไม่เล่าละกัน)

ดังนั้น จริง ๆ แล้วทั้งสองวิธีมันใช้สำหรับการตรวจสอบความผิดปกติขนาดใหญ่ทั้งคู่แหละ แต่ Keryotype จะไปในการหา Copy Number เช่น ขาด หรือเกิน แต่ FISH จะไปหาได้ชัดหน่อยว่ามีสิ่งที่เราต้องการอยู่มั้ย หรือจริง ๆ เราทำได้ยันว่า เห้ยใน Cell นี้มันมีส่วนมีชิ้นส่วน DNA ที่เราต้องการมั้ยได้เลย เห็นตำแหน่งมันใน Cell ได้เลย ทำให้ทั้งสองวิธีมันเลยเป็นวิธีที่เราใช้ในการศึกษา Genetics ใน Cell หรือที่เราเรียกว่า Cytogenetics นั่นเอง

DNA Microarrays

ถ้า FISH เป็นการตกปลาตัวใหญ่ ๆ ความผิดปกติขนาดใหญ่ ๆ การทำ Microarray น่าจะเป็นการหว่านแห่ เอาปลาเล็กเยอะ ๆ มากกว่าเลยละ เพราะวิธีนี้ เราสามารถตรวจหาความผิดปกติ หรือ ความหลากหลาย ขนาดเล็ก ๆ จำนวนเยอะ ๆ ได้ในครั้งเดียวเลยละ ทำให้วิธีนี้ใช้กันเยอะมาก ๆ ในการตรวจพวก พรสววรค์ หรือ อาหารที่เราพูดถึงกันในตอนก่อนหน้าเลยละ

หลักการของมันคล้าย ๆ กับ FISH ใช้การ Hybidisation เหมือนกัน แต่วิธีคือ เราจะทำการต่อสารเรืองแสงเข้าไปที่ตัวอย่างของเรา แล้วเอาไปหยอดลงไปใน Microarray Chip ที่ในนั้นจะมีหลายหลุมมาก ๆ โดยที่ในแต่ละหลุม ก็จะดูดแล้วฟิน เห้ย บ้าเหรอ ในแต่ละหลุมก็จะมีการเอา Probe มาติดไว้ อาจจะเป็น Probe ที่มาจากคนที่มีลักษณะทางพันธุกรรมที่เราสนใจได้ ถ้าตัวอย่างของเรามาติดกับ Probe ตัวสารเรืองแสง มันก็จะหลุดออกไปทำให้เรืองแสงขึ้นมา นั่นแปลว่า ตัวอย่างมีส่วนนี้ที่เราสนใจ แล้วเราก็จะมีแบบนี้หลายหลุมมาก ๆ เรากำลังคุยกันหลักพัน หรือมากกว่านั้นเลยละ ทำให้ เราสามารถหว่านความผิดปกติ หรือความหลากหลายที่เราต้องการลงไปได้ในครั้งเดียวนั่นเอง

พวกการตรวจพรสวรรค์ หรืออาหารอะไรพวกนี้ อย่างที่บอก เขาก็จะมี Microarray ที่เขาเอา Probe ในส่วนต่าง ๆ ของพันธุกรรมที่เขาไปหามาว่ามันเกี่ยวกับเรื่องนั้นเรื่องนี้ใส่เข้าไปหลาย ๆ ช่องเลย ถ้าช่องไหนใส่แล้วมันเรืองแสงออกมา ก็ไปดูว่าช่องนี้คืออะไร แล้วแปรผลออกมาแค่นั้นเลย ซึ่งความหลากหลาย หรือความผิดปกติที่เรากำลังคุยกันตอนนี้คือ เปลี่ยนแค่เบสเดียว หรือ เราเรียกว่า SNP (Single Nucleotide Polymorphism) เราก็เจอแล้วนะ แล้วเรายัดได้หลายหลุมในรอบเดียว เอาให้ถึงดาวอังคารเลยอะ เราเลยเรียกว่า แหหว่านปลา

ความพีคกว่านั้นคือ วิธีนี้ราคาไม่แพงเลย เพราะถ้าเรามี Probe ที่ต้องการส่วนใหญ่ที่เราใช้ในงาน Routine มันก็จะซ้ำ ๆ กัน เช่น พวกบริษัทตรวจพรสวรรค์ เขาก็ไม่ได้อัพเดทพวกชุด Gene ทุกวัน เขาก็สั่งผลิต Microarray Chip ที่มี Probe บนชุด Gene ที่เขาต้องการจำนวนมาก ๆ แล้วยัดตัวอย่างเข้าไป ทำให้ราคาในการตรวจถูกมาก ๆ ได้ เลยเป็นที่นิยมยังไงละ

DNA Sequencing

ถ้าคิดว่า 3 วิธีที่ผ่านมาแมร่งมหัศจรรย์แล้ว แมร่ง OP เข้า God Mode แล้ว มาเจอวิธีอย่างการทำ DNA Sequencing ดีกว่า (ได้พูดเรื่องที่เรียนมาสักที) วิธีบ้านี่ เราสามารถหาความผิดปกติได้เรียกว่า แทบทุกรูปแบบ จริงจัง ๆ ไม่ว่าจะเป็นการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ ๆ ที่เราใช้กลุ่มพวก Cytogenetics ก็ได้ หรือจุดที่เล็ก ๆ ที่ใช้ DNA Microarray ได้ไปพร้อม ๆ กันเลย

สิ่งที่ DNA Sequencing ทำคือ เราพยายามจะเอาลำดับเบสออกมาให้ได้ หรือก็คือ อยากรู้ว่า A,T,C และ G มันเรียงกันอย่างไร ถ้าเราบอกว่า DNA เป็นเหมือน Main Program ของสิ่งมีชีวิต การทำ DNA Sequencing คือการเอา Source Code มันออกมานั่นแหละ ทำให้เรารู้ว่าสิ่งมีชีวิตมันมี Source Code อะไรบ้าง ถ้าเชื่อเรื่องพระเจ้าสร้างคน เราว่าเทคโนโลยีนี้คือ เราได้ขาข้างนึงของพระเจ้ามาแล้วอะ เรารู้แล้วว่า สิ่งมีชีวิตบนโลกนี้มันมีโปรแกรมอะไรบ้าง อีกขาก็จะเป็นว่าเมื่อเรารู้โปรแกรมแล้วจะ สังเคราะห์ สิ่งมีชีวิตขึ้นมาได้อย่างไร ใช่แล้ว มันคือชีววิทยาแขนงนึงที่เราเรียกว่า Synthetic biology (SynBio)

Engineering modular and orthogonal genetic logic gates for robust digital-like synthetic biology - Nature Communications

Biological digital sensors require the fabrication of modular genetic logic gates. Using thePseudomonas syringae hrpsystem, Wang and colleagues generate AND, NOT and NAND gates, demonstrating the ability to engineer a modular system from biological elements.

NatureBaojun Wang

นอกเรื่องหน่อยละกัน พื้นเราเป็น Computer Science พอมาเรียน Bioinformatics แล้วเจอ Publication นี้ครั้งแรก คิดแล้วว่า มันเอามาทำอะไรได้บ้างเยอะมาก ๆ เพราะนักวิทยาศาสตร์สามารถสังเคราะห์ Logic Gate ที่เป็นพื้นฐานของระบบคอมพิวเตอร์ แทนที่จะเป็น Silicon-Based แต่กลายเป็น Organic-Based เห้ย มันโคตรน่าตื่นเต้นมาก ตอนอ่านครั้งแรก ตาเหลือก เชี้ย นี่มันอะไรกันวะ !

นอกเรื่องไปไกลละ กลับมา ๆ การทำ DNA Sequencing มันก็พัฒนามาเรื่อย ๆ จากเริ่มแรก การที่เราจะถอดรหัส DNA มนุษย์เรามันใช้เงินและเวลามหาศาล จนโครงการแรกที่ทำสำเร็จคือโครงการ Human Genome Project (HGP) ที่เมื่อข้อมูลถูกปล่อยออกมาช่วง April 2003 ก็เป็นเหมือนประกายแสงที่ทำให้เกิดการศึกษา Genome ในมนุษย์ ทำให้เราเข้าใจการทำงาน เข้าใจการเกิดโรคทางพันธุกรรมเยอะมาก ๆ จนตอนนี้เทคโนโลยีการถอดรหัส Geneome มันราคาถูกลง ทำได้เยอะขึ้น เร็วขึ้นมาก ๆ แล้ว ขนาดถอดออกมาได้ประมาณ 92% เท่านั้นยังทำได้ขนาดนี้ แต่เมื่อไม่นานมานี้ (April 2022) เราสามารถถอดออกมาได้ 100% 3.3 Billion Bases สำเร็จ นึกภาพดูว่า มันจะทำให้เรารู้อะไรเยอะขึ้นขนาดไหน ไว้ในตอนหน้าเราจะมาเล่าเรื่องนี้แบบละเอียด ๆ ละกัน

สรุป

เรามีหลายวิธีมาก ๆ ในการตรวจ DNA ขึ้นกับ เราต้องการข้อมูลอะไร ละเอียดขนาดไหน เช่น ถ้าเราต้องการตรวจหาส่วนที่มันใหญ่มาก ๆ หรือต้องการรู้ตำแหน่ง (Localisation) เราอาจจะใช้แค่วิธีในกลุ่ม Cytogenetics ตรวจก็เจอแล้ว หรือ เราอาจจะมีส่วนนึง หรือไม่กี่ชิ้นที่เราสนใจ เราก็อาจจะไปเล่นพวก PCR ยัน RT-PCR ที่เราใช้ตรวจ COVID-19 ได้ หรือจะเป็นการหว่านแห่ตรวจเลยอย่างการทำ DNA Microarray และ OP God Mode แพงสุด ๆ คือการถอดรหัส DNA นั่นเอง