|
เรื่องจากปก
#188
เปิดตำนานเกลียวคู่แห่งชีวิต
(ฉบับย่อ)
ในวันที่
25 เมษายน พ.ศ. 2496 วารสารวิทยาศาสตร์ฉบับเก่าแก่และมีชื่อเสียงที่สุดฉบับหนึ่งคือ
Nature ได้ตีพิมพ์ผลงานการวิจัยชิ้นหนึ่งของนักวิทยาศาสตร์หนุ่มสองคน
ผลงานที่มีความยาว เพียงสองหน้ากระดาษพิมพ์ แต่ก่อให้เกิดผลสะเทือนวงการวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจวบจนกระทั่งปัจจุบัน
เรียกได้ว่าเป็นผลงานที่เปลี่ยนโลกทัศน์และวิธีการทำงานด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพโดยสิ้นเชิง
และ เป็นต้นธารแห่งวิทยาการมากมายจนคุณอาจจะนึกไม่ถึง ผลงานดังกล่าวยิ่งใหญ่ขนาดที่นักวิทยาศาสตร์บางท่านเชื่อว่า
เป็นผลงานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในศตวรรษที่ 20 ที่ผ่านมาเลยทีเดียว!
ผมกำลังจะพาทุกท่านไปพบกับเบื้องหลังที่นำไปสู่การค้นพบโครงสร้างรูปเกลียวคู่
(double helix) ของดีเอ็นเอ โดยเจมส์ วัตสัน และ ฟรานซิส คริก
การค้นพบที่สำคัญอย่างยวดยิ่งจนนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต้องร่วมรำลึกถึงในวาระครบรอบกึ่งศตวรรษของการค้นพบดังกล่าวที่เวียนมาถึงในปีนี้
ดีเอ็นเอ
โมเลกุลที่โลกมองข้าม สิ่งหนึ่งที่คุณอาจจะประหลาดใจก็เป็นได้ก็คือ
มีการค้นพบดีเอ็นครั้งแรกด้วยวิธีการทางวิทยาศาสตร์ในราวปี พ.ศ.
2412 (หรือกว่า 130 ปีที่แล้ว) นี่เอง ในปีดังกล่าว นักชีวเคมีชาวสวิสชื่อ
ฟรีดริช ไมเอสเชอร์ ได้พบว่ามีสารเคมีชนิดหนึ่งในส่วนที่เรียกว่า
นิวเคลียส ของเซลล์ สารชีวเคมีดังกล่าวมีลักษณะพิเศษคือ มีธาตุไนโตรเจนและฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบด้วย
ซึ่งทำให้ต่างไปจากโปรตีนทุกชนิดที่รู้จักกันแล้วในสมัยนั้น เขาตั้งชื่อสารเคมีดังกล่าวตามต้นตอที่ได้มันมาว่า
นิวคลีอิน (nuclein) แต่ต่อมาอีก
20 ปี สารดังกล่าว ก็ได้รับการตั้งชื่อใหม่ว่าเป็น กรดนิวคลีอิก เนื่องจากมีการค้นพบเพิ่มเติมว่า
สารดังกล่าวมีลักษณะเป็นกรด แต่กรดนิวคลีอิกก็ไม่ได้รับความสนใจใยดีมากนักอยู่นานนับสิบๆปี
สาเหตุสำคัญก็เพราะว่า ไม่มีใครคาดคิดว่ามันจะทำหน้าที่เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต
กว่านักวิทยาศาสตร์จะรู้จักดีเอ็นเอมากขึ้นอีกก็ทิ้งช่วงไปอีกราวสามสิบปี
เมื่อนักชีวเคมีชาวเยอรมันชื่อ อัลเบร็ชท์
คอสเซล แยกสารประกอบที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบที่อยู่ในดีเอ็นเอออกมาได้
และ พบว่าเป็นเบส (หรือ ด่าง) สี่ชนิดด้วยกัน เขาได้ตั้งชื่อสารประกอบเบสทั้งสี่ว่า
อะดีนีน (Adenine, A), กัวนีน (Guanine, G), ไซโทซีน (Cytosine,
C) และ ไทมีน (Thymine, T) การค้นพบของคอสเซลยิ่งทำให้กรดนิวคลีอิกมีลักษณะเฉพาะที่แปลกพิสดารยิ่งขึ้นไปอีก เพราะมันเป็นกรดที่มีเบสเป็นองค์ประกอบอยู่ภายในด้วย!
ต่อมาในปี พ.ศ. 2454
นักชีวเคมีอีกท่านหนึ่งคือ ทีโอดอร์ เลวีน
ซึ่งเป็นลูกศิษย์ของคอซเซลได้พิสูจน์ว่า ในดีเอ็นเอมีน้ำตาลที่มีธาตุคาร์บอนรวม
5 อะตอมเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย นับเป็นการค้นพบที่ไม่มีใครคาดคิดมาก่อน
เพราะน้ำตาลที่รู้จักกันดีในสมัยนั้น (เช่น กลูโคส) ล้วนแล้วแต่มีคาร์บอนอยู่จำนวน
6 อะตอมทั้งสิ้น เลวีนได้ตั้งชื่อน้ำตาลดังกล่าวว่า ดีออกซีไรโบส (deoxyribose)
และนี่ก็เป็นที่มาของชื่อเต็มของดีเอ็นเอ (DNA) ที่ว่า กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก
(dexoyribonucleic acid) นั่นเอง ดีเอ็นเอ
กับโครโมโซมและยีน นอกจากการการศึกษาดีเอ็นเอด้วยวิธีการทางเคมีแล้ว
วิธีการทางจุลทรรศน์วิทยาก็ได้รับการพัฒนาควบคู่ไปด้วยเช่นเดียวกัน
ในราว พ.ศ. 2457 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อโรเบิร์ท
ฟูลเก็น ได้ค้นพบว่า หากย้อมเซลล์ด้วยสีย้อมบางชนิด สีย้อมดังกล่าวจะจับกับดีเอ็นเออย่างจำเพาะ
เขาใช้วิธีการดังกล่าวในการตรวจสอบตำแหน่งของดีเอ็นเอในเซลล์ และพบว่าดีเอ็นเออยู่ภายในนิวเคลียสในส่วนของโครโมโซม
และในช่วงนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างดีเอ็นเอกับ ยีน ก็เริ่มเป็นที่สนใจกัน
โดยเริ่มเป็นที่ทราบกันบ้างแล้วว่า โครโมโซมเป็นโครงสร้างภายในเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นหน่วยพันธุกรรมและยีนก็อยู่บนโครโมโซม
นักวิทยาศาสตร์ต้องรอไปอีกนานถึงสี่สิบกว่าปีจึงได้มีการค้นพบที่สำคัญและน่าตื่นเต้นของนักวิทยาศาสตร์หลายท่านออกมาอย่างต่อเนื่อง
ซึ่งต่างก็ชี้ไปในทิศทางเดียวกันว่า ดีเอ็นเออาจจะทำหน้าที่เป็นสารพันธุกรรม
และ อาจจะเป็น ยีน ที่ใครต่อใครกำลังค้นหากันอยู่นั่นเอง ดีเอ็นเอ
เป็นสารพันธุกรรม ในการพิสูจน์และยืนยันว่า
ดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม นักวิทยาศาสตร์ยังได้ใช้เทคนิคและความรู้ทางด้านชีวเคมี,
จุลชีวิทยา และ พันธุศาสตร์ในการพิสูจน์ เริ่มจากในปี พ.ศ. 2471 นักจุลชีววิทยาชาวอังกฤษชื่อ
เฟรเดริค กริฟฟิท ทดลองพบว่าหากฆ่าเซลล์แบคทีเรีย
นิวโมคอคคัส ที่มีผิวเซลล์เรียบและก่อโรคในหนูทดลอง ให้ตายหมดด้วยความร้อน
จากนั้นนำมาผสมกับเซลล์แบคทีเรียนิวโมคอคคัสอีกชนิดหนึ่งที่มีผิวขรุขระและไม่ก่อโรคในหนู
จากนั้นจึงนำไปฉีดใส่หนู ก็จะพบเซลล์แบคทีเรียนิวโมคอคคัสชนิดผิวเรียบที่มีชีวิตปะปนอยู่ในเนื้อเยื่อของหนูด้วย!
กริฟฟิทเสนอว่าน่าจะมี อะไรบางอย่าง จากเซลล์แบคทีเรียผิวเรียบ (ที่ตายไปแล้ว)
ที่สามารถ เปลี่ยนรูป หรือ แปลงรูป แบคทีเรียผิวขรุขระให้กลายไปเป็นแบคทีเรียผิวเรียบได้
ต่อมาในปี
พ.ศ. 2487 นักชีวเคมีชาวสหรัฐสามคนคือ ออสวอลด์
เอเวรี, คอลิน แมคลีออด และ แมคลิน
แมคคาร์ที พิสูจน์ได้ว่า สารที่ทำหน้าที่เปลี่ยนรูปแบคทีเรียผิวขรุขระได้ก็คือ
ดีเอ็นเอจากแบคทีเรียผิวเรียบนั่นเอง คำถามที่เกิดขึ้นทันทีก็คือ
ถ้าดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรมจริง มันเพิ่มจำนวนและถ่ายทอดได้อย่างไร
รวมทั้งมันมีความเกี่ยวข้องอย่างไรกับโปรตีน เพราะเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า
โปรตีนเป็นสารที่ควบคุมลักษณะและการทำงานแทบจะทุกอย่างในเซลล์ ดังนั้น ปัญหาเรื่องโครงสร้างของดีเอ็นเอจึงทวีความสำคัญและเป็นที่ต้องการรู้กันเป็นอย่างยิ่ง ดีเอ็นเอ
มีโครงสร้างเป็นรูปเกลียวคู่
ในช่วงเวลาดังกล่าว
ความรู้ที่จะใช้ในการไขความลับเกี่ยวกับโครงสร้างของสารได้มาจากเทคนิคที่เรียกว่า
เอกซเรย์ คริสตัลโลกราฟี (อ่านเพิ่มเติมได้จากบทความ เรื่องเล่าจากภาพดีเอ็นเอประวัติศาสตร์)
ในช่วงราวปี พ.ศ. 2494-2495 ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่คิงส์ คอลเลจ มหาวิทยาลัยลอนดอนนำโดย
มัวริส วิลคินส์ และ โรสลินด์
แฟรงคลิน ก็เริ่มได้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับโครงสร้างของดีเอ็นเอจากการทำทดลองโดยอาศัยเทคนิคเอกซเรย์
คริสตัลโลกราฟีข้างต้น พวกเขาคำนวณจากภาพฟิลม์เอกซเรย์และพบว่า
ดีเอ็นเอน่าจะจับกันมากกว่าหนึ่งสายและมีโครงสร้างเป็นรูปซ้ำๆ (ตอนนั้นคาดกันว่าน่าจะเป็นสามหรือสี่สาย)
นอกจากนี้ยังอาจจะมีรูปแบบการจับกันมากกว่าหนึ่งแบบอีกด้วย ซึ่งต่อมาภายหลังก็เรียกกันว่าเป็นดีเอ็นเอในรูปแบบ
(form) A และ B ในระยะเวลาเดียวกันนั้นเอง
นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังท่านหนึ่งคือ ไลนัส
พอลิ่ง ซึ่งทำวิจัยอยู่ที่สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ก็เพิ่งตีพิมพ์ผลงานที่มีชื่อเสียงมากชิ้นหนึ่งที่แสดงให้เห็นว่า
โปรตีนบางชนิดมีโครงสร้างเป็นรูป เกลียว ที่น่าสนใจก็คือ นอกจากจะใช้ข้อมูลจากวิธีการทำเอกซเรย์แล้ว
พอลิ่งยังใช้วิธีการสร้างรูปแบบจำลองเพื่อพิสูจน์เรื่องดังกล่าวได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย
งานดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งที่ส่งผลให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในปี พ.ศ.
2497 ในที่สุด
พอลิ่ง และ อาร์. บี. คอเรย์ ก็ได้เสนอโครงสร้างของดีเอ็นเอไว้ว่า
มีลักษณะเป็นรูปเกลียวคล้ายกับโปรตีนที่พวกเขาศึกษาอยู่ แต่พวกเขาไปพลาดที่คิดว่า
เกลียวดีเอ็นเอดังกล่าวน่าจะเกิดจากสายดีเอ็นเอจำนวนสามสาย ที่มาพันกันโดยมีแกนกลางการหมุนวนร่วมกัน
ซึ่งต่อมาก็พิสูจน์ได้ว่าไม่ถูกต้อง ในช่วงที่การแข่งขันเพื่อไขปัญหาเรื่องโครงสร้างดีเอ็นเอกำลังเข้มข้นเป็นที่สุดนี่เองที่
เจมส์ วัตสัน นักชีวเคมีชาวอเมริกันที่เพิ่งจบปริญญาเอกมาหมาดๆ
ได้โคจรมาพบกับ ฟรานซิส คริก นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่กำลังทำปริญญาเอกอยู่ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในขณะนั้น
วัตสันและคริกได้อาศัยข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างดีเอ็นเอที่ฟังมาจากวิลคินส์และแฟรงคลินในการสัมมนา
มาทำแบบจำลองดีเอ็นเอแบบเดียวกับที่พอลิ่งทำกับแบบจำลองโปรตีนของเขา
และในที่สุดพวกเขาก็บังเอิญได้เห็นผลการทดลองที่ดูไม่น่าจะเกี่ยวข้องเลย แต่กลับทำให้พวกเขาได้ข้อสรุปที่ถูกต้องก่อนคนอื่น
และมีผลทำให้พวกเขากลายเป็นผู้ชนะในการแข่งขันกันเปิดเผยความลับของชีวิต
ผ่านการเปิดเผยโครงสร้างของดีเอ็นเอ การทดลองที่ว่าเป็นของ เออร์วิน
ชาร์กาฟฟ์ ชาร์กาฟฟ์
ได้ทำการวิเคราะห์องค์ประกอบของดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆหลายชนิดและตีพิมพ์ไว้ในปี
พ.ศ. 2491 เขาพบว่า จำนวนเบสที่พบในดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีความแตกต่างกันไป
และ มีการเรียงตัวแบบกระจัดกระจายไม่สม่ำเสมอกันในสายของดีเอ็นเอ แต่ที่น่าประหลาดใจก็คือ
ในสายดีเอ็นเอแต่ละสายที่นำมาตรวจสอบ พวกเขาจะพบเสมอว่าจำนวนของเบสอะดีนีน
(A) จะมีค่าใกล้เคียงกับจำนวนของเบสไทมีน (T) ในขณะที่เบสกัวนีน (G)
จะมีจำนวนใกล้เคียงกับเบสไซโทซีน (C) เสมอ ข้อมูลตรงนี้นี่เองที่ทำให้วัตสันและคริกเห็นความเป็นไปได้ว่า
ดีเอ็นเอน่าจะจับกันอยู่เป็นเกลียวคู่โดยมีเบส A จับกับเบส T และเบส
C จับกับเบส G วัตสันและคริกได้ตีพิมพ์แนวคิดของพวกเขาเกี่ยวกับโครงสร้างของดีเอ็นเอในวารสาร
Nature ฉบับวันที่ 25 เมษายน พ.ศ. 2496 ในวารสารฉบับเดียวกันยังได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของวิลคินส์และแฟรงคลิน
จากมหาวิทยาลัยลอนดอนด้วย วัตสันและคริกได้ทำนายโครงสร้างของดีเอ็นเอว่า
น่าจะมีลักษณะเป็นเกลียว และที่สำคัญยิ่งไปกว่านั้นก็คือ ต้องเป็น
เกลียวคู่ เท่านั้นด้วย หากจะเปรียบเทียบให้เห็นภาพและเข้าใจได้ง่ายๆ
ก็จะเทียบได้กับ บันไดเวียน ไม่เพียงแต่ได้ทำนายโครงสร้างของดีเอ็นเออย่างถูกต้องเท่านั้น
ข้อความสำคัญเพียงหนึ่งประโยคในย่อหน้าสุดท้ายของผลงานชิ้นดังกล่าวยังได้กลายเป็น
วรรคทองทางวิทยาศาสตร์ ที่ได้กรุยทางใหม่สู่การทำความเข้าใจโลกของสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้อย่างน่ามหัศจรรย์ วัตสันและคริก
เขียนไว้ว่า มันไม่ได้รอดพ้นไปจากการสังเกตของเราว่า
การจับคู่อย่างจำเพาะที่เราได้คาดคะเนไว้ ได้แนะนำเราในทันทีเช่นกันถึงความเป็นไปได้ของกลไกการเพิ่มปริมาณสารพันธุกรรม
วัตสันและคริกได้ตีพิมพ์ทฤษฎีการเพิ่มปริมาณตัวเองของดีเอ็นเอ
ตามออกมาในเวลาห่างกันเพียงหนึ่งเดือน พวกเขาจิตนาการและคาดการณ์ได้อย่างแม่นยำว่า
สายดีเอ็นเอแต่ละสายจะทำหน้าที่เป็นต้นแบบสำหรับการสร้างดีเอ็นเอสายใหม่ที่จะจับกับตัวมันเองต่อไป
ทฤษฎีของเขาได้รับการพิสูจน์ด้วยการทดลองในเวลาต่อมาว่าถูกต้อง
วัตสันและคริก ตีพิมพ์ผลงานที่กล่าวมาข้างต้น
ขณะที่ทั้งคู่มีอายุเพียง 25 ปี และ 37 ปีเท่านั้น! เกลียวคู่ดีเอ็นเอกับชะตาชีวิตผู้ค้นพบ
ข้อมูลสำคัญอันหนึ่งที่วัตสันและคริกใช้เป็นหลักฐาน
จนสามารถสรุปโครงสร้างดีเอ็นเอได้อย่างถูกต้องก็คือ รูปบนฟิล์มเอกซเรย์
จากฝีมือของ โรสลินด์ แฟรงคลิน
เพื่อนร่วมงานของวิลคินส์ที่คิงส์ คอลเลจ มหาวิทยาลัยลอนดอน แฟรงคลินเป็นหนึ่งในผู้ชำนาญเทคนิคดังกล่าวในสมัยนั้น
มีผู้ค้นพบสมุดบันทึกของแฟรงคลิน
ที่เขียนวิเคราะห์ถึงความเป็นไปได้ที่ดีเอ็นเอน่าจะมีโครงสร้างสามมิติเป็นรูปเกลียวตั้งแต่
24 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2496 นั่นก็คือ เธอเข้าใกล้คำตอบที่ถูกต้องเกี่ยวกับโครงสร้างของดีเอ็นเอมากแล้วเช่นกัน
ในตอนนั้น มีผู้พบบันทึกการทดลองของแฟรงคลินในภายหลังที่ระบุว่า
หลังจากที่แฟรงคลินย้ายไปเมืองเบิร์คเบ็กในเดือนมีนาคมปีนั้น และตั้งต้นเขียนผลงานเกี่ยวกับโครงสร้างดีเอ็นเอ
(คล้ายกับที่วัตสันและคริกเขียน) เพื่อที่จะส่งไปตีพิมพ์ ในต้นฉบับระบุไว้ว่าเป็นวันที่
17 มีนาคม พ.ศ. 2496 ซึ่งหากเป็นเช่นนั้นจริง ... วันดังกล่าวก็เป็นวันก่อนหน้าที่วัตสันและคริกจะส่งต้นฉบับถึง
Nature เพียงหนึ่งวันเท่านั้น! กล่าวอีกนัยหนึ่ง
หากแฟรงคลินเขียนผลงานดังกล่าวเสร็จ (และเสนอได้อย่างถูกต้อง) และส่งไปยังวารสารทางวิทยาศาสตร์ฉบับใดฉบับหนึ่งก่อนวัตสันและคริก
ตอนนี้ประวัติศาสตร์การค้นพบโครงสร้างดีเอ็นเอก็คงจะเปลี่ยนไปอีกแบบ
และ เราก็จะได้จดจำกันว่าผู้คนพบโครงสร้างรูปเกลียวคู่ของดีเอ็นเอคือ
นักวิทยาศาสตร์หญิงที่ชื่อ โรสลินด์ แฟรงคลิน ต่างหาก! แต่ที่โชคร้ายยิ่งไปกว่านั้น
แฟรงคลินเสียชีวิตด้วยโรคมะเร็งก่อนวัยอันสมควรในปี พ.ศ. 2501 ซึ่งมีผลทำให้ชื่อของเธอแทบจะตกหายไปจากหน้าประวัติศาสตร์
เนื่องจากผลงานเรื่อง การแก้ปัญหาเรื่องโครงสร้างดีเอ็นเอเป็นเรื่องที่โดดเด่นเป็นอย่างยิ่ง
ส่งผลให้วัตสันและคริกได้รับรางวัลโนเบลด้านสรีรวิทยาหรือการแพทย์ร่วมกับวิลคินส์ในปี
พ.ศ. 2505 (หรือเพียงสี่ปีหลังจากการจากไปของแฟรงคลิน) แต่แฟรงคลินไม่ได้รับการเสนอชื่อเข้ารับรางวัลด้วย
เพราะ ติดที่กฎเกณฑ์ของรางวัลโนเบลที่ให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่ยังมีชีวิตอยู่เท่านั้น!
การค้นพบโครงสร้างดีเอ็นเอนับเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญทางวิทยา
ศาสตร์ชีวภาพ และเป็นจุดเริ่มต้นสำคัญที่เปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์สามารถค้นคว้าลึกลงไปในโมเลกุลที่เก็บงำความลับของ
ชีวิต นอกจากนี้ยังก่อให้เกิดความเปลี่ยนแปลงแบบลูกโซ่อย่างต่อเนื่องในแวดวงวิทยาศาสตร์เอง
ก่อให้เกิดการประยุกต์ใช้ความรู้และ เทคนิคที่เกี่ยวข้องกับดีเอ็นเออย่างกว้างขวางสืบเนื่องถึงปัจจุบัน
ดังที่จะทุกท่านจะได้เห็นในบทความพิเศษอื่นๆของ UpDATE ในฉบับครบรอบกึ่งศตวรรษการค้นพบโครงสร้างเกลียวคู่ดีเอ็นเอนี้
โดย... ดร.นำชัย
ชีววิวรรธน์
อ่านเรื่องราวฉบับสมบูรณ์พร้อมภาพประกอบได้จากนิตยสาร
UpDATE ฉบับ 188 เมษายน 2546

UpDATE นิตยสารรายเดือน ราคาฉบับละ 60 บาท
http://update.se-ed.com
อัตราสมาชิก 12 ฉบับ 720 บาท จัดพิมพ์โดย
บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด(มหาชน)
อาคารเนชั่นทาวเวอร์ ชั้น 19 เลขที่ 46/87-90 ถ.บางนา-ตราด แขวงบางนา เขตบางนา กรุงเทพฯ 10260
โทร.0-2751-5800, 0-2751-4175 โทรสาร 0-2751-5059
E-mail : update@se-ed.com
|