เทคโนโลยีชีวภาพ

เทคโนโลยีชีวภาพ หมายถึง การนำเอาความรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะความรู้สาขาชีววิทยามาประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ในด้านต่างๆ เช่น การถ่ายฝากตัวอ่อน การโคลน (Cloning) พืชและสัตว์ให้มีจำนวนมากขึ้น และพันธุวิศวกรรม เป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงสารพันธุกรรมในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต เพื่อให้ได้สิ่งมีชีวิตที่มีสมบัติตามต้องการ ซึ่งเป็นเทคนิควิธีที่นำมาใช้ในการปรับปรุงสายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิต
การถ่ายฝากตัวอ่อน เป็น วิธีที่พัฒนามาจาก การผสมเทียม เพื่อให้ได้ปริมาณสัตว์พันธุ์ดีเพิ่มขึ้นในระยะเวลาที่เท่ากัน วิธีการถ่ายฝากตัวอ่อนนี้ จะทำกับสัตว์ที่ตกลูกครั้งละ 1 ตัว และใช้เวลาอุ้มท้องนานๆ เช่น โค กระบือ เป็นต้น ขั้นตอนการถ่ายฝากตัวอ่อน มีดังนี้

แผนผัง : การถ่ายฝากตัวอ่อน

ตาราง : แสดงการเปรีบยเทียบของวิธีการผสมเทียมกับการถ่ายฝากตัวอ่อน

การโคลน (Cloning) เป็นการผลิตสิ่งมีชีวิตให้มีลักษณะพันธุกรรมเหมือนกันทุกประการ ทำให้ได้สิ่งมีชีวิตที่มีลักษณะเหมือนกัน เป็นจำนวนมาก ภายในระยะเวลาอันสั้น ซึ่งทำให้ได้ทั้งในพืชและสัตว์ อย่างเช่น การโคลนพืชซึ่งเป็นที่รู้จักกันมาก เนื่องจากมีการนำมาใช้ในวงการอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลายใน พ.ศ.2537 ที่เรียกว่า ” การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช ”
การโคลนพืชซึ่งเป็นที่รู้จักกันมาก เนื่องจากมีการนำมาใช้ในวงการอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลายใน พ.ศ.2537 ที่เรียกว่า “การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ”

ภาพ : ขั้นตอนการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ

ภาพ : การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ

ภาพ : การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช

การโคลนสัตว์ (Animal cloning) ดร.เอียน วิลมุต นักวิทยาสาสตร์ชาวสกอต ได้โคลนแกะดอลลี่สำเร็จด้วยวิธีการ ดังนี้

ภาพ: แสดงการโคลนนิ่งแกะดอลลี่

พันธุวิศวกรรม (genetic engineering) หมายถึง การนำเอายีนจากสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปถ่ายฝากให้กับสิ่งมีชีวิตอื่น โดยมียีนพาหะพาไปทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลักษณะต่างไปจากพันธุ์เดิมที่มี อยู่ในธรรมชาติ เช่น การนำยีนบางยีนจากปลาตัวใหญ่มาใส่ปลาตัวเล็ก แล้วทำให้ปลาเล็กมีขนาดใหญ่กว่าเดิม หรือหนูเล็กได้รับยีนที่สร้างฮอร์โมนเจริญเติบโต (growth hormone (GH)) ของมนุษย์เข้าไป ทำให้ขนาดใหญ่ขึ้น เป็นต้น

ดีเอ็นเอพาหะ (DNA vector) เป็นตัวรับชิ้นส่วนของยีนเพื่อต้องการศึกษา แล้วนำไปสอดแทรกในดีเอ็นเอหรือโครโมโซมเป้าหมาย ดีเอ็นเอพาหะที่นิยมใช้กันคือ พลาสมิด (pasmid) ตามปกติพบอยู่ในเซลล์แบคทีเรีย มีขนาดเล็ก รูปร่างกลม สามารถจำลองตัวเองได้ พบอยู่เป็นอิสระ ไม่รวมกับโครโมโซมของแบคทีเรีย มีสมบัติทำให้แบคทีเรียสามารถต้านยาปฏิชีวนะ ต้านโลหะหนัก และชักนำให้เกิดปมขึ้นในพืช
ประโยชน์ของพันธุวิศวกรรม มีดังนี้
1. ผลิตฮอร์โมน เช่น ฮอร์โมนอินซูลิน เอนเดอร์ฟิน เป็นต้น ฮอร์โมอินซูลินนี้แต่ก่อนอกสกัดได้จากเนื้อเยื่อหรือต่อมไร้ท่อของสัตว์ แต่ปัจจุบันผลิตได้จากแบคทีเรียและยีสต์
2. สร้างวัคซีน ใช้สร้างวัคซีนที่ปราศจากสารแอนติเจนที่มีพิษ ป้องกันโรคตับอักเสบ โรคเท้าเปื่อยในสัตว์ และโรคกลัวน้ำ
3. แก้ไขโรคพันธุกรรมบางชนิด โดยการตรวจพันธุกรรมของทารกก่อนเกิดโดยใช้น้ำคร่ำ เพื่อตรวจหา DNA ที่ผิดปกติ แล้วทำการแก้ไข DNA
4. ปรับปรุงพันธุ์พืชและพันธุ์สัตว์ เช่น การสร้างสัตว์ให้มีขนาดใหญ่ขึ้น โตเร็ว มีปริมาณเนื้อมาก หรือให้ได้พันธุ์พืชที่ทนทานต่อแมลงศัตรูพืช ให้ผลผลิตมาก เป็นต้น

แผนภาพ : แสดงขั้นตอนการตัดต่อยีนในสิ่งมีชีวิต

ประโยชน์ของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชีวภาพ

ปัจจุบันได้มีการนำเทคโนโลยีชีวภาพมาใช้ให้เกิดประโยชน์ในด้านการเกษตร อุตสาหกรรม และการแพทย์ ดังนี้

1. การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ มีประโยชน์ดังนี้

• ขยายพันธุ์พืชได้อย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะพืชเศรษฐกิจที่ได้รับการคัดเลือกพันธุ์หรือปรับปรุงพันธุ์แล้ว
• การปรับปรุงพันธุ์พืช ทำให้สามารถสร้างพันธุ์พืชชนิดต่างๆ ได้ตามต้องการ เช่น การสร้างลูกผสมพันธุ์ใหม่ที่ผสมพันธุ์ผักกาดขาวกับกะหล่ำปลีได้ผักกาดกะหลการเพาะเลี้ยงต้นอ่อน เช่น มะพร้าวกะทิ เป็นต้น ผลิตพืชที่ปราศจากโรค โดยการตัดเอาส่วนที่เจริญมาเพาะเลี้ยงในอาหารปลอดเชื้อ ทำให้ต้นพืชที่ได้จากการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อปราศจากเชื้อไวรัส
• การผลิตสารเคมีบางชนิด ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากในทางเภสัชกรรม ได้แก่ พืชสมุนไพรต่างๆ

1.  การผสมเทียมและการถ่ายฝากตัวอ่อน เป็นการเพิ่มปริมาณ และพัฒนาคุณภาพการผลิตของกิจการปศุสัตว์ เช่น การผลิตโคนมที่ให้น้ำนมมาก โคเนื้อที่มีเนื้อมาก สำหรับใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเนื้อโค นมโค และแปรรูปนมผงหรืออาหารกระป๋อง
2. พันธุวิศวกรรม มีประโยชน์ ดังนี้

• เพิ่มผลผลิตโปรตีนที่สำคัญและหายากโดยใส่ยีนที่ต้องการเข้าไปใน จุลินทรีย์ ได้แก่ แบคทีเรีย หรือยีสต์ เพื่อให้สามารถผลิตโปรตีนที่เป็นประโยชน์ เช่น โกรทฮอร์โมน อินซูลิน อินเตอร์ฟีรอน วัคซีนโรคตับอักเสบชนิดบี วัคซีนโรคปากเท้าเปื่อยในสัตว์ เป็นต้น
• ปรับปรุงสายพันธุ์จุลินทรีย์ที่ใช้ในอุตสาหกรรม เช่น การผลิตยาปฏิชีวนะ การหมัก การกำจัดศัตรูพืชและสัตว์ เป็นต้น
• ตรวจวินิจฉัยและแก้ไขความบกพร่องทางพันธุกรรมของมนุษย์ สัตว์ และพืชได้อย่างแม่นยำและถูกต้องยิ่งขึ้น
• เพื่อรักษาโรคทางพันธุกรรม
• ผลิตพลังงานจากพืช เช่น การผลิตแอลกอฮอล์จากแป้งมันสำปะหลัง การลดความหนืดของน้ำมัน เป็นต้น

ความหลากหลายของพืชและสัตว์

ความหลากหลายของพืชและสัตว์
ระดับความหลากหลายทางชีวภาพ

ความหลากหลาย หมายถึง ลักษณะที่แตกต่างของสิ่งมีชีวิตในแหล่งที่อยู่เดียวกันอันเนื่องมาจากพันธุ กรรมหรือยีนและกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่มีความสัมพันธ์กัน
ความหลากหลายทางชีวภาพ (biodiversity) หมายถึง ความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ ที่อาศัยอยู่ในแหล่งที่อยู่เดียวกันหรือแหล่งที่อยู่ต่างกัน โดยสิ่งมีชีวิตเหล่านี้อาจมีความแตกต่างกันทั้งด้าน ชนิด จำนวน และลักษณะทางพันธุกรรม
นักชีววิทยาได้กล่าวถึงความหลากหลายทางชีวภาพได้ 3 ระดับ ดังนี้
1. ความหลากหลายในระดับพันธุกรรม หมายถึงความหลากหลายขององค์ประกอบทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตที่แสดงออกให้ เห็น ทำให้สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีความแตกต่างกันไป เช่น ลักษณะของผีเสื้อ จะมีสี ขนาด และลวดลายของปีก แตกต่างกันตามชนิดและสายพันธุ์

ภาพ : แสดงผีเสื้อชนิดต่างๆ

ความหลายหลายทางพันธุกรรมมีสาเหตุดังนี้
o การผ่าเหล่า หมายถึง ลูกที่เกิดมามีลักษณะที่แตกต่างจากพ่อแม่ อาจเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหรือได้รับสารเคมี เช่น สิ่งแวดล้อมเป็นพิษ เป็นต้น
o การปรับปรุงพันธุ์เพื่อให้ได้พันธุ์ที่ใหม่และดีกว่าเดิม
o การสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศที่มีลักษณะเด่น และลักษณะด้อยของพ่อ แม่แตกต่างกัน
o การใช้เทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ เช่น การผสมเทียม เพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ การโคลนนิ่ง การตัดต่อยีน เป็นต้น
2. ความหลากหลายในระดับของสิ่งมีชีวิต เป็นความแตกต่างของจำนวนชนิดของสิ่งมีชีวิตและจำนวนประชากรของสิ่งมีชีวิต แต่ละชนิด เนื่องจากสาเหตุ ดังนี้
o การวิวัฒนาการแบบทีละเล็กละน้อยจนกระทั่งสามารถปรับตัวได้
o การคัดเลือกพันธุ์ตามธรรมชาติ ซึ่งจะคัดเลือกสายพันธุ์ที่ดีเอาไว้
3. ความหลากหลายในระดับระบบนิเวศ ระบบนิเวศ หมายถึง ระบบของความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิตในแหล่งที่อยู่แหล่งใดแหล่งหนึ่ง ซึ่งมีปัจจัยทางกายภาพและชีวภาพที่เหมาะสมกับสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดในระบบ นิเวศนั้น

 

กฎของเมนเดล

เมนเดล (Gregor Johann Mendel) บาทหลวงชาวออสเตรเลีย ผู้ได้ชื่อว่าเป็น “บิดาแห่งวิชาพันธุศาสตร์” ได้ศึกษาเกี่ยวกับการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม และได้ตั้งกฎไว้ 2 ข้อ คือ
1. กฎแห่การแยกตัว (Law of segregation) กล่าวไว้ว่า ยีนในสิ่งมีชีวิตจะอยู่เป็นคู่ เมื่อมีการสร้างเซลล์สืบพันธุ์ ยีนเหล่านี้จะแยกออกจากกันอย่างอิสระไปสู่เซลล์สืบพันธ์แต่ละเซลล์
2. กฎแห่งการรวมกลุ่มอย่างอิสระ (Law of independent assortment) กล่าวไว้ว่า ยีนที่อยู่ในเซลล์สืบพันธุ์จะมารวมกันอย่างอิสระเมื่อมีการปฏิสนธิ ทำให้ยีนดังกล่าวถูกถ่ายทอดไปยังรุ่นถัดไปได้ ซึ่งการถ่ายทอดลักษณะดังกล่าวจะถูกถ่ายทอดไปยังโครโมโซมร่างกายหรือโครโมโซม เพศ
เมนเดลได้ผสมพันธุ์ถั่วลันเตาเพื่อศึกษาการถ่ายทอดลักษณะทาง พันธุกรรม ลักษณะภายนอกของต้นถั่วลันเตาที่เมนเดลศึกษามีหลายลักษณะ แต่เมนเดลได้เลือกศึกษาเพียง 7 ลักษณะโดยแต่ละลักษณะนั้นมีความแตกต่างกัน เช่น ต้นเตี้ยกับต้นสูง ลักษณะเมล็ดเรียบและขรุขระ เป็นต้น

ต้นถั่วที่เมนเดลนำมาเป็นพ่อพันธุ์และแม่พันธุ์นั้น เป็นพันธุ์แท้ทั้งคู่ สายพันธุ์แท้นี้ ได้จากการนำต้นถั่วแต่ละสายพันธุ์มาปลูกและผสมพันธุ์ภายในดอกเดียวกัน เมื่อต้นถั่วออกฝัก นำเมล็ดแก่ไปปลูกจากนั้นรอกระทั่งต้นถั่วเจริญเติบโต จึงคัดต้นที่มีลักษณะเหมือนพ่อแม่ นำมาผสมพันธุ์ต่อไปอีกหลายๆ รุ่น

เมนเดลได้ผสมพันธุ์ระหว่างต้นถัวพันธุ์แท้ที่มีลักษณะแตกต่างกัน 1 ลักษณะ เช่น ผสมต้นถั่วพันธุ์ดอกสีม่วงกับพันธุ์ดอกสีขาว ด้วยวิธีการ ดังภาพ

แล้วบันทึกลักษณะของต้นถั่วลูกผสมที่เกิดขึ้นจากนั้นให้ลูกผสมรุ่นที่ 1 ผสมภายในดอกเดียวกัน แล้วสังเกตลักษณะของลูกผสมในรุ่นที่ 2
เมนเดลเรียกลักษณะต่างๆ ที่ปรากฏในลูกรุ่นที่ 1 เช่น เมล็ดกลมและลักษณะต้นสูงกว่าว่า “ลักษณะเด่น” ส่วนรุ่นลักษณะที่ไม่ปรากฏในรุ่นที่ 1 แต่กลับมาปรากฏในรุ่นที่ 2 เช่น เมล็ดขรุขระและลักษณะต้นเตี้ยเรียกว่า “ลักษณะด้อย”
จากการทดลองเมนเดลสรุปได้ว่า ลักษณะด้อยจะไม่ปรากฏให้เห็นในลูกรุ่นที่ 1 แต่มาปรากฏในรุ่นที่ 2 และเมื่อนับจำนวนลูกในรุ่นที่ 2 พบว่า มีอัตราส่วนระหว่างลักษณะเด่นกับลักษณะด้อยประมาณ 3 ต่อ 1 เมนเดลอธิบายผลการทดลองที่ปรากฏขึ้นว่า “สิ่งมีชีวิต มีหน่วยควบคุมลักษณะแต่ละลักษณะที่สามารถถ่ายทอดจากพ่อแม่ไปยังรุ่นต่อไปได้ หน่วยควบคุมลักษณะนี้อยู่เป็นคู่ๆ เมื่อสิ่งมีชีวิตสร้างเซลล์สืบพันธุ์ หน่วยดังกล่าวจะแยกออกจากกัน โดยไปอยู่ในเซลล์สืบพันธุ์แต่ละเซลล์ และจะมาเข้าคู่กันอีกครั้งภายหลังการรวมกันระหว่างเซลล์สืบพันธุ์เพศผู้ และเพศเมีย หน่วยควบคุมลักษณะที่เมนเดลกล่าวถึงนี้ ต่อมาเรียกอีกว่า ยีน ซึ่งมีทั้งยีนที่ควบคุมลักษณะเด่น และยีนที่ควบคุมลักษณะด้อย”
ลักษณะพันธุ์แท้ และพันธุ์ทาง
ลักษณะพันธุ์แท้
นักพันธุศาสตร์ใช้อักษรหรือสัญลักษณ์แทนยีนแต่ละยีน โดยใช้อักษรภาษาอังกฤษตัวพิมพ์ใหญ่แทนยีนที่ควบคุมลักษณะเด่น อักษรตัวพิมพ์เล็ก แทนยีนที่ควบคุมลักษณะด้อย เช่น T แทนยีนที่กำหนดลักษณะต้นสูง ซึ่งเป็นลักษณะเด่น และอักษร t แทนยีนที่ควบคุมลักษณะต้นเตี้ย ซึ่งเป็นลักษณะด้อย เช่น

จากแผนภาพ แสดงยีนที่ควบคุมลักษณะ และผลของการถ่ายทอดลักษณะในการผสมพันธุ์ระหว่างต้นถั่วสูงและต้นถั่วเตี้ย และการผสมพันธุ์ระหว่างลูกรุ่นที่ 1

ในลูกรุ่นที่ 1 เมื่อยีน T ที่ควบคุมลักษณะต้นสูงซึ่งเป็นลักษณะเด่น เข้าคู่กับยีน t ที่ควบคุมลักษณะต้นเตี้ยซึ่งเป็นยีนด้อย ลักษณะปรากฏจะเป็นลักษณะที่ควบคุมด้วยยีนเด่น ดังจะเห็นว่าลูกในรุ่นที่ 1 มีลักษณะต้นสูงหมดทุกต้น และเมื่อนำลูกรุ่นที่ 1 มาผสมกันเองก็จะเป็นเหมือนรูปด้านล่าง

เช่น เด่นเหมือนกันหรือด้อยเหมือนกัน กำหนดให้ T เป็นลักษณะเด่น t เป็นลักษณะด้อย
• ลักษณะต้นสูงพันธุ์แท้จะมีอัลลีลของยีนที่เข้าคู่กันคือ TT
• ลักษณะต้นเตี้ยแคระพันธุ์แท้จะมีอัลลีลของยีนที่เข้าคู่กันคือ tt

ลักษณะพันทาง
ลักษณะที่ปรากฎ (ฟีโนไทป์) ให้เห็นเป็นลักษณะเด่น แต่มีลักษณะด้อยแฝงอยู่ แอลลีลของยีนที่เข้าคู่กันจะมีลักษณะที่แตกต่างกัน เช่น ลักษณะสูงไม่แท้ที่เรียกว่า พันทาง จะมีรูปแบบของยีน (จีโนไทป์) คือ Ab หรือ aA