DNA

ปัจจุบันนี้หากพูดถึงคำว่า “ดีเอ็นเอ (DNA)” ก็คงจะคุ้นหูกันจนเป็นเรื่องธรรมดาไปเสียแล้วสำหรับคนไทย เพราะหากดูจากพาดหัวข่าวหนังสือพิมพ์จะมีคำว่า “ดีเอ็นเอ” ปรากฏออกมาเป็นระยะๆอย่างไม่ขาดสาย... จะหาคนร้ายหรือตรวจสอบฆาตกรก็ต้อง “ตรวจดีเอ็นเอ” อยากรู้ว่าเป็นญาติกับคนดังจริงหรือไม่ก็ต้อง “ตรวจดีเอ็นเอ” อยากรู้ว่า “มีอะไรกับใคร” จริงหรือไม่ก็ต้อง “ตรวจดีเอ็นเอ” (อีกเช่นกัน)



ไม่เว้นแม้แต่จะตรวจว่า ไม้ท่อนที่ตำรวจเก็บไว้เป็นของกลางมาจากสาละวินจริงหรือไม่ … ก็ยังต้องมีการขอให้ “ตรวจดีเอ็นเอ” กันเลยครับ

[รูปที่ 1]

[ดีเอ็นเอ โมเลกุลแห่งชีวิต]

นอกจากดีเอ็นเอจะกลายมาเป็น “อุปกรณ์” หรือ “หลักฐาน” สำคัญในการไขปริศนาคดีลึกลับต่างๆแล้ว ดีเอ็นเอยังเป็น “สัญลักษณ์ (symbol)” หรือ ( ถ้าจะเรียกให้ทันสมัยทันยุคที่คอมพิวเตอร์ครองเมืองก็คงต้องว่าเป็น “ไอคอน (icon)”) สำหรับวิทยาศาสตร์ชีวภาพไปแล้ว ในแบบเดียวกับที่เวลาคิดถึงวิชา “ฟิสิกส์” คนจำนวนไม่น้อยจะนึกถึงภาพนักวิทยาศาสตร์หัวฟูๆท่านนั้น (ก็จะใครเสียอีกล่ะครับ… ก็คุณปู่ไอน์สไตน์นั่นแหละครับ) และ สมการสะท้านโลกอย่าง E= mc² สมการนั้น

[รูปที่ 1]

[ดีเอ็นเอที่มีโครงสร้างเป็นรูปเกลียวคู่

ประกอบขึ้นจากน้ำตาล หมู่ฟอสเฟต และเบสรวม 4 ชนิด]

ความจริงคนเรารู้จักกับดีเอ็นเอมาเกือบ 140 ปีมาแล้ว แต่นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ไม่ให้ความสำคัญกับมันมากนัก เนื่องจากกำลังมัวสนใจกับ โปรตีน โมเลกุลมหัศจรรย์อีกชนิดหนึ่ง เหตุผลสำคัญก็คือ โปรตีนมีความหลากหลายและลักษณะซับซ้อน จึงเชื่อกันว่า โปรตีนน่าจะเป็นสารที่เหมาะสมกับหน้าที่ในการกุมความลับของชีวิตและเป็น สารพันธุกรรม ที่ถ่ายทอดลักษณะของสิ่งมีชีวิตจากรุ่นหนึ่งไปยังอีกรุ่นหนึ่ง



ดีเอ็นเอกลายมาเป็นที่สนใจในวงกว้างมากขึ้นเมื่อ 50 ปีที่แล้วมานี่เอง เมื่อนักวิทยาศาสตร์หนุ่มสองคนในขณะนั้นคือ เจมส์ วัตสัน และ ฟรานซิส คริก ได้ประกาศการค้นพบโครงสร้างดีเอ็นเอว่าเป็นสายคู่ที่บิดพับเป็นเกลียวคล้ายบันไดเวียนแบบที่เรียกว่า
ดับเบิลเฮลิกซ์ (double helix) ในวารสารวิทยาศาสตร์ที่เก่าแก่และมีชื่อเสียงฉบับหนึ่งคือ Nature เมื่อวันที่ 25 เมษายน 2496

[รูปที่ 2]

[เจมส์ วัตสัน และ ฟรานซิส คริก สองนักวิทยาศาสตร์

ผู้ค้นพบโครงสร้างดีเอ็นเอกับโมเดลและรูปวาดดีเอ็นเอของพวกเขา]

[รูปที่ 3]

[บทความของวัตสันและคริก ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ในปี 2496

สังเกตนะครับว่ามีความยาวเพียงหนึ่งหน้ากระดาษนิดๆเท่านั้น]

เหตุที่บทความดังกล่าวกระตุ้นความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้น ก็เพราะว่า วัตสันและคริกสังเกตและแนะนำไว้อย่างถูกต้อง (ตรวจสอบด้วยการทดลองในภายหลัง) ว่าสายดีเอ็นเอแต่ละสายทำหน้าที่เป็น “ต้นแบบ” ในการสร้างสายดีเอ็นเอสายใหม่ขึ้นได้ ซึ่งทำให้สมมติฐานที่เริ่มชัดเจนมากขึ้นเรื่อยๆในสมัยนั้นว่า ดีเอ็นเอนี่เองที่น่าจะทำหน้าที่เป็น “สารพันธุกรรม” ... ฟังดูมีน้ำหนักและสมเหตุสมผลอย่างที่สุด



การค้นพบดังกล่าวส่งผลกระทบอย่างกว้างขวางและลึกซึ้งต่อแวดวงวิทยาศาสตร์ และ ส่งผลให้วัตสันและคริกได้รับรางวัลโนเบลสาขาการแพทย์หรือสรีรวิทยาร่วมกับนักวิทยาศาสตร์อีกท่านหนึ่งที่มีผลงานเกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด คือ มัวริส วิลคินส์ ในปี 2505



นับจากการประกาศการค้นพบโครงสร้างของดีเอ็นเอ ก็มีการค้นพบคุณสมบัติต่างๆของดีเอ็นเอออกมาเรื่อยๆ ซึ่งล้วนแล้วแต่น่าสนใจจนกล่าวได้ว่าถึงขั้น “มหัศจรรรย์” ได้อย่างเต็มปากเต็มคำ … ดังที่ผมจะได้ยกตัวอย่างและสาธยายให้ฟังโดยละเอียดต่อไป

ลักษณะที่เด่นชัดที่สุดข้อหนึ่งของดีเอ็นเอก็คือ ดีเอ็นเอมี “ขนาดที่เล็กมาก” ปกติแล้วเราไม่อาจจะมองเห็นสายของดีเอ็นเอได้ด้วยตาเปล่า แม้แต่กล้องจุลทรรศน์ที่พบเห็นได้ตามห้องปฏิบัติการทั่วๆไป ที่มีกำลังขยายได้มากถึงพันเท่า ก็ยังมองเห็นดีเอ็นเอ ได้ในภาวะพิเศษและค่อนข้างเฉพาะเท่านั้น คือ ภาวะที่ดีเอ็นเออัดกันแน่นเป็นพิเศษในโครงสร้างที่มีชื่อว่า “โครโมโซม” ในห้วงเวลาขณะเซลล์กำลังแบ่งตัวเองเพื่อเพิ่มจำนวน



แถมต้องย้อมด้วยสีจำเพาะก่อนที่จะมองเห็นอีกต่างหาก



แต่อันที่จริงถ้าเรามีจำนวนเซลล์มากพอ (เซลล์อะไรก็ได้ ไม่ว่าจะเป็นเซลล์แบคทีเรีย เซลล์พืช หรือเซลล์สัตว์) เราก็อาจจะสกัดเอาดีเอ็นเอออกมาจากเซลล์เหล่านั้นได้ด้วยสารเคมีที่หาได้ง่ายและกระบวนการที่ไม่ยุ่งยากมากนัก (ลองไปถามนักวิจัยไบโอเทคดูได้ครับ มีคนทำเป็นอยู่หลายคนครับ) ในกรณีนี้เราอาจจะเห็น “ก้อน” ดีเอ็นเอได้เป็นสายหรือกระจุกสีขาวใสหรือขาวขุ่นได้เหมือนกัน แต่ดีเอ็นเอที่เห็นไม่ใช่สายเดียว (หรือสายเดี่ยว!) หรือ สายคู่แค่นั้น แต่เป็นกลุ่มของสายดีเอ็นเอนับล้านๆเส้น (หรือมากกว่านั้น) ที่มาเกาะเกี่ยวกันอยู่



อยากรู้ไหมครับว่า ดีเอ็นเอมีขนาดเล็กแค่ไหน มีรูปทรง และ ความเป็นระเบียบที่น่าสนใจสักเพียงใด หากเฉลยกันง่ายๆ … ก็คงไม่น่าสนใจเท่าไหร่ ลองเอา “การบ้าน” ไปทำดูก่อนสักสองข้อนะครับ


— ข้อแรกคือ ลองไปหาเทปเพลง (เก่าๆที่ไม่ใช้แล้วหรือเสียแล้วก็ได้ครับ) ลองเอามาเปิดดูว่า
“กินเวลา” ยาวสักเท่าไหร่ (กี่นาที) จากนั้นลอง “ประมาณ” ความยาวดูนะครับว่า เทปอันนั้นจะมี
“ความยาว” สักเท่าไหร่ (กี่เมตร?) แล้วลอง “ดึง” เทปอันนั้นออกมา “วัด” ดูว่า อันที่จริงแล้วยาวสักเท่าไร
จะ “วัดไปตัดไป” ด้วยเลยก็ได้ไม่ว่ากัน ... สละเทปสักอันเพื่อความรู้ความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์คงไม่เป็นไรนะครับ!



— จากนั้นลองไปหาเชือกมาดูสักอัน เชือกอะไรก็ได้ครับ … เชือกป่าน เชือกปอ เชือกลูกเสือ
ยิ่งเส้นใหญ่ได้เท่าไหร่ยิ่งดี ถ้าหาไม่ได้จริงๆ ลองไปหาเชือกมัดพัสดุไปรษณีย์มาดูก็ยังดี
ลองสังเกตการพัน ม้วนและโครงสร้างของเชือกให้ดีครับ



คราวหน้าเรามาดูกันว่า เทปเพลงและเส้นเชือกจะ “สอน” เราเกี่ยวกับโครงสร้างดีเอ็นเอได้อย่างไร

ผมได้เกริ่นลักษณะที่เด่นชัดที่สุดข้อหนึ่งของดีเอ็นเอไว้ในคราวที่แล้วก็คือ ดีเอ็นเอมี
“ขนาด” ที่เล็กมาก เราไม่อาจจะมองเห็นสายของดีเอ็นเอได้ด้วยตาเปล่า



ถ้าอยากรู้ว่า ดีเอ็นเอ มีขนาดเล็กขนาดไหน ก็ต้องเริ่มจากการสมมตินะครับ … ลองสมมติว่าเราเป็น
“ซูเปอร์แมน” (ถ้าเป็นผู้หญิงให้เป็น “สาวน้อยมหัศจรรย์” ก็ได้ครับ … ไม่ว่ากันอยู่แล้ว)
สมมติต่อไปให้ซูเปอร์แมนมีพลังพิเศษที่ทำให้สามารถมองทะลุทะลวงลงไปเห็นสิ่งต่างๆที่มีขนาดเล็กได้ดังใจ
... อย่างที่คนทั่วไปทำไม่อาจทำได้ … เอาเป็นว่าเพิ่มกำลังขยายได้คราวละ “สิบเท่า”
ก็แล้วกันนะครับ

[รูปที่ 4 และ รูปที่ 5 ตามลำดับ]

ถ้าเราเริ่มต้นจากไปแอบมองชายหนุ่มที่ออกไปปิคนิคแล้วนอนสลบไสลอย่างมีความสุขบนสนามหญ้าในวันอากาศแจ่มใสดังรูปที่
4 (เอ่อ … แค่มองเฉยๆ คงไม่โดนข้อหาเบี่ยงเบนทางเพศนะครับ!) ในรูปที่
4 นี้กรอบทั้งสี่ด้านจะมีขนาดด้านละ 1 เมตร อันเป็นขนาดความยาวที่มนุษย์เราคุ้นเคยกันดี
คราวนี้หากมองเจาะลงไปที่กรอบสี่เหลี่ยมบริเวณกึ่งกลางของภาพก็จะเห็นดังรูปที่
5 จะเห็นบริเวณหลังมือของชาติคนนี้ชัดเจนมากยิ่งขึ้น (ก็ชัดเจนขนาดเห็นขนบนหลังมือได้
“จะจะ” นั่นแหละครับ)

[รูปที่ 6 และ รูปที่ 7 ตามลำดับ]

จากนั้นมองเจาะลงไปอีกสิบเท่า
ก็จะเริ่มเห็นภาพที่ไม่คุ้นเคยของเซลล์ผิวหนังที่เรียงแผ่กันอย่างน่าสนใจอย่างในรูปที่
6 ผิวหนังที่เห็นนี่เป็นลักษณะปกติของคนทั่วไปนะครับ คุณผู้หญิงที่ประทินผิวอย่างประณีตบรรจงอย่างไรก็ตาม
หากมอง ”ความงาม” กัน “ลึกซึ้ง” ถึงระดับนี้แล้วก็อาจจะงดงามไม่ต่างกันมากนักหรอกนะครับ
ลองมองลึกลงไปอีกสิบเท่านะครับ จะเห็นดังในรูปที่ 7 ที่ระดับความละเอียดขนาดนี้คุณจะเริ่มเห็น
“ร่อง” และ “หลุม” บนผิวหนังที่ราบเรียบและราบลื่นงดงามของคุณ



ในรูปที่ 7
นี้กรอบแต่ละข้างจะมีขนาดเพียง 1 มิลลิเมตรหรือ “1 ใน 1000 ของเมตร” หมายถึงว่า
หากคุณมีไม้เมตรสักอัน (ความยาว 1 เมตรก็ประมาณว่าเทียบเท่ากับ “ความยาวที่วัดจากปลายนิ้วของแขนข้างหนึ่งไปยังปลายนิ้วของแขนอีกข้างหนึ่งที่กางออกสุดแขน”
นั่นแหละครับ) คุณจะต้องตัดแบ่งไม้เมตรอันดังกล่าวออกเป็น 1,000 ชิ้นเท่าๆกันจึงจะได้ขนาดความยาวเท่ากับ
“หนึ่งมิลลิเมตร” ที่ความละเอียดขนาดนี้ก็เข้าใกล้จุดจำกัดของความสามารถในการมองสิ่งของเล็กๆของคนทั่วไปแล้วล่ะครับ

[รูปที่ 8 และ รูปที่ 9 ตามลำดับ]

แต่เราจะไม่หยุดแต่เพียงเท่านี้
(เพราะว่าเราเป็นซูเปอร์แมนครับ…อย่าเพิ่งลืม!) เมื่อเราเพ่งมองที่รายละเอียดที่มากขึ้นอีกสิบเท่า
ก็จะเห็นดังใน รูปที่ 8 ร่องและหลุมขนาดเล็กๆกระทัดรัดบนผิวหนังใน
รูปที่ 7 ก็จะชัดเจนมากขึ้นว่า อันที่จริงแล้วเป็นหลุมขนาดใหญ่และมีความลึกไม่น้อยทีเดียว…หากมองกันที่กำลังขยายขนาดนี้



คราวนี้ลองให้ซูเปอร์แมนมองลึกทะลุผิวหนังลงไปในเส้นเลือดที่อยู่ด้านใต้ด้วยกำลังขยายที่เพิ่มขึ้นอีก
10 เท่าก็จะเห็นสิ่งที่อยู่ในเส้นเลือดปรากฏดังรูปที่ 9 ทายถูกไหมครับว่าที่เห็นอยู่คืออะไร?


ใช่แล้วครับ หลายคนคงทายถูกว่าเป็น “เซลล์เม็ดเลือด” … แต่ต้องเป็น “เซลล์เม็ดเลือดขาว”
เท่านั้นนะครับ เพราะว่าถ้าเป็นเซลล์เม็ดเลือดแดง ตรงกลางเซลล์จะหายไป … ดูคล้ายกับโดนัท

[รูปที่ 10(ซ้าย) รูปที่ 11(ขวาบน) รูปที่ 12 (ขวากลางและขวาล่าง)]

คราวนี้หากมองทะลุเข้าไปในเยื่อหุ้มเซลล์เม็ดเลือดขาวด้านนอกเข้าไปได้
ที่กำลังขยายเพิ่มขึ้นอีกสิบเท่าเราก็จะเห็นเยื่อหุ้มเซลล์อีกอันหนึ่งที่อยู่ภายในก็คือ
“เยื่อหุ้มนิวเคลียส” ดังในรูปที่ 10



จะเห็นว่าเยื่อหุ้มนิวเคลียสมี
“รู” หรือ “หลุม” อยู่เหมือนกัน ซึ่งจะพูดไปแล้วก็น่าสนใจเหมือนกันนะครับว่า โครงสร้างที่ทำหน้าที่ห่อหุ้ม
“สิ่งมีชีวิต” ที่ระดับต่างๆ (ไม่ว่าจะเป็นผิวหนังที่ห่อหุ้มร่างกาย เยื่อหุ้มเซลล์ที่ห่อหุ้มเซลล์
และเยื่อหุ้มนิวเคลียสที่ห่อหุ้มนิวเคลียส) อยู่ … มักจะมี “รู” หรือ “ร่อง” คล้ายๆกันเลยนะครับ




รูบนเยื่อหุ้มนิวเคลียสจะเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นจากภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
ดังรูปที่ 11

กำลังขยายที่เรากำลังดูอยู่นี่อยู่ในขนาด (scale) ระดับที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า
ไมครอน (micron) หรือ ไมโครเมตร (micrometer) หรือขนาดที่เล็กเพียง
1 ใน 1,000,000 (ล้าน) ส่วนของเมตร (ลองจินตนาการอีกที .... เอาไม้เมตรอันใหม่มา
(แต่ยาวเท่ากับอันเดิมนั่นแหละครับ) แต่คราวนี้ตัดแบ่งเป็นล้านชิ้นเท่าๆกัน ความยาวของไม้แต่ละชิ้นนั่นแหละครับเท่ากับ
1 ไมโครเมตร)



ที่ระดับไมโครเมตรนี่เองที่เราเริ่มมองเห็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดของดีเอ็นเอ
นั่นก็คือ โครงสร้างที่มีชื่อว่า “โครโมโซม” (chromosome) ซึ่งก็คือ โครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายกับแท่งปาท่องโก๋
(ที่อร่อยที่สุดกับกาแฟหรือน้ำเต้าหูนั่นแหละครับ … พูดแล้วก็เปรี้ยวปากครับ) ดังรูปที่
12

[รูปที่ 13(ซ้ายบน) รูปที่ 14(ขวาบน) รูปที่ 15(ซ้ายล่าง) รูปที่ 16(ขวาล่าง)]

คำว่า โครโมโซม ก็แปลว่า สิ่งที่ย้อมติดสี
(chrome หรือ chroma แปลว่า สี ครับ) สาเหตุเพราะว่า โครโมโซมสังเกตพบครั้งแรกใต้กล้องจุลทรรศน์
เพราะย้อมติดสีจำเพาะบางอย่าง อ้อ…โครโมโซมมีโปรตีนบางชนิดเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วยนอกเหนือไปจากดีเอ็นเอนะครับ


คราวนี้ หากเราจะยังมองเจาะลึกลงไปอีกสิบเท่า เราก็จะเริ่มมองเห็นเกลียวของดีเอ็นเอที่พันทับซ้อนกันอย่างเป็นระเบียบและซับซ้อนเป็นอย่างยิ่ง
ดังรูปที่ 13 หากมองลึกลงไปอีกสิบเท่าก็จะเห็นเกลียวคู่ของดีเอ็นเอได้อย่างชัดเจน
ดังรูปที่ 14



หากมองลึกต่อไปด้วยกำลังขยายอีกสิบเท่า
ดังในรูปที่ 15 เราจะมองเห็นในระดับที่เรียกว่า “นาโนเมตร”
(nanometer) หรือ 1 ใน 1,000,000,000 (พันล้าน) ส่วนของเมตร อันเป็นระดับของ
“อะตอม” หรือ “โมเลกุล” ที่มาเรียงตัวกันเป็นดีเอ็นเอ ที่ระดับนี้เองที่นักวิทยาศาสตร์กำลังให้ความสนใจเป็นอย่างมากในการ
“จัดการ” หรือ “บังคับควบคุม” ให้อะตอมหรือโมเลกุลทำงานบางอย่างได้ตามที่ต้องการ
เกิดเป็นเทคโนโลยีขนาดเล็กจิ๋วใหม่เอี่ยมที่ไม่เคยมีมาก่อนเรียกว่า “นาโนเทคโนโลยี”
(nanotechnology) นั่นเอง



บริเวณกึ่งกลางของรูปที่
15 ก็คือ อะตอมของธาตุคาร์บอน (carbon) อันเป็นอะตอมที่สิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่พบแล้วในโลกใบนี้
(รวมทั้งมนุษย์) ใช้เป็นองค์ประกอบในสารพันธุกรรม ไม่มีใครรู้ (หรือแน่ใจ) นะครับว่า
สิ่งมีชีวิตในดาวดวงอื่น (ถ้ามี) จะใช้ธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบสำคัญในการเก็บรักษาและถ่ายทอดพันธุกรรมแบบเดียวกับสิ่งมีชีวิตบนโลกนี้หรือไม่



หากยังคงมองทะลุทะลวงลงไปอีกสิบเท่า
เราก็จะเริ่มมองเห็นอนุภาคที่เป็นองค์ประกอบพื้นฐานชนิดหนึ่งของอะตอมคือ อิเล็กตรอน
(electron) ที่เคลื่อนอยู่รอบๆแกนกลางของอะตอม (เรียกว่า “นิวเคลียส” อีกนั่นแหละครับ…แต่เป็นคนละอันกับ
“นิวเคลียส” ของเซลล์ที่กล่าวถึงไปก่อนหน้านี้นะครับ) ที่ระดับดังกล่าวปรากฏการณ์หลายๆอย่างจะเริ่มขัดกับสามัญสำนึก
(common sense) ของคนเราแล้วนะครับ อย่างในรูปที่ 16นี้ แต่ละจุดในรูปจะแทน
“โอกาส” ที่เราจะพบอิเล็กตรอน ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง ในรูปดังกล่าว บริเวณใดที่มีจุดหนาแน่นก็แปลว่าจะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากหน่อย
(ไม่ได้แปลว่า มีอิเล็กตรอนอยู่หลายอิเล็กตรอนแต่อย่างใด )



งงดีไหมล่ะครับ! แต่ว่าเรื่องนี้ผมว่ายังไม่ชวน
“มึนตึ้บ” เท่ากับที่ว่านักฟิสิกส์เค้ายืนยันว่า อนุภาคต่างๆ(รวมทั้งอิเล็กตรอนที่เพิ่งกล่าวไปด้วย)
นอกจากจะมีลักษณะเป็นอนุภาค คือ มีลักษณะเหมือนกับเป็นก้อนอะไรสักอย่างที่มีมวล
แต่ว่าบางที (ภายใต้สถานการณ์บางอย่าง) เราก็อาจจะพบว่ามันทำตัวเป็นเหมือนกับเป็น
“คลื่น (แม่เหล็กไฟฟ้า)” ได้อีกแน่ะ