วันจันทร์ที่ 20 กันยายน พ.ศ. 2553

โครงสร้าง DNA และ คุณสมบัติของ DNA

ดีเอ็นเอ (DNA) เป็นชื่อย่อของสารพันธุกรรม ที่มีชื่อวิทยาศาสตร์ว่า กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (Deoxyribonucleic acid) ซึ่งเป็นกรดนิวคลีอิก (กรดที่พบในใจกลางของเซลล์ทุกชนิด) ที่พบในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ได้แก่ คน, สัตว์, พืช, เชื้อรา, แบคทีเรีย, ไวรัส เป็นต้น ดีเอ็นเอบรรจุข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้นไว้ ซึ่งมีลักษณะที่ผสมผสานมาจากสิ่งมีชีวิตรุ่นก่อน ซึ่งก็คือ พ่อและแม่ และสามารถถ่ายทอดไปยังสิ่งมีชีวิตรุ่นถัดไป ซึ่งก็คือ ลูกหลาน

ดีเอ็นเอมีรูปร่างเป็นเกลียวคู่ คล้ายบันไดลิงที่บิดตัว ขาของบันไดแต่ละข้างก็คือการเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์ (Nucleotide) นิวคลีโอไทด์เป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยน้ำตาล, ฟอสเฟต (ซึ่งประกอบด้วย ฟอสฟอรัส และ ออกซิเจน), และเบส (หรือด่าง) นิวคลีโอไทด์มีอยู่สี่ชนิด ได้แก่ อะดีนีน (adenine, A), ไทมีน (thymine, T), ไซโตซีน (cytosine, C), และกัวนีน (guanine, G) ขาของบันไดสองข้างหรือนิวคลีโอไทด์ถูกเชื่อมด้วยเบส โดยที่ A จะเชื่อมกับ T และ C จะเชื่อมกับ G เท่านั้น (ในกรณีของดีเอ็นเอ) และข้อมูลทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ เกิดขึ้นจากการเรียงลำดับของเบสในดีเอ็นเอนั่นเอง

ผู้ค้นพบดีเอ็นเอ คือ ฟรีดิช มีสเชอร์ ในปี พ.ศ. 2412 (ค.ศ. 1869) แต่ไม่ทราบว่ามีโครงสร้างอย่างไร จนในปี พ.ศ. 2496 (ค.ศ. 1953) เจมส์ ดี. วัตสัน และ ฟรานซิส คริก เป็นผู้ไขความลับโครงสร้างของดีเอ็นเอ และนั่นนับเป็นจุดเริ่มต้นของยุคเทคโนโลยีทางดีเอ็นเอ

โครงสร้างของ ดี เอน เอ

การศึกษาโครงสร้างของ ดี เอน เอ มีรากฐานมาจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่ม เริ่มตั้งแต่งานของ Chargaff แห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ซึ่งได้ศึกษาองค์ประกอบเบสของ ดี เอน เอ จากแหล่งต่างๆ แล้วสรุปเป็นกฎของ Chargaff ดังนี้

1. องค์ประกอบเบสของ DNA จากสิ่งมีชีวิตต่างชนิดจะแตกต่างกัน

2. องค์ประกอบเบสของ DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันจะเหมือนกัน แม้ว่าจะนำมาจากเนื้อเยื่อต่างกันก็ตาม

3. องค์ประกอบเบสของ DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งมีความคงที่ ไม่แปรผันตามอายุ อาหาร หรือสิ่งแวดล้อม

4. ใน DNA ไม่ว่าจะนำมาจากแหล่งใดก็ตาม จะพบ A=T , C=G หรือ purine = pyrimidine เสมอ

นักวิทยาศาสตร์อีกกลุ่ม ได้แก่ Flanklin และ Wilkins แห่งมหาวิทยาลัยลอนดอน ได้ศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลของ ดี เอน เอ โดยใช้ภาพถ่ายการหักเหรังสีเอกซ์ที่ฉายผ่านโมเลกุล (X-rays diffraction)

ผลงานจากทั้งสองแหล่งนี้ทำให้ Watson และ Crick ค้นพบลักษณะโครงสร้างทุติยภูมิของ ดี เอน เอ ว่ามีลักษณะดังนี้

ดี เอน เอ มีรูปร่างเป็นแท่งเกลียวเวียนขวา (alpha-helix) ประกอบขึ้นจากโพลีดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์สองสาย เชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจนที่เกิดระหว่างเบสไนโตรเจนของแต่ละสาย โพลีดีออกซีไรโบนิคลีโอไทด์ทั้งสองสายนี้ จะทอดตัวกลับหัวกลับหางกัน (antiparalle) สายหนึ่งทอดตัวในทิศ 5′ - 3′ อีกสายหนึ่งจะทอดตัวในทิศ 3′ -5′ ในการเข้าคู่กันนี้ทั้งสองสายจะหันส่วนที่เป็นน้ำตาลและฟอสเฟตออกข้างนอก แล้วฝังส่วนที่เป็นเบสไว้ภายในแกนกลางโมเลกุล ทำให้ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของแท่งเกลียว ดี เอน เอ มีขนาด 20 Å

๑ รอบเกลียวมีขนาด 34 Å ประกอบขึ้นจากจำนวนคู่เบส ๑๐ คู่ ดังนั้นแต่ละคู่เบสจะอยู่ห่างกัน 3.4 Å และการบิดรอบเกลียวทำให้โมเลกุลของ ดี เอน เอ เกิดร่องเกลียวสองขนาด ขนาดใหญ่เรียกว่า major groove ขนาดเล็กเรียกว่า minor groove

การจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจนของคู่เบสนั้น เป็นการเข้าคู่ที่จำเพาะ คือ C จะจับกับ G ด้วยพันธะไฮโดรเจน ๓ พันธะ และ A จับกับ T ด้วยพันธะไฮโดรเจน ๒ พันธะ

รูปการจับคู่เบส

การจับคู่เบสอย่างจำเพาะมีประโยชน์คือ เมื่อเราทราบการเรียงลำดับเบสของโพลีดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ สายหนึ่งแล้ว ก็จะรู้การเรียงลำดับเบสของโพลีดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ในสายที่เข้าคู่กันด้วย เรียกลำดับนิวคลีโอไทด์ที่สามารถเข้าคู่กันได้นี้ว่า complementary base sequence







คุณสมบัติของ ดี เอน เอ

ความเป็นกรด ในสิ่งแวดล้อมปกติของเซลล์ ดี เอน เอ มีประจุเป็นลบ แสดงถึงคุณสมบัติการเป็นกรด ดี เอน เอ จึงสามารถจับกับไอออนหรือสารอื่นที่มีประจุบวกได้
การเสียสภาพของ ดี เอน เอ คำว่าการเสียสภาพ (denaturation) ของ ดี เอน เอ หมายถึงการทำให้ ดี เอน เอ ซึ่งเคยเป็นสายคู่แยกตัวออกมาเป็นสายเดี่ยว สิ่งที่ทำให้เกิดการเสียสภาพธรรมชาติของ ดี เอน เอ ได้แก่ ความร้อน กรด ด่าง รังสีเอกซ์ ยูเรีย ดี เอน เอ ที่เสียสภาพธรรมชาติไปแล้ว ถ้าปรับสิ่งแวดล้อมใหม่ให้เหมาะสม มันสามารถคืนสภาพธรรมชาติได้ใหม่ ตัวอย่างเช่น ในเทคนิค hybridization เขาจะทำให้ ดี เอน เอ เสียสภาพธรรมชาติด้วยความร้อนก่อน แล้วให้คืนสภาพธรรมชาติใหม่ด้วยการค่อยๆลดอุณหภูมิลง
การดูดกลืนแสง ด้วยคุณสมบัติของเบส ที่สามารถดูดกลืนแสงได้มากที่สุดที่ 260 nm ดี เอน เอ ก็ดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นนี้ได้ดีที่สุดเช่นกัน คุณสมบัตินี้ทำให้เราสามารถวัดหาปริมาณ ดี เอน เอ ด้วยการวัดการดูดกลืนแสง แต่สิ่งที่ต้องคำนึงในที่นี้คือ ดี เอน เอ ในปริมาณที่เท่ากัน ถ้าเป็นสายเดี่ยว (จากการทำให้เสียสภาพธรรมชาติ) จะดูดกลืนแสงได้มากกว่า ดี เอน เอ สายคู่ คุณสมบัตินี้เรียกว่า ไฮเพอร์โครมิซึม (hyperchromism)
การเสียสภาพธรรมชาติของ ดี เอน เอ และไฮเพอร์โครมิซึมมีความสัมพันธ์กัน เช่นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิให้แก่สารละลาย ดี เอน เอ บริเวณที่เป็น A-T rich region ซึ่งจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจนน้อยกว่า G-C rich region จะเริ่มคลายเกลียวออก หากยังเพิ่มอุณหภูมิให้แก่สารละลาย ดี เอน เอ ต่อไป ในที่สุด ดี เอน เอ จะคลายเกลียวออกจนเป็นเส้นเดี่ยวทั้งหมด

ในขณะที่เกิดการคลายตัวของ ดี เอน เอ นั้น หากเราวัดค่าการดูดกลืนคลื่นแสงที่ 260 nm ไปด้วย จะพบว่าสารละลาย ดี เอน เอ มีการดูดกลืนคลื่นแสงมากขึ้นตามปรากฎการณ์ไฮเพอร์โครมิซึม ซึ่งหากเขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ กับการดูดกลืนแสงที่ 260 nm จะได้กราฟที่เรียกว่า DNA melting curve ค่า tm ขึ้นกับปริมาณ G-C ใน ดี เอน เอ โดยที่ ดี เอน เอ ที่มี G-C สูง จะมีค่า tm สูงกว่า ดี เอน เอ ที่มี G-C ต่ำ

ดีเอ็นเอประกอบน้ำตาลดีออกซีไรโบส (deoxyribose) ยึดจับกับหมู่ฟอสเฟต (-PO4) และเบสชนิดใดชนิดหนึ่งใน 4 ชนิด คือ แอดินีน (adenine : A) กวานีน (guanine: G) ซึ่งเป็นเบสชนิด พิวรีน (purine) ไซโทซีน (cytosine: C ) และ ไทมีน (thymine: T) ที่เป็นเบสชนิดไพริมิดีน (pyrimidine)
เมื่อเบสชนิดพิวรีนจับกับไพริมิดีน (แอดินีน จับกับ ไทมีน และ กัวนีน จับกับไซโทซีน) ที่อยู่ต่างสายพอลินิวคลีโอไทด์ด้วยพันธะไฮโดรเจนทำให้เกิดลักษณะโครงสร้างของพอลินิวคลีโอไทด์
2 สายที่บิดเป็นเกลียว (double helix) เวียนขวา ซึ่งเป็นโครงสร้างของดีเอ็นเอ











http://www.student.chula.ac.th/~50370150/main3.htm

วันศุกร์ที่ 17 กันยายน พ.ศ. 2553

GMOs ในสัตว์

ผลิตผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการตัดต่อเปลี่ยนแปลงยีนในทางสัตว์มีอยู่ 3 ประเด็นหลัก คือ

1. เพื่อเพิ่มผลผลิตปศุสัตว์ เพิ่มคุณภาพผลิตภัณฑ์จากสัตว์และทำให้ปศุสัตว์มีความทนทานต่อโรคเพิ่มขึ้น
2. เพื่อผลิตยารักษาโรค ชีวภัณฑ์ และอวัยวะสำหรับมนุษย์
3. เพื่อผลิตวัคซีนเพื่อป้องกันและรักษาโรค

1. GMO เพื่อเพิ่มผลผลิตปศุสัตว์ เพิ่มคุณภาพผลิตภัณฑ์จากสัตว์ และทำให้ปศุสัตว์มีความทนทานต่อโรคเพิ่มขึ้น

1.1 การเพิ่มผลผลิตปศุสัตว์

1) สุกร มีการฉีดยีนของฮอร์โมนเร่งการเจริญเติบโต (growth hormone)
ข้อดี : สุกรโตเร็วขึ้น และมีขนาดใหญ่กว่าปกติ 2-3 เท่าตัว
ข้อเสีย : สุกรมีปัญหาเรื่องขาและข้อ ทำให้สุกรเดินกระเผลก หรือเดินไม่ได้

2) โคนม มีการใช้ฮอร์โมนเร่งการเจริญเติบโต (bovine somatotropin, bST)
ซึ่งได้จากการตัดต่อยีนแล้วใส่เข้าไปในแบคทีเรียเพื่อแบคทีเรียผลิต และทำการสกัดเพื่อนำไปฉีดในโค
ข้อดี : ทำให้โคนมผลิตน้ำนมได้มากกว่าปกติประมาณ 10-30%
ข้อถกเถียง : ยังไม่มีการศึกษาถึงผลกระทบ แต่ปกติแล้วโคนมจะมีการหลั่งฮอร์โมนตัวนี้อยู่แล้ว
ถ้ามีการฉีดฮอร์โมนตัวนี้อาจทำให้มีการหลั่งฮอร์โมนตัวนี้เพิ่มขึ้น ซึ่งอาจจะมีผลกระทบต่อผู้บริโภค

3) สุกร เร่งการเจริญเติบโต และเพิ่มปริมาณเนื้อแดง โดยการใช้ฮอร์โมน parcine somatotropin (pST)

4) แกะ เพื่อคุณภาพ ความแข็งแรง และทนทานของขนแกะประเทศออสเตรเลียได้ทำการฉีดยีนของเคอร์ราติน (keratin) เพื่อสร้าง transgenic sheep





1.2 การผลิตสัตว์ให้มีความทนทานต่อโรคเพิ่มขึ้น

1) มีการตัดต่อยีนที่ทำให้สัตว์สร้างภูมิคุ้มกันได้ดีขึ้น

2) มีการตัดต่อยีนที่ทำให้ดื้อต่อเชื้อโรคนั้น ๆ ในสัตว์นั้น ๆ โดยยีนเฉพาะ และยีนที่มีขั้วตรงข้ามกับเชื้อที่จำเพาะ (hammer head
ribozyme) เพื่อทำลายเชื้อไวรัสที่เข้ามาในเซลล์ ตัวอย่างของโรคคือ โรคมะเร็งเม็ดเลือดขาวในโคและโรคปากและเท้าเปื่อย



2. GMO เพื่อผลิตยารักษาโรค ชีวภัณฑ์ และอวัยวะสำหรับมนุษย์

2.1 การผลิตยารักษาโรคที่ใช้ในมนุษย์ ปกติจะใช้แบคทีเรีย ยีสต์ หรือ cell culture เพื่อการผลิตโดยการฉีดยีนที่ตัดต่อ แล้วให้แบคทีเรีย ยีสต์หรือ
cell culture เป็นตัวสร้าง แต่เนื่องจากยารักษาโรคบางอย่างสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ไม่สามารถสร้างได้และต้นทุนผลิตสูงนอกจากนี้การทำการสกัดและ
ทำให้บริสุทธิ์ยากและผลิตได้น้อย จึงได้มีความคิดที่จะใช้สัตว์ในการผลิตยารักษาโรคต่าง ๆ
ข้อดี : สามารถผลิตยารักษาโรคต่าง ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ต้นทุนต่ำ ทำให้บริสุทธิ์ง่าย
ข้อถกเถียง : ยังไม่มีการศึกษาถึงผลข้างเคียง

2.2 การผลิตเนื้อเยื่อ และอวัยวะที่ใช้ในมนุษย์

1) สุกรเป็นสัตว์อุดมคติที่จะเป็นตัวให้อวัยวะ เนื้อเยื่อและเซลล์ได้มีการฉีดยีนฮีโมโกลบินของคนในสุกรทำให้สามารถใช้เลือดสุกร
ทดแทนเลือดคน
ข้อดี : ลดการขาดแคลนเลือด ลดการติดต่อโรคระหว่างมนุษย์ทางโรค
ข้อถกเถียง : ยังไม่มีการศึกษา เนื่องจากยังไม่มีการใช้ทางการค้า (commercially use)

2) มีการใช้เซลล์สมองสุกร เซลล์ตับ และผิวหนัง เพื่อรักษาคน



3. GMO เพื่อผลิตวัคซีนเพื่อป้องกัน และรักษาโรค

3.1 DNA vaccine คือ วัคซีนที่เกิดการตัดต่อยีนของไวรัสหรือแบคทีเรียที่จะประสงค์เข้าไปเชื่อมต่อยีนของไวรัสที่เป็นพาหะ (vector)
ได้มีการผลิตและศึกษา DNA vaccine ต่าง ๆ หลายชนิด ซึ่งบางชนิดก็เริ่มมีการใช้ในมนุษย์
ข้อดี : สามารถกระตุ้นให้ร่างกายสร้างภูมิคุ้มกันได้เหมือนวัคซีนธรรมดา
ข้อถกเถียง : ยังไม่มีการศึกษาถึงผลที่แน่นอน

3.2 DNA vaccine ในสัตว์ มีมากมายหลายชนิดเช่นเดียวกับคน ทั้งข้อดีและข้อถกเถียงเหมือน DNA vaccine ในมนุษย์

3.3 Edible vaccine เป็นการผลิตวัคซีนโดยใช้พืช การทำเหมือน GMO ในพืช เพียงแต่ยีนที่ตัดต่อและใส่เข้าไปในพืชเป็นยีนของแบคทีเรีย
หรือไวรัส แทนยีนที่เพิ่มผลผลิตมี Edible vaccine หลายชนิด ซึ่งบางชนิดได้เริ่มมีการใช้ในมนุษย์และสัตว์


http://rdi.ku.ac.th/GMOS/GMOs1/index2/index1_3.htm

โครงสร้าง RNA และ กระบวนการสังเคราะห์ RNA

อาร์ เอน เอ (Ribonucleic acid RNA)

กรดไรโบนิวคลีอิก หรือ อาร์เอ็นเอ (Ribonucleic acid - RNA) เป็นพอลิเมอร์ของกรดนิวคลีอิกที่ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ (nucleotide) เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ อาร์เอ็นเอนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยวงแหวนไรโบส (ribose) ซึ่งแตกต่างจากดีเอ็นเอที่ประกอบด้วยวงแหวนดีออกซีไรโบส (deoxyribose) อาร์เอ็นเอเกิดจากการคัดสำเนาข้อมูลจากดีเอ็นเอโดยเอนไซม์อาร์เอ็นเอพอลิเมอเรส แล้วเข้ากระบวนการต่อเนื่องโดยเอนไซม์อื่นๆ อีก อาร์เอ็นเอจะทำหน้าที่เหมือนแม่แบบสำหรับแปลข้อมูลจากยีน ไปเป็นข้อมูลในโปรตีน แล้วขนย้ายกรดอะมิโนเข้าไปในไรโบโซม (ribosome) เพื่อผลิตโปรตีน และแปลข้อความไปเป็นสำเนาข้อมูล (transcript) ในโปรตีน






อาร์ เอน เอ (Ribonucleic acid RNA)

อาร์ เอน เอ เป็นโพลีไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีนิวคลีโอไทด์มาเชื่อมกันด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเธอร์ในทิศ 5′ - 3′ เหมือน ดี เอน เอ สิ่งมีชีวิตบางชนิดใช้ อาร์ เอน เอ เป็นสารพันธุกรรมเช่นไวรัสเอดส์ แต่ในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงเช่นมนุษย์ อาร์ เอน เอ ทำหน้าที่หลายอย่างแบ่งตามชนิดได้ตามนี้

Ribosomal RNA (rRNA)
rRNA เป็น อาร์ เอน เอ ที่เป็นองค์ประกอบของไรโบโซม ในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงพบ rRNA อยู่ ๔ ขนาดคือ 28S, 18S, 5.8S และ 5S rRNA ทำหน้าที่ในการสังเคราะห์โปรตีน

Messenger RNA (mRNA)
mRNA เป็นตัวถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรม จาก ดี เอน เอ ออกมาเป็นโปรตีน เมื่อเซลล์ต้องการสร้างโปรตีนขึ้นมาใช้งาน เซลล์จะคัดลอก gene สำหรับสร้างโปรตีนนั้นออกมาเป็น mRNA ดังนั้น mRNA จึงเกิดขึ้นในนิวเคลียส เมื่อมี mRNA แล้ว จะมีกระบวนการขนส่ง mRNA ออกจากนิวเคลียสสู่ไซโตพลาสม ซึ่งเป็นที่สำหรับสังเคราะห์โปรตีน

transfer RNA (tRNA)
tRNA ตัวมันจะมีกรดอะมิโนมาเกาะอยู่ ทำหน้าที่นำกรดอะมิโนมาเรียงร้อยต่อกันเป็นโปรตีน ชนิดของกรดอะมิโนที่จะนำมาต่อนี้ถูกกำหนดโดยรหัสพันธุกรรมบน mRNA ส่วน tRNA มีตัวช่วยอ่านรหัสเรียกว่า anticodon






การสังเคราะห์อาร์เอ็นเอ

การสังเคราะห์ RNA ถูกเร่งปฏิกิริยาโดย เอนไซม์ อาร์เอ็นเอ พอลิเมอเรส (RNA polymerase) ใช้ DNA เป็นแม่แบบ เริ่มต้นการสังเคราะห์โดยการเชื่อมต่อกับเอนไซม์ตรงตำแหน่ง โปรโมเตอร์ (promoter) ซีเควนซ์ (sequence) ใน DNA (ตามธรรมดาพบ "อัพสตรีม" (upstream) ของ ยีน) DNA ดับเบิลเฮลิกซ์จะคลายตัวออกโดยการทำงานของเอนไซม์ เฮลิเคส (helicase) แล้วเอนไซม์จะเคลื่อนไปตามแม่แบบเกลียวในทิศทางจาก 3’ -> 5’ และการสังเคราะห์โมเลกุลของ RNA จะมีทิศทางจาก 5’ -> 3’

สำหรับโครงสร้างของอาร์เอ็นเอนั้น มีลักษณะเป็นสายพอลินิวคลีโอไทด์สายเดียว
ประกอบด้วย น้ำตาลไรโบส (ribose) ยึดเกาะอยู่กับหมู่ฟอสเฟตและเบส 4 ประเภท
เช่นเดียวกับดีเอ็นเอ ยกเว้น อาร์เอ็นเอจะมีเบสยูราซิล (uracil: U) แทนเบสไทมีน
โดยสามารถแบ่งอาร์เอ็นเอตามหน้าที่การทำงานได้เป็น 3 ชนิด คือ อาร์เอ็นเอเก็บรหัส
(messenger RNA : mRNA) อาร์เอ็นเอถ่ายโอน (transfer RNA: tRNA) และ
ไรโบโซม (ribosomal RNA: rRNA) โดยอาร์เอ็นเอเหล่านี้มีหน้าที่สำคัญใน
กระบวนการสังเคราะห์โปรตีน ซึ่งลำดับเบสบนดีเอ็นเอเปรียบเสมือนรหัสทางพันธุกรรม
ของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด รหัสดังกล่าวจะถูกถ่ายทอดไปยังสายอาร์เอ็นเอเก็บรหัส
โดยกระบวนการถอดรหัส (transcription) และรหัสนี้จะเป็นตัวกำหนดชนิดของ
โปรตีนที่จะสังเคราะห์ขึ้นโดยผ่านกระบวนการแปลรหัส (translation)








http://www.student.chula.ac.th/~50370150/main4.htm

กระบวนการสังเคราะห์ DNA


วอตสันและคริกค้นพบโครงสร้างทางเคมีของ DNA ขั้นตอนต่อไปก็คือ การพิสูจน์และตรวจสอบว่าโครงสร้างของ DNA นี้ มีสมบัติเพียงพอที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้หรือไม่ ซึ่งการที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้นั้นย่อมต้องมีสมบัติสำคัญ คือ
ประการแรก ต้องสามารถเพิ่มจำนวนตัวเองได้โดยมีลักษณะเหมือนเดิมเพื่อให้สามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกได้
ประการที่สอง สามารถควบคุมให้เซลล์สังเคราะห์สารต่างๆเพื่อแสดงลักษณะทางพันธุกรรมให้ปรากฏ
ประการที่สาม ต้อง สามารถเปลี่ยนแปลงได้บ้าง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นอาจก่อให้เกิดลักษณะพันธุกรรมที่ผิดแปลกไปจาก เดิมและเป็นช่องทางให้เกิดสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ๆขึ้น หลังจากวอตสันและคริกได้เสนอโครงสร้างของ DNA แล้วในระยะเวลาเกือบ 10 ปี ต่อมา จึงสามารถพิสูจน์ได้ว่า DNA มีสมบัติเป็นสารทางพันธุกรรม วอตสันและคริกจึงได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานการค้นพบโครงสร้าง DNA ใน ปี พ.ศ. 2505 นับว่าเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญยิ่งทางด้านวิทยาศาสตร์ และเป็นจุดเริ่มต้นให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่จะค้นคว้าในระดับโมเลกุลต่อไป วอตสันและคริกได้เสนอโครงสร้างของ DNA ว่าเป็น พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายพันกันบิดเป็นเกลียว ดังโครงสร้างของ DNA ตามแบบจำลองนี้ได้นำไปสู่กลไกพื้นฐานของการสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองตัวเองของ DNA โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้พยากรณ์กลไกจำลอง DNA ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร

ในปี พ.ศ. 2496 วอตสันและคริกได้พิมพ์บทความพยากรณ์การจำลองตัวของ DNA ไว้ว่า ในการจำลองตัวของ DNA พอ ลินิวครีโอไทด์ 2 สาย แยกออกจากกันเหมือนการรูดซิบโดยการสลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบส A กับ T และเบส C กับ G ที่ละคู่ พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์สำหรับการสร้างสายใหม่ มีการนำนิวคลีโอไทด์อิสระที่อยู่ในเซลล์เข้ามาจับกับ พอลินิวคลีโอไทด์สายเดิม โดยเบส A จับกับ T และเบส C จับกับ G หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์ อิสระจะจับกับน้ำตาลออสซีไรโบสของ DNA โดยวิธีนี้เรียกว่า DNA เรพลิเคชั่น ( DNA replication ) ทำให้มีการเพิ่มโมเลกุลของ DNA จาก 1 โมเลกุลเป็น 2 โมเลกุล DNA แต่ ละโมเลกุลมีพลลินิวคลีโอไทด์ สายเดิม 1 สาย และสายใหม่ 1 สาย จึงเรียกการจำลองลักษณะว่า เป็นแบบกึ่งอนุรักษ์ ( semiconservatiae )
การจำลองตัวเองของ DNA (DNA REPLICATION)
DNA สามารถเพิ่มจำนวนได้โดยการจำลองตัวเอง (self replication)
ซึ่งเป็นคุณสมบัติพิเศษที่สำคัญมากในการทำหน้าที่ถ่ายลักษณะทางพันธุกรรมจากสิ่งมีชีวิตรุ่นหนึ่งไปยังอีกรุ่นหนึ่ง การจำลองตัวของดีเอ็นเอเริ่มจากการคลายเกลียวออกจากกันแล้วใช้สายพอลินิวคลีโอไทด์สายใดสายหนึ่งใน 2 สายเป็นแม่พิมพ์ (template) ในการสร้างสายใหม่ขึ้นมา ซึ่งสุดท้ายดีเอ็นเอที่จำลองใหม่จะประกอบด้วยสายพอลินิวคลีโอไทด์สายเดิมและสายใหม่ นอกจากนี้ ดีเอ็นเอ ยังทำหน้าที่เป็นแม่แบบของการสร้างสายอาร์เอ็นเอ ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ซึ่งกระบวนการต่างๆ เหล่านี้จำเป็นต้องอาศัยเอนไซม์จำเพาะหลายชนิดในการควบคุมปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น เช่น ดีเอ็นเอโพลิเมอเรส (DNA polymerase) อาร์เอ็นเอโพลิเมอเรส (RNA polymerase) เฮลิเคส (helicase) ไลเกส (ligase) เป็นต้น

เมื่อ DNA สองสายคลายเกลียวแยกออกจากกันDNA polymerasจะสังเคราะห์leading strand เป็นสายยาว โดยมีทิศทางจากปลาย 5, ไปยัง3, เรียกว่า การสร้างสาย leading strandDNA polymeras gxHodkiสังเคราะห์ DNA สายใหม่เป็นสายสั้นๆ (Okazaki fragment๗โดยมีทิศทาง 5, ไปยัง 3, จากนั้น DNA ligaseจะเชื่อมต่อ DNA สายสั้นๆให้เป็นDNA สายยาว เรียกว่า การสร้าง lagging strand
การจำลองตัวเองของ DNA ตามสมมติฐานของนักวิทยาศาสตร์มีดังนี้
1. แบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA แล้ว DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์ สายเดิมและสายใหม่ ซึ่งเป็นแบบจำลองของวอตสันและคลิก

2 แบบอนุรักษ์ (conservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA แล้ว พอลินิวคลีโอไทด์ทั้งสองสายไม่แยกจากกันยังเป็นสายเดิม จะได้ DNA โมเลกุลใหม่ที่มีสายของโมเลกุลพอลินิวคลีโอไทด์สายใหม่ทั้งสองสาย

3. แบบกระจัดกระจาย (dispersive replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA จะได้ DNA ที่เป็นของเดิมและของใหม่ปะปนกันไม่เป็นระเบียบ
http://www.thaigoodview.com/library/contest2552/type2/science04/27/contents/genetics-44be.html

วันพฤหัสบดีที่ 16 กันยายน พ.ศ. 2553

เทคนิค PCR

ดีเอ็นเอคลังข้อมูลพันธุกรรม ดีเอ็นเอ หรือ Deoxyribonucleic (DNA) เป็นสารพันธุกรรมทำหน้าที่ควบคุมและถ่ายทอดลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต โดยดีเอ็นเอจะประกอบด้วยหน่วยย่อยพื้นฐานที่เรียกว่า “นิวคลีโอไทด์” อันเป็นชุดของโมเลกุลฟอสเฟต น้ำตาลเพนโตส และสารเคมีที่มีสมบัติเป็นด่างหรือ “เบส” 1 ตัว ซึ่งเบสจะมีอยู่ 4 ชนิดคือ adenine (A) , guanine (G) , cytosine (C) , thymine (T)

ลักษณะโครงสร้างของดีเอ็นเอประกอบขึ้นจากสายชุดนิวคลีโอไทด์ 2 สายที่มาพันเข้าด้วยกันเป็นลักษณะเกลียวคู่หรือบันไดเวียน โดยมีเบสที่เรียงรายอยู่ตามสายแต่ละสาย แต่ละสายทำหน้าที่ยึดจับระหว่างสายทั้งสอง และปรากฏว่าสายส่วนที่มีเบส A จะจับคู่สร้างพันธะกับเบส T และส่วนที่มีเบส G จะจับคู่เบส C ซึ่งการจับคู่กันนี้เรียกว่าเป็นเบสคู่สม (ดังแสดงในภาพที่ 1) และแต่ละส่วนบนสายดีเอ็นเอนี้เองที่เป็นที่อยู่ของ “ยีน” (gene) ซึ่งเป็นส่วนที่บรรจุข้อมูลสำหรับการสร้างโปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่ง โดยยีนที่ต่างกันก็จะมีตำแหน่งที่อยู่และการเรียงลำดับของเบสบนตัวมันแตกต่างกันไป





อาร์เอ็นเอ สามารถเป็นแหล่งข้อมูลพันธุกรรมได้


ในปี พ.ศ. 2513 ได้มีผู้ค้นพบว่าเชื้อไวรัสบางชนิดมีสารพันธุกรรมเป็นอาร์เอ็นเอ RNA หรือ Ribonucleic acid) ซึ่งไวรัสสามารลอกรหัสจากอาร์เอ็นเอเป็นดีเอ็นเอเพื่อใช้ในการเพิ่มจำนวนไวรัสในเซลล์เจ้าบ้านได้ ตัวอย่างไวรัสที่มีสารพันธุกรรมเป็นอาร์เอ็นเอ ได้แก่ เชื่อไวรัสเอชไอวีซึ่งเป็นสาเหตุของโรคเอดส์

โดยปกติอาร์เอ็นเอจะถูกลอกรหัสมาจากดีเอ็นเอเพื่อใช้ในการถอดรหัสสร้างโปรตีนเป็นการถ่ายทอดรหัสทางพันธุกรรมออกมาเป็นลักษณะภายนอกของสิ่งมีชีวิต

อาร์เอ็นเอ ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ที่คล้ายกับดีเอ็นเอ แต่มีความแตกต่างในส่วนของน้ำตาลเพนโตสซึ่งในดีเอ็นเอเป็นน้ำตาล deoxyribose ส่วนในอาร์เอ็นเอเป็นชนิด ribose และเบสที่พบในอาร์เอ็นเอจะประกอบด้วยเบส 4 ชนิดเช่นกัน โดยมีเบส 3 ชนิดที่เหมือนกับดีเอ็นเอ คือ A, G, C และเบสที่ต่างกับดีเอ็นเอคือ uracil (U) ซึ่ง u จะจับคู่กับเบส A (แทนเบส T ในดีเอ็นเอ)





โครโมโซม


สาร DNA ซึ่งเป็นข้อมูลพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต จะมีขนาดยาวแตกต่างกันมากในกรณีของเชื้อไวรัสอาจมีจีโนม (genome) หรือข้อมูลพันธุกรรมทั้งหมดเป็น DNA หรือ RNA เท่านั้น และอาจเป็นสายคู่หรือสายเดี่ยวที่เป็นเส้นยาว (linear) วงแหวน (circular) หรือเป็นชิ้นแยกกัน (segments) ซึ่งต่างจากจีโนมของแบคทีเรียและสิ่งมีชีวิตชั้นสูง ซึ่งจะเป็นโปรตีนร่วมกับกันอยู่กับสาย DNA และมีรูปร่างที่เด่นชัด ซึ่งเรียกว่าโครโมโซม (chromosome) (ภาพที่ 2) เชื้อแบคทีเรีย จะมีโครโมโซม ประกอบด้วย DNA สายเกลียวคู่ชนิดวงแหวนจับรวมอยู่กับโปรตีนหลายชนิด เป็นกลุ่มเรียกว่านิวคลีออยด์ (nucleoid) แต่จะไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียสห่อหุ้ม

ในสิ่งมีชีวิตชั้นสูง สาย DNA จะอยู่ในลักษณะที่จับรวมกับฮีสโตน (histone) และโปรตีนชนิดอื่นๆ โดยมีการพันและหดตัวของสาย DNA เพื่อให้สามารถบรรจุเข้าในส่วนนิวเคลียสของเซลล์ได้ นอกจากนิวเคลียสแล้ว ในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงยังมียีนที่อยู่ในส่วนของ organelle อื่นๆ เช่นในพืชจะมียีนอยู่ในไมโตคอนเดรีย (mitochondria) และคลอโรพลาส (chloroplast) อีกส่วนหนึ่งเป็นต้น

เทคนิค Polymerase Chain Reaction (PCR)


Polymerase Chain Reaction หรือ (PCR) เป็นเทคนิคสำหรับเพิ่มปริมาณดีเอ็นเอโดยอาศัยหลักการ DNA Replication ซึ่งเป็นการสังเคราะห์สายดี เอ็น เอ สายใหม่ จาก ดีเอ็นเอต้นแบบในหลอดทดลองภายในระยะเวลาอันสั้นและได้ดีเอ็นเอสายใหม่เกิดขึ้นเป็นล้านเท่า เทคนิคนี้พัฒนาขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2528 โดย Kary Mullis และคณะแห่งบริษัท Cetus Corporation จุดเด่นของเทคนิค PCR คือ สามารถเพิ่มปริมาณดีเอ็นเอ ได้อย่างเฉพาะเจาะจงโดยมีขั้นตอนการทำงานน้อยและใช้เวลาน้อย จนถึงปัจจุบันนี้เทคนิค PCR ได้รับการปรับปรุงและพัฒนาในหลาย ๆ ด้านจนกระทั่งได้รับการยอมรับว่าเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญมากต่องานด้านอณูชีวโมเลกุล สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ทั้งกับงานวิจัยทางชีวโมเลกุลและพันธุวิศวกรรม เช่น การเพิ่มปริมาณยีน (gene cloning) การวิเคราะห์ลำดับเบสของยีน (gene sequencing) การสร้าง ดี เอ็น เอ ติดตาม (DNA probe) และการวิจัยประยุกต์ เช่น การศึกษาการแสดงออกของยีนจาก mRNA การสร้างยีนกลายพันธุ์ (in vitro mutagenesis) การบ่งชี้ตำแหน่งกลายพันธุ์บนยีน (point mutations and deletions) เป็นต้น

หลักการของ PCR


ใช้หลักการพื้นฐานในการสังเคราะห์ดีเอ็นเอ สายใหม่จากสายดีเอ็นเอ ที่เป็นต้นแบบหนึ่งสายด้วยเอนไซม์ DNA poloymerase ซึ่งใช้กันอยู่ทั่วไปในการติดฉลากดีเอ็นเอ และการศึกษาวิเคราะห์ลำดับเบส แต่ PCR สามารถสังเคราะห์ดีเอ็นเอได้คราวละ 2 สายพร้อมกัน โดยใช้ไพรเมอร์ (primer) 1 คู่ ปฏิกิริยา PCR มี 3 ขั้นตอน และหมุนเวียน ต่อเนื่องกันไป ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมของแต่ละขั้นตอน

ขั้นแรก เรียกว่า denaturing เป็นการแยกสายดี เอ็น เอ ที่เป็นต้นแบบจากสภาพที่เป็นเส้นคู่ ให้เป็นเส้นเดี่ยวโดยใช้อุณหภูมิสูง 92-95o ซ

ขั้นที่สองเรียกว่า annealing เป็นขั้นตอนที่ลดอุณหภูมิลงและจัดให้ไพรเมอร์ ซึ่งเป็นดี เอ็น เอ สายสั้น ๆ (ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวน 14-13 เบส) ที่มีลำดับ เบสเป็นคู่สมกับดี เอ็น เอ ที่เป็นต้นแบบจับคู่กัน ซึ่งนิยมใช้อุณหภูมิในช่วง 37-60o ซ

ขั้นที่ 3 เรียกว่า extension เป็นขั้นตอนการสังเคราะห์ดี เอ็น เอ สายใหม่โดยสังเคราะห์ต่อจากส่วนปลาย 5 ของไพรเมอร์ ตามข้อมูลบนดีเอ็นเอ ที่เป็นต้นแบบแต่ละสายโดยอาศัยการทำงานของเอ็นไซม์ดีเอ็นเอโพลิเมอร์เรส (DNA polymerase) ซึ่งเอ็นไซม์นี้สามารถทำงานได้ดีที่สุดที่อุณหภูมิ 72-75o ซ เอนไซม์ดีเอ็นเอโพลิเมอเรสที่ใช้ควรจะคง คุณสมบัติอยู่ได้ภายใต้สภาวะของปฏิกิริยา ตลอดทั้งสามขั้นตอน

จากขั้นตอนที่ 1-3 ซึ่งนับเป็นจำนวน 1 รอบ (one cycle) จะให้ผลผลิตเป็นดีเอ็นเอสายคู่ที่มีลำดับเบสเป็นคู่สมกับดีเอ็นเอที่เป็นต้นแบบเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า เมื่อจัดให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่จากขั้นที่ 1 ถึง 3 หมุนเวียนไปอีกหลาย ๆ รอบจะเพิ่มปริมาณดีเอ็นเอได้ มากมาย ประมาณว่าปฏิกิริยา 20 รอบ สามารถเพิ่มปริมาณสารดีเอ็นเอไม่ได้น้อยกว่า 100,000 เท่า



สารเคมีที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา PCR

เนื่องจากการทำ PCR เป็นการสร้างสายดีเอ็นเอ สายใหม่ในหลอดทดลอง จึงต้องมีการเติมสารเคมีและสารตั้งต้นที่เกี่ยวข้อง เพื่อใช้ในการนำมาสร้างเป็นดีเอ็นเอสายใหม่ สารเคมีที่ต้องใช้ปฏิกิริยา PCR มีดังต่อไปนี้


Deoxynucleotides (dNTPs) เป็นนิวคลีโอไทด์ ซึ่งเป็นหน่วยย่อยสำหรับนำไปสังเคราะห์ดีเอ็นเอสายใหม่

DNA polymerase เป็นเอนไซม์สำหรับสังเคราะห์ดีเอ็นเอให้ช่วยเร่งปฏิกิริยาเชื่อมต่อนิวคลีโอไทด์ใหม่เข้ากับไพรเมอร์

Primer เป็นดีเอ็นเอเริ่มต้นสายสั้น ๆ ที่มีลำดับเบสเป็นคู่สมกับดีเอ็นเอที่เป็นต้นแบบของการสังเคราะห์ ในการทำ PCR จึงต้องทราบลำดับเบสของดีเอ็นเอที่ต้องการจะเพิ่มจำนวน เพื่อใช้ในการสร้างไพเมอร์จำเพาะ

PCR buffer เป็นสารละลายที่ควบคุมสภาวะของการทำปฏิกิริยาให้เหมาะสม เช่น pH และเกลือต่าง ๆ ซึ่งจะต้องมีอนุมูลแมกนีเซียม (Mg++) อยู่ด้วย

Template คือดีเอ็นเอต้นแบบหรือยีนส่วนที่ต้องการเพิ่มปริมาณ หรือเป็นตัวอย่างดีเอ็นเอ ที่ต้องการนำมาตรวจหาดีเอ็นเอจำเพาะ
สารเคมีที่เป็นส่วนผสมของปฏิกิริยา PCR จะผสมกันไว้ในหลอดทดลองเล็กปริมาตรสาร 20-100 ไมโครลิตร เมื่อนำหลอดส่วนผสมไปใส่ไว้ในเครื่องควบคุมอุณหภูมิที่เรียกว่า DNA thermal cycler (นิยมเรียกว่าเครื่อง Pcr) ที่ปรับอุณหภูมิได้ตามโปรแกรมที่กำหนด จะเกิดการสังเคราะห์ดีเอ็นเอสายใหม่ขึ้นในหลอด เมื่อเกิดปฏิกิริยาจนครบรอบและระยเวลาที่กำหนดจะได้ผลผลิตดีเอ็นเอ ขนาดที่ต้องการเป็นจำนวนมาก

เครื่องเพิ่มปริมาณดีเอ็นเอ (PCR machine)


เครื่อง Thermal cycler หรือ PCR machine เป็นเครื่องที่จำเป็นในการทำ PCR ซึ่งเครื่องนี้มีอยู่หลายแบบและหลายระบบขึ้นกับการออกแบบและการคิดค้นของบริษัท ผู้ผลิต ข้อสำคัญคือต้องสามารถปรับเปลี่ยนอุณหภูมิได้เป็นขั้นตอนตามที่ตั้งไว้และทำงานหมุนเวียนกันหลาย ๆ รอบได้ตั้งโปรแกรมการทำงานได้และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ในแต่ละขั้นตอนใช้ระยะเวลาไม่นานนักระยะเวลาที่ใช้แต่ละขั้นคือ denaturing annealing และ extension อยู่ในช่วง 15 วินาที ถึง 10 นาที ดังนั้นการเพิ่มปริมาณดีเอ็นเอโดยวิธี PCR 25-40 รอบ จะใช้เวลาประมาณ 1.5-5 ชั่วโมง


การวิเคราะห์ผลผลิตดีเอ็นเอจากปฏิกิริยา PCR


ดีเอ็นเอที่เกิดจากปฏิกิริยา PCR ในหลอดทลองจะไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้ ดังนั้นเพื่อตรวจหาดีเอ็นเอผลผลิตจะต้องนำตัวอย่างที่ทำ PCR มาแยกหาดีเอ็นเอโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า agarose gel electrophoresis ซึ่งเป็นการแยกดีเอ็นเอด้วยกระแสไฟฟ้าบนแผ่นวุ้น (Agarose gel) โดยระยะทางที่ดีเอ็นเอสามารถเคลื่อนที่ไปได้จะขึ้นอยู่กับขนาดของดีเอ็นเอและกระแสไฟฟ้าที่ใช้ ดีเอ็นเอที่แยกโดยวิธีนี้สามารถมองเห็นได้เมื่อย้อมด้วยสีพิเศษ ซึ่งจะเรืองแสงเมื่อเจอกับแสงอุตร้าไวโอเลต ซึ่งจะเห็นแถบดีเอ็นเอเรืองแสงบนแผ่นวุ้น



ประโยชน์ของ PCR ในการตรวจวินิจฉัยโรค


ปัจจุบันนี้นับได้ว่า PCR เป็นเทคนิคสำคัญมากในงานอณูชีวโมเลกุล ทั้งที่เป็นงานพื้นฐานในห้องปฏิบัติการไปจนถึงการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์และการเกษตรสามารถใช้ในการวินิจฉัยโรคต่าง ๆ ทั้งโรคติดเชื้อและโรคจากพันธุกรรม ศึกษาความผันแปรหรือกลายพันธุ์ของพันธุกรรมหรือยีน ทำแผนที่ยีนและศึกษาลำดับเบสของยีนของสิ่งมีชีวิตได้ทุกชนิด ทั้งนี้เนื่องมาจากเทคนิคนี้สามารถเพิ่มจำนวนดีเอ็นเอที่สนใจศึกษาให้มีปริมาณมากในเวลาอันรวดเร็ว และเป็นเทคนิคที่ทำได้ง่าย

ประโยชน์ของ PCR ทางด้านการแพทย์ ได้แก่ การตรวจวินิจฉัยโรคโดยการตรวจหาเชื้อไวรัสหรือแบคทีเรียที่เป็นสาเหตุของโรค (เช่น โรคเอดส์,วัณโรค,มาเลเรีย) การตรวจหายีนก่อมะเร็ง (เช่น มะเร็งเต้านม,มะเร็งลำไส้ใหญ่) ซึ่งประโยชน์ของ PCR ทางการแพทย์เหล่านี้ทำให้การวินิจฉัยโรคเพื่อป้องกันและรักษาเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

ทางด้านการเกษตร PCR มีบทบาทมากในงานด้านการปรับปรุงพันธุ์พืช การตรวจสอบสายพันธุ์พืช การตรวจวินิจฉัยโรคสายพันธุ์พืชต้านทานโรค การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพืชกับเชื้อโรครวมทั้งศึกษายีนกับตัวอื่น ๆ ของพืชและเชื้อโรค และการแสดงออกของยีนเหล่านั้นได้ ซึ่งเทคนิค PCR นี้ช่วยให้เข้าใจถึงพันธุกรรมของเชื้อโรคพืชและ พืชอาศัย ตลอดจนการนำไปใช้ในการป้องกันกำจัดโรคพืชที่เกิดจากเชื้อรา แบคทีเรีย และไวรัส หรือเชื้อสาเหตุโรคอื่น ๆ

ขณะนี้เทคนิค PCR ได้ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเพาะเลี้ยงกุ้ง ซึ่งเป็น อุตสาหกรรมส่งออกที่ทำรายได้ให้กับประเทศไทย 4-5 หมื่นล้านบาทต่อปี แต่ในปัจจุบันนี้เกษตรกรเริ่มประสบปัญหาจากโรคระบาดในบ่อเลี้ยงกุ้ง ซึ่งมีผลต่อผลผลิตกุ้งส่งออกทำให้ประเทศไทยสูญเสียรายได้ถึงปีละ 1-2 หมื่นล้านบาท สาเหตุของโรคระบาดในกุ้งที่พบ ส่วนใหญ่เกิดจากเชื้อไวรัสซึ่งต้องใช้เทคนิค PCR ในการตรวจสอบ ทำให้สามารถป้องกันการแพร่ระบาดของโรคได้ทันท่วงที นอกจากนี้การคัดเลือกสายพันธุ์กุ้งที่ดีเพื่อใช้ในการผสมพันธุ์ซึ่งมีความแปรปรวนพันธุกรรม (genetic diversity หรือ Variation) สูงจะไม่สามารถดำเนินไปได้ถ้าไม่ใช้วิธีการคัดเลือกที่มีประสิทธิภาพ และถูกต้องถึงระดับ พันธุกรรม

http://bkw.ac.th/content/snet4/genetics/pcr.htm