ซ่อมแซมธรรมชาติด้วยเทคโนโลยี DNA

งานระดับโลกที่ยิ่งใหญ่ในการฟื้นฟูระบบนิเวศที่เสื่อมโทรมจะต้องรวมเทคโนโลยีที่ซับซ้อนเช่นการตรวจสอบ DNA ด้านสิ่งแวดล้อมเพื่อทำความเข้าใจและสนับสนุนการฟื้นตัวของชีวมณฑลที่ซับซ้อน นักวิจัยนานาชาติกล่าว

จีโนมิกส์ให้ ‘อาวุธ’ ที่สำคัญบางอย่างในการต่อสู้เพื่อซ่อมแซมระบบนิเวศ ตั้งแต่การตรวจสอบแหล่งที่มาของเมล็ดพันธุ์ไปจนถึงการปรับปรุงการตรวจหาวัชพืชหรือสัตว์ที่รุกราน ดร.มาร์ติน บรีด หัวหน้านักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Flinders กล่าว

นักวิจัยชาวออสเตรเลียและสหรัฐอเมริกาได้รวบรวมแผนงานสำหรับนักนิเวศวิทยาเพื่อการฟื้นฟูเพื่อใช้จีโนมิกส์ให้ดีขึ้นเพื่อช่วยแก้ไขปัญหาในแง่มุมที่สำคัญของการฟื้นฟูระบบนิเวศที่เสื่อมโทรม

จีโนมิกส์ให้การสนับสนุนที่สำคัญสำหรับการย้อนกลับความเสื่อมโทรมของระบบนิเวศ แต่ก็มักจะเป็นเครื่องมือที่ขาดหายไปในกล่องเครื่องมือนักนิเวศวิทยาการฟื้นฟู” นักวิจัยตั้งข้อสังเกตในบทความใหม่ในการทำธุรกรรมทางปรัชญาของ Royal Society B

“มันสามารถช่วยปรับปรุงแนวทางการจัดหาเมล็ดพันธุ์สำหรับการปลูกพืชใหม่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ” ดร. บรีดกล่าว

“จีโนมิกส์สามารถบอกเราได้ว่าเราควรหาเมล็ดพันธุ์มาจากไหน ซึ่งจะมีโอกาสรอดชีวิตจากผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้ดีขึ้น เช่น คลื่นความร้อนที่บ่อยและรุนแรงขึ้น

“เช่นกัน จีโนมเป็นวิธีเดียวในการติดตามการกลับมาของจุลินทรีย์ในดินที่สนับสนุนชีวิตที่เหลืออยู่บนโลก ทั้งพืชและสัตว์

“นอกจากนี้ จีโนมยังสามารถใช้เพื่อตรวจดูว่าชนิดพันธุ์ที่ถูกคุกคามหรือชนิดที่ไม่พึงประสงค์ เช่น พืชและสัตว์ที่รุกราน จะกลับมาหลังจากความพยายามในการฟื้นฟูหรือไม่”

การรับจีโนมมากขึ้นมีศักยภาพที่ชัดเจนในการปรับปรุงงานใหญ่ที่รออยู่ข้างหน้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของปฏิญญา UN Decade on Ecosystem Restoration ที่สนับสนุน Bonn Challenge เพื่อฟื้นฟูระบบนิเวศที่เสื่อมโทรม 350 ล้านเฮกตาร์ภายในปี 2030

แผนงานสำหรับนักนิเวศวิทยาด้านการฟื้นฟูเพื่อเพิ่มจีโนมิกลงในกล่องเครื่องมือรวมถึงความจำเป็นในการสื่อสารที่ดีขึ้นในภาคส่วนการฟื้นฟูและจีโนม กลยุทธ์เรียกร้องให้:

• ใช้ประโยชน์จากการสื่อสารในความเชี่ยวชาญด้านการฟื้นฟูต่างๆ
• การนำจีโนมมาใช้ในภาคส่วนนอกเหนือจากกลุ่มแรกๆ ผ่านการตระหนักรู้ที่ดีขึ้นเกี่ยวกับจีโนมในภาคส่วนการฟื้นฟู
• การปรับปรุงการเข้าถึงทักษะเสริมที่จำเป็นสำหรับจีโนม เช่น ชีวสารสนเทศและวิทยาการคอมพิวเตอร์ และ
• ส่งเสริมความร่วมมือสหวิทยาการ

การจัดหาเงินทุนสำหรับการวิจัยและพัฒนาองค์ประกอบเสริม เช่น ชีวสารสนเทศและโครงสร้างพื้นฐานทางคอมพิวเตอร์จะสนับสนุนแนวทางที่เป็นนวัตกรรมใหม่ในการฟื้นฟูระบบนิเวศ

โครงการนี้ได้รับทุนจากสภาวิจัยแห่งออสเตรเลีย (หมายเลข LP190100051, LP190100484, DP180100668 และ DP210101932)

การฟื้นฟูระบบนิเวศจำเป็นต้องรวม Genomics

เนื่องจาก DNA เป็นคลังข้อมูลทางพันธุกรรมในเซลล์ที่มีชีวิตแต่ละเซลล์ ความสมบูรณ์และความเสถียรของ DNA จึงเป็นปัจจัยสำคัญต่อชีวิต อย่างไรก็ตาม DNA ไม่เฉื่อย; ค่อนข้างจะเป็นสารเคมีที่ถูกโจมตีจากสิ่งแวดล้อม และความเสียหายใดๆ ที่เกิดขึ้นหากไม่ได้รับการซ่อมแซม จะนำไปสู่การกลายพันธุ์และอาจเป็นโรคได้ บางทีตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดของความเชื่อมโยงระหว่างความเสียหายของดีเอ็นเอและโรคที่เกิดจากสิ่งแวดล้อมก็คือมะเร็งผิวหนัง ซึ่งอาจเกิดจากการได้รับรังสี UV ในรูปของแสงแดดมากเกินไป

อีกตัวอย่างหนึ่งคือความเสียหายที่เกิดจากควันบุหรี่ ซึ่งอาจนำไปสู่การกลายพันธุ์ในเซลล์ปอดและมะเร็งปอดในระยะต่อมา นอกเหนือจากสารด้านสิ่งแวดล้อมแล้ว DNA ยังได้รับความเสียหายจากปฏิกิริยาออกซิเดชันจากผลพลอยได้จากการเผาผลาญ เช่น อนุมูลอิสระ อันที่จริง มีการประเมินว่าเซลล์แต่ละเซลล์สามารถรับการเปลี่ยนแปลงของ DNA ได้มากถึงหนึ่งล้านครั้งต่อวัน (Lodish et al., 2005)

นอกเหนือจากการดูหมิ่นทางพันธุกรรมที่เกิดจากสิ่งแวดล้อมแล้ว กระบวนการจำลองดีเอ็นเอระหว่างการแบ่งเซลล์มักมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาด อัตราที่ DNA polymerase เพิ่มนิวคลีโอไทด์ที่ไม่ถูกต้องระหว่างการจำลองแบบ DNA เป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดอัตราการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองในสิ่งมีชีวิต แม้ว่าปกติแล้วเอนไซม์ “การพิสูจน์อักษร” จะรับรู้และแก้ไขข้อผิดพลาดเหล่านี้ได้หลายอย่าง

แต่การกลายพันธุ์บางตัวอาจอยู่รอดได้ในกระบวนการนี้ ค่าประมาณของความถี่ที่ DNA ของมนุษย์ได้รับข้อผิดพลาดที่ไม่ได้รับการแก้ไขเป็นเวลานานตั้งแต่ 1 x 10-4 ถึง 1 x 10-6 การกลายพันธุ์ต่อเซลล์สืบพันธุ์สำหรับยีนที่กำหนด อัตรา 1 x 10-6 หมายความว่านักวิทยาศาสตร์คาดหวังว่าจะพบการกลายพันธุ์หนึ่งครั้งที่ตำแหน่งเฉพาะต่อหนึ่งล้านเซลล์สืบพันธุ์ อัตราการกลายพันธุ์ในสิ่งมีชีวิตอื่นมักจะต่ำกว่ามาก (ตารางที่ 1)

วิธีหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์สามารถประเมินอัตราการกลายพันธุ์ได้คือการพิจารณาอัตราการกลายพันธุ์ใหม่ที่โดดเด่นซึ่งพบที่ตำแหน่งต่างๆ ตัวอย่างเช่น โดยการตรวจสอบจำนวนบุคคลในประชากรที่กำหนดซึ่งได้รับการวินิจฉัยว่าเป็นโรคนิวโรไฟโบรมาโตซิส (NF1 ซึ่งเป็นโรคที่เกิดจากการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหรือไม่ได้รับการถ่ายทอดทางพันธุกรรม) นักวิทยาศาสตร์ระบุว่าอัตราการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองของยีนที่รับผิดชอบต่อโรคนี้มีค่าเฉลี่ย

การกลายพันธุ์ 1 x 10-4 ต่อ gamete (Crowe et al., 1956) นักวิจัยคนอื่นๆ พบว่าอัตราการกลายพันธุ์ของยีนอื่นๆ เช่นเดียวกับโรคฮันติงตัน นั้นต่ำกว่าอัตราของ NF1 อย่างมาก ข้อเท็จจริงที่ว่าผู้วิจัยได้รายงานอัตราการกลายพันธุ์ที่แตกต่างกันสำหรับยีนที่แตกต่างกัน แสดงให้เห็นว่า loci บางแห่งมีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหายหรือข้อผิดพลาดมากกว่าที่อื่นๆ

กลไกการซ่อมแซมดีเอ็นเอและโรคของมนุษย์

โรคทางพันธุกรรมเจ็ดโรคแสดงอยู่ในเจ็ดแถวในคอลัมน์หนึ่งในตารางสามคอลัมน์นี้ อาการที่เกี่ยวข้องกับแต่ละโรคแสดงไว้ในคอลัมน์ที่สอง ความบกพร่องทางพันธุกรรมที่รับผิดชอบสำหรับแต่ละโรคแสดงอยู่ในคอลัมน์ที่สาม

แผนภาพเส้นทางเคมี 2 แบบแสดงให้เห็นว่ารังสี UV เร่งปฏิกิริยาไดเมอไรเซชันของไพริมิดีนอย่างไร โครงสร้างทางเคมีของพีริมิดีนสองตัวแสดงอยู่ทางด้านซ้ายของแต่ละแผนภาพ ลูกศรแนวนอนตรงกลางแผนภาพแสดงถึงการกระตุ้นด้วยแสง ซึ่งเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์โฟโตไลเดสเมื่อมีแสงยูวี

โครงสร้างทางเคมีของไดเมอร์ที่ได้จะแสดงที่ด้านขวาของแต่ละไดอะแกรม ในแผง A โมเลกุลของไทมีนสองโมเลกุลรวมกันเพื่อสร้างไดเมอร์ไทมีน-ไทมีน ในแผง B โมเลกุลของไทมีนและโมเลกุลของไซโตซีนรวมกันเพื่อสร้างไดเมอร์ไซโตซีน-ไทมีน ในแผงทั้งสองนี้ โมเลกุลของไพริมิดีนแต่ละตัวทางด้านซ้ายของแผนภาพจะดูเหมือนวงแหวนหกด้านที่แยกจากกัน หลังจากการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง วงแหวนทั้งสองได้รวมกันเป็นโมเลกุลเดี่ยวที่มีวงแหวนสองวง

กระบวนการซ่อมแซมดีเอ็นเอมีอยู่ทั้งในสิ่งมีชีวิตที่เป็นโปรคาริโอตและยูคาริโอต และโปรตีนจำนวนมากที่เกี่ยวข้องได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างดีตลอดวิวัฒนาการ อันที่จริง เซลล์ได้พัฒนากลไกหลายอย่างในการตรวจจับและซ่อมแซมความเสียหายประเภทต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้นกับ DNA ไม่ว่าความเสียหายนี้จะเกิดจากสิ่งแวดล้อมหรือจากข้อผิดพลาดในการจำลองแบบก็ตาม เนื่องจากดีเอ็นเอเป็นโมเลกุลที่มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการแบ่งตัวของเซลล์

การควบคุมการซ่อมแซมดีเอ็นเอจึงมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับการควบคุมวัฏจักรของเซลล์ (โปรดจำไว้ว่าเซลล์เคลื่อนที่ผ่านวัฏจักรที่เกี่ยวข้องกับเฟส G1, S, G2 และ M โดยมีการจำลองดีเอ็นเอเกิดขึ้นในเฟส S และไมโทซิสในระยะ M) ในระหว่างวัฏจักรเซลล์ กลไกจุดตรวจช่วยให้แน่ใจว่า DNA ของเซลล์ไม่เสียหาย ก่อนอนุญาตให้การจำลองดีเอ็นเอและการแบ่งเซลล์เกิดขึ้น ความล้มเหลวในจุดตรวจเหล่านี้สามารถนำไปสู่การสะสมของความเสียหาย ซึ่งจะนำไปสู่การกลายพันธุ์

ข้อบกพร่องในการซ่อมแซม DNA นั้นเกิดจากโรคทางพันธุกรรมของมนุษย์จำนวนหนึ่งที่ส่งผลต่อระบบต่างๆ ของร่างกายที่หลากหลาย แต่มีลักษณะร่วมกันเป็นกลุ่มๆ ที่โดดเด่นที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งความโน้มเอียงที่จะเป็นมะเร็ง (ตารางที่ 2) ความผิดปกติเหล่านี้รวมถึง ataxia-telangiectasia (AT) ภาวะมอเตอร์เสื่อมที่เกิดจากความล้มเหลวในการซ่อมแซมความเสียหายจากปฏิกิริยาออกซิเดชันในสมองน้อย

และ xeroderma pigmentosum (XP) ซึ่งเป็นภาวะที่มีลักษณะไวต่อแสงแดดและเชื่อมโยงกับข้อบกพร่องในรังสีอัลตราไวโอเลตที่สำคัญ (UV ) เส้นทางการซ่อมแซมความเสียหาย นอกจากนี้ ยีนจำนวนหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับมะเร็ง เช่น กลุ่ม RAD ยังถูกกำหนดให้เข้ารหัสโปรตีนที่สำคัญต่อการซ่อมแซมความเสียหายของดีเอ็นเออีกด้วย

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ kempaonline.com