การสังเคราะห์ยีน: 5 วิธีและแอปพลิเคชันที่แตกต่างกัน

การผลิตหรือสังเคราะห์ยีนด้วยกระบวนการทางเคมีเป็นเสาหลักที่สำคัญในชีววิทยาระดับโมเลกุลสมัยใหม่ ช่วยในการสร้างยีนดั้งเดิมทั้งหมดและยีนใหม่ (ยีนที่ไม่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ) นอกจากนี้ กระบวนการนี้ยังเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างจีโนมทั้งหมด (ชุดคำสั่งทางพันธุกรรมทั้งหมดที่มีอยู่ในเซลล์สิ่งมีชีวิต).

ความก้าวหน้าใน การสังเคราะห์ยีน ทำให้มีวิธีการผลิตยีนที่หลากหลายให้เลือกใช้ อย่างไรก็ตาม แต่ละวิธีก็มีข้อจำกัดในการใช้งานเฉพาะด้าน เช่น การสังเคราะห์ยีนเฉพาะ และเทคนิคหนึ่งไม่สามารถใช้ทดแทนอีกเทคนิคหนึ่งได้ ดังนั้น ด้านล่างนี้คือภาพรวมของเทคนิคการสังเคราะห์ยีนที่ใช้กันทั่วไปและลักษณะเฉพาะของแต่ละเทคนิค เพื่อเป็นแนวทางในการเลือกวิธีการที่เหมาะสมสำหรับโครงการต่างๆ

โปรโตคอลการสังเคราะห์ยีน?

การสร้างยีนสังเคราะห์เป็นกระบวนการทีละขั้นตอนที่ช่วยอำนวยความสะดวกในการผลิตยีนและผลิตภัณฑ์ยีนอื่นๆ โดยไม่ต้องอาศัยแม่แบบดีเอ็นเอ ดังนั้นจึงช่วยให้สามารถผลิตยีนที่หลากหลายได้ รวมถึงยีนที่กำหนดเองซึ่งมีการดัดแปลงลำดับหรือคู่เบส.

ดังที่กล่าวมาข้างต้น ความก้าวหน้าในด้านเทคโนโลยีชีวภาพทำให้มีเทคนิคการผลิตยีนสังเคราะห์หลายวิธี อย่างไรก็ตาม เทคนิคทั้งหมดล้วนอาศัยกระบวนการผลิตยีนตามธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตเป็นพื้นฐานในการผลิตยีนทางเคมี โดยมีการปรับเปลี่ยนเล็กน้อยในบางส่วน.

ดังนั้น การเข้าใจกระบวนการสังเคราะห์ยีนขั้นพื้นฐานจะช่วยให้เข้าใจความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างเทคนิคการสังเคราะห์ยีนได้ดียิ่งขึ้น ด้านล่างนี้คือภาพรวมของขั้นตอนต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ยีน.

การสังเคราะห์โอลิโกนิวคลีโอไทด์

โอลิโกนิวคลีโอไทด์เป็นสายกรดนิวคลีอิก (ดีเอ็นเอหรืออาร์เอ็นเอ) สั้นๆ และทำหน้าที่เป็นหน่วยพื้นฐานสำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ทางพันธุกรรมใดๆ รวมถึงการสังเคราะห์เปปไทด์และโปรตีน วิธีการสังเคราะห์ยีนที่แตกต่างกันจะใช้สารเคมีและเทคนิคที่แตกต่างกันในการเริ่มต้นการสังเคราะห์โอลิโกนิวคลีโอไทด์ อย่างไรก็ตาม กระบวนการจะดำเนินไปในทิศทาง 3' ไปยัง 5' ในทุกวิธี.

การเชื่อมต่อโอลิโกนิวคลีโอไทด์

กระบวนการอบอ่อนเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่โมเลกุล เช่น โอลิโกนิวคลีโอไทด์ ก่อนที่จะค่อยๆ ลดอุณหภูมิลงเพื่ออำนวยความสะดวกในการเกิดไฮบริดิเซชันหรือการสร้างพันธะเคมีระหว่างโมเลกุลสองตัว วิธีการสังเคราะห์ยีนที่แตกต่างกันจะใช้เทคนิคการทำลายล้างที่เป็นเอกลักษณ์เพื่อสร้างลำดับยีนที่สมบูรณ์.

การโคลนนิ่งลำดับยีน

การโคลนนิ่งคือการจำลองสำเนาของลำดับยีนที่สร้างขึ้นใหม่โดยใช้เวกเตอร์โคลนนิ่ง.

การคัดกรองโคลน

การสังเคราะห์ยีนไม่ใช่กระบวนการที่สมบูรณ์แบบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการคัดกรองโคลนเพื่อระบุยีนเป้าหมายภายในโคลนเหล่านั้น เครื่องมือคัดกรองที่นิยมใช้ ได้แก่ ชุดตรวจ ELISA และโครมาโทกราฟี.

การวิเคราะห์ลำดับและการแก้ไขข้อผิดพลาด

นอกจากการระบุยีนเป้าหมายแล้ว การวิเคราะห์คู่เบสในลำดับอย่างละเอียดก็เป็นสิ่งจำเป็นเช่นกัน ยิ่งไปกว่านั้น มาตรการแก้ไขข้อผิดพลาดในการจำลองแบบ เช่น การลบและการแทนที่เบส จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าพลาสมิดจะถูกวางในตำแหน่งที่ต้องการ.

วิธีการและการประยุกต์ใช้

ด้านล่างนี้คือภาพรวมของวิธีการสังเคราะห์ยีนและการประยุกต์ใช้ที่เป็นที่นิยมมากที่สุด.

1. การสังเคราะห์ในเฟสของแข็ง

การสังเคราะห์แบบของแข็งเป็นวิธีการสังเคราะห์ยีนแบบดั้งเดิม โดยใช้สารนิวคลีโอไซด์ที่ได้รับการดัดแปลงทางเคมี รวมถึงกรดนิวคลีอิกแบบล็อก (LNA) เพื่อสังเคราะห์โอลิโกนิวคลีโอไทด์เป้าหมาย คอลัมน์รีเอเจนต์ที่มีกรดปลดบล็อกจะกักเก็บสารนิวคลีโอไซด์ไว้ ซึ่งจะค่อยๆ ก่อตัวเป็นสายโอลิโกนิวคลีโอไทด์พร้อมกับการปลดบล็อกของสารนิวคลีโอไซด์ตัวถัดไป.

กระบวนการประกอบด้วยเอนไซม์เกี่ยวข้องกับการปลดบล็อก (การกำจัดสารป้องกัน) ของนิวคลีโอไซด์ ตามด้วยการเชื่อมต่อ การปิดหัว และการออกซิเดชันเพื่อสร้างลำดับยีนจากโอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่เกิดขึ้นใหม่ การสังเคราะห์บนเฟสของแข็งเป็นกระบวนการอัตโนมัติอย่างสมบูรณ์ และนักวิจัยจะเก็บรวบรวมยีนในตอนท้าย ข้อดีของกระบวนการนี้ได้แก่ ความแม่นยำของลำดับยีนที่สูงมาก.  

อย่างไรก็ตาม กระบวนการกำจัดหมู่ป้องกันจะเพิ่มโอกาสเกิดปฏิกิริยาข้างเคียง และความเสี่ยงจะเพิ่มขึ้นตามความยาวที่มากขึ้น ดังนั้น การสังเคราะห์แบบของแข็งจึงผลิตยีนที่มีความยาวเพียง 15-25 เบส (สูงสุด 200 นิวคลีโอไทด์) ยีนดังกล่าวมีประโยชน์ในชีววิทยาโมเลกุลและการแพทย์ รวมถึงการใช้เป็นแอนติเซนส์ในการสังเคราะห์โปรตีน หรือเป็นโพรบสำหรับการตรวจจับสารพันธุกรรมที่เสริมกัน.

2. การสังเคราะห์ดีเอ็นเอโดยใช้ชิป

การสังเคราะห์ดีเอ็นเอด้วยชิปเป็นกระบวนการสังเคราะห์ยีนยุคใหม่ แตกต่างจากการสังเคราะห์แบบของแข็งซึ่งเป็นกระบวนการทางเคมี การสังเคราะห์ด้วยชิปเป็นกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี.

วิธีการนี้ใช้ชิปเซมิคอนดักเตอร์ไมโครอาร์เรย์ที่ติดตั้งระบบควบคุมอุณหภูมิเพื่อสร้างโอลิโกนิวคลีโอไทด์หลายตัวภายในครั้งเดียว การสังเคราะห์ด้วยชิปช่วยเสริมกระบวนการทางเคมีแบบวงจรฟอสโฟราไมไดต์แบบดั้งเดิมโดยการสร้างบริเวณที่มีการควบคุมอุณหภูมิที่เรียกว่าบ่อ/เกาะเสมือน ซึ่งช่วยให้สามารถเลือกเป้าหมายได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น.

นอกจากนี้ ยังช่วยให้ตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาดระหว่างกระบวนการประกอบโอลิโกนิวคลีโอไทด์ได้ง่ายขึ้น และไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนการวิเคราะห์ลำดับและการแก้ไขข้อผิดพลาดแยกต่างหาก ข้อดีของการสังเคราะห์บนชิป ได้แก่ ปริมาณงานสูงและความสามารถในการสร้างชิ้นส่วนยีนที่มีคู่เบสยาวขึ้น เทคนิคนี้สร้างลำดับยีนสำหรับการใช้งานที่ต้องการปริมาณ DNA เป้าหมายสูงและความแม่นยำต่ำ.

3. การสังเคราะห์เอนไซม์โดยใช้ PCR

การสังเคราะห์ยีนด้วย PCR (polymerase chain reaction) เป็นกระบวนการคลาสสิกที่สร้างชิ้นส่วนยีนนับล้านชิ้นในสองขั้นตอนโดยใช้ไพรเมอร์ ขั้นตอนแรกคือการประกอบนิวคลีโอไทด์ที่ซ้อนทับกันผ่านปฏิกิริยาลูกโซ่แบบ self-priming เพื่อสร้างโอลิโกนิวคลีโอไทด์ขนาด 60 bp ซึ่งครอบคลุมลำดับทั้งหมด.

ประการที่สอง ปฏิกิริยา PCR ครั้งต่อมาจะสร้างชิ้นส่วน DNA ที่มีความยาว 400-500 bp จากนั้นไพรเมอร์เพิ่มเติมจะขยายชิ้นส่วน DNA เป้าหมาย วิธีนี้เหมาะสำหรับงานที่ต้องการชิ้นส่วนยีนที่มีความแม่นยำสูงและมีความยาวมาก.

4. การสังเคราะห์ยีนจากกลุ่มโอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่ได้จากอาร์เรย์

การสังเคราะห์ยีนโดยใช้อาร์เรย์เป็นกระบวนการผลิตยีนที่ประหยัดที่สุด เนื่องจากใช้สารเคมีน้อย ประการที่สอง วิธีนี้รองรับการผลิตแบบมัลติเพล็กซ์ โดยสามารถผลิตลำดับนิวคลีโอไทด์ได้หลายพันถึงหลายหมื่นลำดับ.

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าลำดับนิวคลีโอไทด์ที่หลากหลายจะเป็นข้อดี แต่การประกอบนิวคลีโอไทด์เหล่านั้นให้เป็นชิ้นส่วนยีนที่ใช้งานได้นั้นเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากความคล้ายคลึงกันของลำดับ ดังนั้น วิธีนี้จึงเหมาะสำหรับกระบวนการสังเคราะห์ยีนแบบกำหนดเองที่ต้องการชิ้นส่วนยีนในปริมาณที่น้อยกว่ามาก.

5. การสังเคราะห์ยีนในเฟสของเหลว

การสังเคราะห์ยีนในเฟสของเหลวเป็นเทคนิคคลาสสิกอีกเทคนิคหนึ่ง ซึ่งมีความคล้ายคลึงกับการสังเคราะห์ในเฟสของแข็งในหลายด้าน อย่างไรก็ตาม ต่างจากการสังเคราะห์ในเฟสของแข็งตรงที่การสร้างโอลิโกนิวคลีโอไทด์เกิดขึ้นในสารละลายแทนที่จะอยู่ในตัวรองรับแบบคอลัมน์ นอกจากนี้ การสังเคราะห์ยีนในเฟสของเหลวยังมีความเสี่ยงต่อปฏิกิริยาข้างเคียงต่ำกว่า และสามารถสร้างชิ้นส่วน DNA ที่ยาวได้โดยมีข้อผิดพลาดน้อยที่สุด แม้ว่าจะช้ากว่าก็ตาม.

บทสรุป

เทคนิคการสังเคราะห์ยีนมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับยีนคุณภาพสูง ประหยัดต้นทุน และปรับขนาดได้ วิธีการที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นวิธีการผลิตยีนหลัก และคุณสามารถปรึกษาผู้ให้บริการของคุณเกี่ยวกับวิธีการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับโครงการและงบประมาณของคุณได้.

‍