Modern Biotechnology PDF

เทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ (Modern Biotechnology) ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.มลิวรรณ นาคขุนทด ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร 1 2 กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ที่ ทดลองในสิ่งมีชีวิต ระดับพันธุกรรม (ดีเอ็นเอ อาร์เอ็นเอ โปรตีน) เพื่อ.... ให้ได้ลักษณ...

เทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ (Modern Biotechnology) ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.มลิวรรณ นาคขุนทด ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร 1 2 กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ที่ ทดลองในสิ่งมีชีวิต ระดับพันธุกรรม (ดีเอ็นเอ อาร์เอ็นเอ โปรตีน) เพื่อ.... ให้ได้ลักษณะตามที่ต้องการ ผลิตอาหารและยา ได้แก่... พันธุวิศวกรรม (genetic engineering) การปรับแต่งจีโนม (genome editing) การโคลนนิ่ง (cloning) การเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์ (animal cell culture) การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช (plant tissue culture) 3  พันธุวิศวกรรม (genetic engineering) เทคโนโลยีที่ทาการเคลื่อนย้ายยีนจากสิ่งมีชีวิตสายพันธุ์หนึ่ง ไปสู่สิ่งมีชีวิตอีกสายพันธุ์หนึ่ง เพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่ การดัดแปลงพันธุกรรม (genetic modification) สิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม (Genetically Modified Organisms : GMOs) ประโยชน์... อาหาร ยา สิ่งแวดล้อม 4 Genetically Modified Organisms 5 พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตอาหาร GM Atlantic Salmon ปัญหา Atlantic salmon คือ ตัวเล็ก แก้ไขปัญหา โดย... ใส่ยีนผลิตฮอร์โมนเพิ่มการเจริญเติบโต (growth hormone) จาก Chinook salmon (ตัวใหญ่กว่า) เพิ่มเติม ยีนควบคุมจากปลาไหลทะเล (ocean pout) ให้แสดงออกมากขึ้น ผลที่ได้ คือ Atlantic salmon ตัวใหญ่ขึ้น ไม่มีผลต่อคุณภาพของเนื้อปลา 6  พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตอาหาร Transgenic Cow ปัญหา คือ วัวนมมีผลผลิตน้านมน้อย แก้ไขปัญหา โดย... ใส่ชิ้นส่วนยีนตัดแต่งของการสร้าง growth hormone (recombinant bovine somatotropin : rBST) จากยีนของวัวปกติ ผลที่ได้ คือ วัวที่มีน้านมเพิ่มขึ้น และในน้านมมีสารอาหารมากขึ้น 7 พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตอาหาร Superpower Pig ปัญหา คือ หมูเสียชีวิต จากโรคไข้หวัดหมู แก้ไขปัญหาโดย... ใส่ยีนสร้างโปรตีนของไวรัส ไข้หวัดหมู ผลที่ได้ คือ หมูต้านโรคไข้หวัดหมู More meat more bacon 8 พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตอาหาร Transgenic Pig with Leaner Pork ปัญหา คือ เนื้อหมูมัน สาเหตุโรคอ้วน แก้ปัญหาโดย... เพิ่มชิ้นส่วนยีน insulin-like growth factor-I เข้าไปในตัวอ่อนของหมูหลังปฏิสนธิทันที ผลที่ได้ คือ หมูเพิ่มกล้าเนื้อ ไม่สะสมไขมันผลผลิต เพิ่มเติม คือ เนื้อหมูที่มีมันน้อย (lean pork) นาไปปรุงอาหารคลีน 9 พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตอาหาร BT Corn / BT Cotton / BT Soy ปัญหา คือ หนอนกินผลผลิต แก้ปัญหาโดย... ใส่ยีนสร้างสารพิษจากแบคทีเรีย Bacillus thuringiensis (BT) ผลที่ได้ คือ หนอนไม่ทาลายผลผลิต เพิ่มเติม คือ ผลผลิตพืชสูงขึ้น 10 พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตอาหาร Roundup ReadyTM Soybean ปัญหา คือ ถั่วเหลืองโดนยาปราบวัชพืชทาลาย แก้ปัญหาโดย...ใส่ยีน CP4-EPSPS จากแบคทีเรีย Agrobacterium tumefaciens ผลที่ได้ คือ ถั่วเหลืองต้านยาปราบวัชพืช เจริญเติบโดได้ เช่น ยาปราบวัชพืช glyphosate ไม่จับกับยีนที่มา จากแบคทีเรีย ทาให้ผลิตกรดอะมิโนเพื่อการเจริญเติบโตได้ เพิ่มเติ่ม คือ ผลผลิตถั่วเหลืองสูงขึ้น เมล็ดใหญ่ขึ้น 11 พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตอาหาร Golden Rice ปัญหา คือ ประชากรเป็นโรคตาบอด เนื่องจากขาดวิตามิน เอ แก้ไขปัญหา โดย...ใส่ยีนสร้างแคโรทีนที่เป็นสารตั้งต้นใน การสร้างวิตามิน เอ จากพืชอื่น ๆ ในข้าว ผลที่ได้ คือ ประชากรไม่ขาดวิตามิน เอ และไม่ตาบอด เพิ่มเติม คือ ประชาชนได้รับอาหาร ได้รับสารอาหารเพิ่ม 12 พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตอาหาร Hawaii Papaya ปัญหา คือ มะละกอเป็นโรควงแหวน ลาต้นตาย ใบหงิกงอ เปลือกผลเป็นรอย แก้ไขปัญหาโดย... ใส่ชิ้นส่วนยีนที่สร้างโปรตีนของไวรัสวงแหวน ผลที่ได้ คือ มะละกอต้านโรคไวรัสวงแหวน เพิ่มเติม คือ ผลผลิตมากขึ้น อายุยาวนานขึ้น สารอาหารเท่ากับมะละกอปกติ 13 พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตอาหาร Flavr Savr Tomato ปัญหา คือ มะเขือเทศเน่าเสียง่าย ระยะเวลาการเก็บรักษาสั้น แก้ไขโดย...ใส่ชิ้นส่วนยีนที่ต้านการผลิตเอธิลีน ผลที่ได้ คือ มะเขือเทศไม่สุกและไม่เน่าเสีย เพิ่มเติม คือ ผลผลิตมีอายุยาวนานขึ้นในการขนส่ง ผลไม่นิ่ม 14  พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตยา Purple Tomato ปัญหา คือ โรคมะเร็ง เนื้องอก ทาให้อายุสั้นลง แก้ไขโดย... ใส่ชิ้นส่วนยีนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างสารแอนโทไซยานิน (anthocyanin) จากดอก snapdragon ผลที่ได้ คือ มะเขือเทศสีม่วงที่มีสารแอนโทไซยานินที่เป็นสาร ต้านอนุมูลอิสระ เพื่อต่อต้านการเกิดเนื้องอก ผลการวิจัยเสนับสนุน คือ การทดลองกับหนูที่ชักนาให้เป็น เนื้องอกและมะเร็งได้ง่าย พบว่าหนูกลุ่มที่กินอาหารปกติที่เสริม มะเขือเทศสีม่วง มีอายุยืนยาวกว่าหนูที่กินอาหารปกติแต่ไม่ได้ เสริมถึง 1/4 ของช่วงชีวิต (ช่วงชีวิตปกติประมาณ 140 วัน) 15  พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตยา Edible Plant Vaccine ปัญหา คือ สาธารณสุขการได้รับวัคซีนไม่ทั่วถึง แก้ปัญหาโดย.... สร้างพืชที่มี coat protein ของไวรัสต่าง ๆ ผลที่ได้ คือ ต้นพืชที่ที่เสมือนเป็นวัคซีน ไปได้ทั่วถึงทุกภาคส่วน 16  พันธุวิศวกรรมเพื่อการผลิตยา Transgenic Goat ปัญหา คือ ทารกที่เป็นโรคเลือดไหลไม่หยุด และ ได้รับ สารอาหารจากนมแม่ไม่เพียงพอ แก้ปัญหาโดย...ใส่ชิ้นส่วนยีนตัดแต่งเกี่ยวกับการสร้าง โปรตีนที่ทาให้เลือดแข็งตัว (blood clot protein : antithrombin) และ lysozyme จากมนุษย์ในแพะ ผลที่ได้ คือ แพะสามารถสร้างน้านมที่มีโปรตีนทาให้ เลือดแข็งตัว และมีคุณค่าทางอาหารต้านเชื้อต่าง ๆ เหมือน นมจากแม่ เพิ่มเติม คือ ทารกที่รับประทานนมแพะนี้ เสมือน รับประทานนมจากแม่ 17  พันธุวิศวกรรมเพื่อสิ่งแวดล้อม Transgenic Zebrafish / Glofish ปัญหา คือ คุณภาพน้าในแม่น้าเป็นอย่างไร??? เดิมปลาม้าลายมีถิ่นกาเนิดในอินเดียและบังคลาเทศ แต่ไม่สามารถมีชีวิตในแม่น้าในอเมริกาที่สกปรก แก้ปัญหาโดย... ใส่ชิ้นส่วนยีนเรืองแสงจากแมงกะพรุนหรือปะการังใน ปลาม้าลาย ผลที่ได้ คือ ปลาม้าลายเรืองแสง ที่สามารถเติบโตได้ใน น้าสะอาด เพิ่มเติม คือ สามารถนามาเป็นสัตว์เลี้ยง ปลาม้าลายนี้เป็นหมัน ไม่สามารถขยายพันธุ์ได้ ประเทศไทยประกาศห้ามเพาะเลี้ยง 18  GMOs Uses Environmental Cleanup the removal of pollution or contaminants from environment Bacterium that can help clean the oil spill in spill in the Gulf of Mexico Environmental Cleanup Rhamnolipid -is secreted from bacteria -natural emulsifiers -non-toxic to the environment and biodegradable 19 พันธุวิศวกรรมเพื่อสิ่งแวดล้อม GM Male Mosquitoes ปัญหา คือ โรคต่าง ๆ ที่มียุงเป็นพาหะ ยุงตัวเมียนาเชื้อไวรัสกัด และ ปล่อยเชื้อให้คน แก้ไขโดย...ใส่ชิ้นส่วนยีน time bomb ในยุงตัวผู้ ผลที่ได้ คือ ลูกน้าที่มียีน time bomb จะไม่กลายเป็น ยุงตัวเต็มวัย ข้อดี คือ ไม่มียุงเหลือในโลกนี้ ไม่มีโรคที่มียุงเป็นพาหะ ข้อเสีย...สายใยอาหารผิดเพี้ยนไป แก้ไขโดยมีการพัฒนาโดยเมื่อเลี้ยงลูกน้าที่มียีนนี้ในน้า ที่มีสารเตตร้าไซคลิน ลูกน้าจะพัฒนาเป็นตัวยุงได้ แต่ยังมี ยีนนี้ติดตัวไปด้วย 20  Kinds of GMOs GM Plants Bacillus thuringiensis Snapdragon Daffodil Ripen tomato anthocyanin carotene Papaya Ringspot Virus journal cover image Golden Rice Bt corn + Vitamin A Bt soy Hawaiian papayas Produce antioxidant Bt cotton Capsid protein to anti-cancer Antisense tomato 21  cows human milk, transgenic animals, animal exploitation, animal farming, vegan Kinds of GMOs Transgenic Animals Glowfish Naked neck chicken GFP from Aequorea victoria lactoferrin and lysozyme are anti- bacterial and anti-virus Pacific Chinook salmon Transgenic cow AquaBounty Atlantic salmon green-fluorescent protein The mutant scaleless chicken 22 homozygous recessive (sc/sc) GM Food GM food คืออาหารที่มี GMOs ปลอดภัยหรือไม่??? เช่น… จะแพ้ไหม? ตย. ถ่ายยีนจากถั่วเข้าไปในปลา ถ้าเราแพ้ถั่ว จะทานปลานั้นได้ หรือไม่??? กระบวนการมีการใช้ยีนต้านยา ปฏิชีวนะ แล้วยีนนี้จะส่งต่อสู่ แบคทีเรียในร่างกายเราหรือไม่??? 23 24  Conflict : Benefit What type of fast food chicken sandwich would you rather eat? A sandwich from a healthy chicken or the GMO (Genetically Modified Organism) fed one? 25  Conflict : PROS & CONS จากการเลี้ยงด้วยข้าวโพดดัดแปลงพันธุกรรม NK603 ที่ต้านทานต่อยาปราบวัชพืช ไก่ที่ให้ผลผลิตมากขึ้น หนูที่เป็นเนื้องอก 26 27  Transgenic Food Safety Substantial equivalence concept : the safety assessment for GM foods that is widely used by national and international agencies CFIA Approved 28  Substantial equivalence concept “a new food or food component is found to be substantially equivalent to an existing food or food component, it can be treated in the same manner with respect to safety” Toxin : Solanine in potato Toxin : alpha-tomatine in tomato 29 Non-Ban or Ban or Require the Labeling 30 There are differences in the regulation of GMOs between countries. 31  USA and Canada : GM foods UN : Regulation to GM foods imported (40-50 items) are safe. (FDA) and GMOs threshold level less than 1% Japan: GM foods (~28 items) are safe Australian and New Zealand Food and GMOs threshold level less than 5% Authority are following regulation of GM food. 32 33 34  Non-Ban or Ban or Require the Labeling  การปรับแต่งจีโนม (genome editing)…SAFE MORE GMOs…????.... การปรับเปลีย่ น / แก้ไขสาร พันธุกรรมของเซลล์สิ่งมีชีวิต ใช้เทคนิคคริสเปอร์-แคส (CRISPR/Cas) ข้อได้เปรียบ ไม่ได้ใส่ยีนของสิ่งมีชีวิตอื่นเข้าไป ปรับแต่งจากผิดปกติเป็นปกติ หรือ จากเป็นโรคเป็นปกติ แม่ของ Maisie (ชาล็อต) เป็นโรคทางพันธุกรรม โดยโคลน Maisie ขึ้นมา จากดีเอ็นเอตนเอง แต่นายีนที่เกี่ยวกับโรคทางพันธุกรรมออกไปด้วย 36 เทคนิคคริสเปอร์-แคส แสดงว่า Maisie เป็นปกติ (Jurassic World 2-3) การปรับแต่งจีโนม (genome editing)…SAFE MORE GMOs…????.... 37 การปรับแต่งจีโนม (genome editing)…ตัวอย่าง...วัวที่ให้ผลผลิตสูง ต้านทานโรค อยู่ในสิ่งแวดล้อมได้หลากหลาย 38 การปรับแต่งจีโนม (genome editing) ตัวอย่าง... - วัวที่ให้ผลผลิตสูง ต้านทานโรค อยู่ในสิ่งแวดล้อมได้หลากหลาย - ต้นพืชที่มีลักษณะตามต้องการในเวลารวดเร็ว 39 การเพาะเลี้ยงเซลล์และเนื้อเยื่อ (cell and tissue culture) เป็นการนาเซลล์หรือเนื้อเยื่อพืชหรือสัตว์ของสิ่งมีชีวิตมาเพาะเลี้ยงในอาหารสังเคราะห์ เพื่อให้ได้อวัยวะหรือสิ่งมีชีวิตเดิม 40 การโคลนนิ่งสัตว์ (animals cloning) หรือเรียกว่า กระบวนการย้ายนิวเคลียส (Nuclear transplantation) 1. นานิวเคลียสของสัตว์พาหะออกจากเซลล์ไข่ 2. นานิวเคลียสจากสัตว์ที่ต้องการมาถ่ายใส่เข้า ไปแทนที่ 3. เพาะเลี้ยงเซลล์ จนแบ่งตัว 4. ถ่ายเข้าสู่สัตว์พาหะที่จะให้ตั้งท้องให้ 41 การโคลนนิ่งสัตว์ (animals cloning) ข้อดี... สัตว์ที่ได้จะมีลักษณะเหมือนสัตว์ที่ให้นิวเคลียส 42 การโคลนนิ่งสัตว์ (animals cloning) ข้อดี... นากลับที่สูญพันธ์ไปแล้ว กลับมามีชีวิตใหม่ Woolly Mammoth in Siberia 43 การโคลนนิ่งสัตว์ (animals cloning) ข้อดี... นากลับที่สูญพันธ์ไปแล้ว กลับมามีชีวิตใหม่ ปัญหา คือ ดีเอ็นเอไดโนเสาร์แตกหักมาก ต้องใส่ดีเอ็นเอ จากสิ่งมีชีวิตอื่นเข้าไปเพิ่ม 44 การโคลนนิ่งสัตว์ (animals cloning) ข้อเสีย... อาจเกิดการผสมในเลือดชิด (inbreeding) เมื่อเลี้ยงด้วยกันมาก ๆ ทาให้ลักษณะที่ได้ด้อย ลงไปเรื่อย ๆ 45 การโคลนนิ่งสัตว์ (animals cloning) ข้อเสีย... ความหลากหลายทางพันธุกรรมต่า เมื่อเกิดโรคระบาด อาจตายทั้งหมด กระทบความมั่นคงทางอาหาร 46 การโคลนนิ่งมนุษย์ (human cloning) ข้อดี ข้อเสีย 47  การเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์ (animal cell culture) เป็นการนาเซลล์หรือเนื้อเยื่อสัตว์มาเพาะเลี้ยงในอาหารสังเคราะห์ เพื่อให้ได้อวัยวะหรือสิ่งมีชีวิตเดิม 48 การเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์ (animal cell culture) ประโยชน์... เข้าใจการป้องกันและรักษาข้อบกพร่องที่ เกิดขึ้น ศึกษาการพัฒนาการของเซลล์และเนื้อเยื่อใน การสร้างอวัยวะ ระบุอวัยวะเป้าหมายของการให้ยาและการ รักษาโรค ตรวจสอบผลของยาสมุนไพรและสารเคมีต่อ ความเป็นพิษของเซลล์ เช่น การผลิตครีม น้ายาบ้วนปาก แป้ง เป็นต้น 49  Stem Cells of Animals Stem cell is a unspecialized cell that can both reproduce itself indefinitely and differentiate into specialized cells of one or more types. Embryonic stem cells (ES) are easily to grow than adult stem cells (AS) and can give rise to all types of cells in an organism. Capable of differentiating into many different cell type The range of cell types that can arise from AS is not yet fully understand. 50 Stem cells therapy is effective way to return to a more vital level of health: pretend you’re twenty years younger. 51  Gene therapy : introducing genes into an afflicted Medical Application individual for therapeutic purposes 52  การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช (plant tissue culture) คือ การเพิ่มจานวนพืชโดยไม่ผ่านการผสมพันธุ์ ประโยชน์... ได้ต้นพืชจานวนมากในเวลาอันสั้น จากส่วนใดก็ได้ ต้นใหม่ที่ได้มีลักษณะเหมือนต้นแม่ทุกประการ 53  Biotechnology Cloning organisms may lead to production of stem cells for research and other applications Cloning Plants: Single-Cell Cultures Totipotent : Mature cells can dedifferentiate and give rise to all the specialized cell types of the organism. 54  Cloning Plants: Plant Tissue Culture ข้อดี 1. ได้ตน้ พืชจำนวนมำกในเวลำอันสั้น 2. ต้นใหม่ที่ได้มีลกั ษณะเหมือนต้นแม่ ทุกประกำร 3. ได้ตน้ พืชที่ปลอดโรค 55  การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช (plant tissue culture) ประโยชน์... ได้ต้นพืชที่ปลอดโรค เพื่อเพาะปลูก / เพื่อส่งออก 56  การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช (plant tissue culture) ประโยชน์... อนุรักษ์พันธุกรรมพืชหายากหรือพืชที่สูญพันธ์แล้ว ผลิตสารที่สาคัญ RUSSIAN SCIENTISTS GROW PLEISTOCENE-ERA PLANTS FROM SEEDS BURIED BY SQUIRRELS 30,000 YEARS AGO 57 RUSSIAN SCIENTISTS GROW PLEISTOCENE-ERA PLANTS FROM SEEDS BURIED BY SQUIRRELS 30,000 YEARS AGO 58 Cloning Plants: Plant Tissue Culture : Agriculture and Export 59  การรวมโปรโตพลาสต์ (protoplast fusion) เป็นการนาเซลล์ของสิ่งมีชีวิต 2 ชนิดหรือ 2 สายพันธุ์มารวมกัน เพื่อให้ได้สิ่งมีชีวิตใหม่ที่มีลักษณะตามต้องการ เห็ดฟาง เจริญในที่อุณหภูมิและความชื้นสูง คุณค่าทางอาหารสูง ช่วงเก็บเกี่ยวสั้น มีกลิ่นหอมและเนื้อสัมผัสเฉพาะตัว เห็ดนางรม cold-tolerant strains เก็บในที่อุณหภูมิต่าได้นาน ดอกเห็ดขนาดใหญ่ 60 Seedless citrus fruits from protoplast fusion เมื่อทาการรวมโปรโตพลาสต์แล้ว ทาให้จานวนโครโมโซมเพิ่มขึ้น พืชจะเป็นหมัน ไม่มีเมล็ด 61  การพัฒนาของเทคนิคทาง เทคโนโลยีชีวภาพ เพื่อปรับปรุงพันธุ์พืช การผสมพันธุ์ให้ได้ลักษณะที่ดีขึ้น การใช้สารก่อการกลายพันธุ์ให้ได้พืช ลักษณะใหม่ การสร้างพืชที่ไม่มีเมล็ด การรวมโปรโตพลาสต์ ให้ได้ลักษณะที่ ต้องการ การสร้างพืชตัดแต่งพันธุกรรม การสร้างพืชปรับแต่งพันธุกรรม 62 ประโยชน์ของเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ 63 ประโยชน์ของเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ 64 ประโยชน์ของเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ 65 ประโยชน์ของเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ 66 ประโยชน์ของเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ 67 68 69  โทษของเทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ อาวุธสงครามล้างโลกรูปแบบใหม่ "อาวุธชีวภาพ" เป็นการนาเชื้อโรคและเชื้อจุลินทรีย์ชนิดต่าง ๆ มาพัฒนาบรรจุในหัวจรวดเพื่อใช้ยิงไปยังกลุ่มเป้าหมาย ตัวอย่างเช่น เชื้อแอนแทรกซ์ ไวรัสอีโบลา ไวรัสไขทรพิษ สารพิษโบทูลินัม สารพิษอัลฟาท๊อกซิน 70