09/11/2025
จากข่าวการเสียชีวิตในวันที่ 6 พฤศจิกายน 2025 ของ James D. Watson ผู้มีส่วนร่วมในการเสนอโครงสร้างของ DNA ทำให้เรื่องราวของ photo 51 ซึ่งเป็นผลงานของ Rosalind E. Franklin กลับมาเป็นที่สนใจอีกครั้ง เราขอชวนอ่านว่านักวิทยาศาสตร์ได้ข้อมูลอะไรจากภาพนี้
วันที่ 25 เมษายน ค.ศ. 2023 ที่ผ่านมาครบรอบ 70 ปีของการตีพิมพ์โมเดลโครงสร้าง DNA ในวารสาร Nature ซึ่งมีบทความที่ตีพิมพ์พร้อมกัน 3 บทความ คือ
1. Watson, J. & Crick, F. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature 171, 737–738 (1953).
2. Wilkins, M., Stokes, A. & Wilson, H. Molecular Structure of Nucleic Acids: Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids. Nature 171, 738–740 (1953).
3. Franklin, R. & Gosling, R. Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate. Nature 171, 740–741 (1953).
ข้อมูลหนึ่งที่จุดประกายให้ Watson และ Crick สร้างโมเดลโครงสร้าง DNA ขึ้นมาคือข้อมูลจากการเลี้ยวเบนรังสีของเส้นใย DNA (fiber diffraction) ของ Franklin ที่เรารู้จักกันในนาม photo 51 สงสัยกันไหมว่านักวิทยาศาสตร์สามารถเรียนรู้อะไรจากภาพ fiber diffraction นี้ได้บ้าง
Photo 51 เป็นภาพที่ได้จาก non-crystalline fiber ของ B-DNA ซึ่งเกิดจากโมเลกุลเรียงขนานกันตามแนวยาว แต่การวางตัวตามแนวแกนยาวเป็นแบบสุ่ม โดยจะฉาย X-ray ใส่ตั้งฉากกับแกนนี้ ในภาพจะเห็นเป็นชั้น ๆ ตามแนวนอน เรียกว่า layer line และมีค่า index n โดยที่ n = 0 จะเรียกว่า equator ในแต่ละ layer line จะมีปื้นสีดำที่เกิดจาก X-ray ตกกระทบฟิล์ม ปื้นเหล่านี้ให้ข้อมูลได้หลายอย่างดังนี้
1. ในแต่ละ layer line ที่มีค่า index สูงขึ้นเรื่อย ๆ (n = 1, 2, 3, …) จะพบว่าปื้นที่ X-ray ตกกระทบฟิล์มจะห่างออกจากแกนแนวตั้งกลาง (meridian) ไปเรื่อย ๆ ทำให้เห็นเหมือนเป็นกากบาทตามแนวเส้น A ข้อมูลนี้บ่งชี้ว่า DNA มีโครงสร้างเป็นเกลียว
2. ระยะห่างจาก meridian ของปื้นที่ X-ray ตกกระทบฟิล์มของแต่ละ layer line (เช่น B ใน n = 2) สามารถนำมาคำนวณเป็นความกว้างของเกลียว DNA ได้ (20 Å)
3. ระยะห่าง C ระหว่าง layer line แต่ละอัน สามารถนำมาคำนวณว่า 1 รอบของเกลียวยาว 34 Å
4. ที่ layer line n = 10 ปื้นที่ X-ray ตกกระทบฟิล์มกลับมาอยู่ที่ meridian ซึ่งเป็นลักษณะของ discontinuous helix ซึ่งเกิดจากหน่วยซ้ำ ๆ กัน 10 หน่วยต่อรอบเกลียว ซึ่งก็คือคู่เบส 10 คู่ต่อรอบเกลียว สามารถนำระยะห่าง D มาคำนวณได้ว่า แต่ละคู่เบสอยู่ห่างกัน 3.4 Å
5. ที่ layer line n=4 (ลูกศร) ไม่พบปื้นที่ X-ray ตกกระทบฟิล์ม ข้อสังเกตนี้แสดงว่า DNA เป็นเกลียวคู่ (double helix)
ผู้อ่านสามารถดูภาพ simulation ของ fiber diffraction จาก B-DNA ทางด้านล่างซ้ายประกอบกับ photo 51 ที่ได้จากการทดลองเพื่อเทียบส่วนประกอบต่าง ๆ
ข้อมูลด้านบนรวมกับความรู้เกี่ยวกับพันธะเคมี ส่วนประกอบทางเคมีของ DNA ฯลฯ ทำให้ Watson และ Crick สร้างโมเดลโครงสร้าง DNA ขึ้นมาได้ แต่ตำแหน่งของอะตอมต่าง ๆ ไม่ได้หาได้จากการทดลองกับ DNA fiber โดยตรง ในปี ค.ศ. 1980 โครงสร้างของ DNA ที่ความละเอียด 1.9 Å จาก X-ray crystallography ก็ได้รับการตีพิมพ์ โครงสร้างนี้ปัจจุบันเรียกว่า Dickerson–Drew dodecamer ซึ่งมีความยาว 12 bp (CGCGAATTCGCG) และยืนยันตำแหน่งอะตอมต่าง ๆ ในโมเดลโครงสร้าง DNA ที่นำเสนอไว้ก่อนหน้า (Wing et al. Crystal structure analysis of a complete turn of B-DNA. Nature 287, 755–758 (1980))
ภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยมีการเรียนการสอนและงานวิจัยด้านโครงสร้างของสารชีวโมเลกุล (structural biology) ที่หลากหลาย ผู้สนใจสามารถติดต่ออาจารย์แต่ละท่านได้ตามข้อมูลใน website ของภาควิชาที่ http://www.bc2.sc.chula.ac.th/
