اصول و نحوه کارکرد دستگاه PCR
ترمال سایکلر تکنیک آزمایشگاه های زیست شناسی مولکولی مدرن است.
اگر نیاز به کپی، توالی یا تعیین کمیت DNA دارید، باید PCR را بدانید. اما چگونه می توان با PCR شروع کرد؟
به طور خلاصه، PCR (واکنش زنجیره ای پلیمراز) یک تکنیک بیوشیمیایی است که از ترموسایکلینگ و آنزیم ها برای کپی سریع و مطمئن DNA استفاده می کند.
این مقاله یک مرور مختصر از فرآیند PCR ارائه میکند و چند نکته برای جلوگیری از رایجترین مشکلات به شما کمک میکند.
اگر در زمینه PCR نسبتاً جدید هستید، این برای شما مناسب است. (و حتی اگر در PCR باتجربه باشید، ارزش خواندن را دارد تا شاید یک یا دو نکته را بگیرید!)
با PCR شروع کنید: 5 ماده مورد نیاز
پلیمرازها آنزیم هایی هستند که در شرایط مناسب می توانند رشته های جدیدی از DNA را از DNA الگو و نوکلئوتیدها جمع آوری کنند. واکنش PCR اولیه دشوار بود زیرا دمای بالای مورد نیاز برای دناتوره کردن DNA باعث از بین رفتن پلیمرازها می شد.
این بدان معنی بود که پس از هر چرخه گرمایش، پلیمرازهای جدید باید به صورت دستی به واکنش اضافه می شد (تلاشی گران قیمت).
با این حال، در PCR مدرن، این مشکلی نیست، زیرا پلیمرازها معمولاً از یکی از دو منبع باکتری های گرمادوست می آیند:
این پلیمرازها که به ترتیب با نام های Taq (تلفظ “tack”) و Pfu (تلفظ “PFU”) شناخته می شوند، می توانند به راحتی دماهای بالای مرتبط با PCR را تحمل کنند.
پلیمرازهای تجاری Taq و Pfu برای سرعت، وفاداری، پردازش (قابلیت کامل خواندن طولانی) و توانایی آنها برای خواندن الگوهای غنی از GC مهندسی شده اند.
شرکت ها به طور مداوم در حال توسعه پلیمرازهای جدید هستند. بنابراین، به “هر چیزی که در فریزر شماست” بسنده نکنید، بلکه بهترین پلیمراز تجاری را برای نیازهای خود خریداری کنید.
با نماینده فروش محلی خود نیز صحبت کنید، زیرا آنها اغلب می توانند نمونه های پلیمراز رایگان ارائه دهند، بنابراین شما می توانید تصمیم بگیرید که چه چیزی برای شما بهترین است.
این DNA است که پلیمراز شما می خواند و کپی می کند. DNA الگوی شما می تواند ژنومی، پلاسمید یا cDNA باشد، اما منبع شما هر چه باشد، کیفیت آن مهم است.
هرچه DNA الگوی شما سالم تر و خالص تر باشد، دریافت نتایج PCR خوب آسان تر است.
همچنین، به خاطر داشته باشید که مقدار ایدهآل DNA به منبع شما بستگی دارد، اما معمولاً ۱ تا ۱ نانوگرم DNA پلاسمید یا ۱ نانوگرم تا ۱ میکروگرم DNA ژنومی در هر PCR است.
پرایمرها قطعات کوتاهی از DNA سنتز شده هستند که به DNA الگوی شما متصل می شوند. شما باید یک پرایمر “به جلو” و یک آغازگر “معکوس” طراحی کنید.
به طور کلی، پرایمرها 18-22 جفت پایه طول دارند. با این حال، مهمتر از طول آنها، دمای ذوب آنها است.
دمای ذوب پرایمرهای شما باید 54 تا 60 درجه سانتیگراد و تا حد امکان مشابه یکدیگر باشد.
تعداد زیادی ماشین های آنلاین وجود دارد که می تواند دمای اتصال پرایمر را تعیین کند و اکثر شرکت هایی که پرایمرهای سنتز می کنند، چنین ماشین هایی را هم را عرضه می کنند.
نوکلئوتیدها به عنوان مونومرهای DNA برای ساختن کپی DNA ضروری هستند. برای اکثر DNA PCR ها از دئوکسی نوکلئوزید تری فسفات (dNTPs) استفاده خواهید کرد. میتوانید اینها را جداگانه یا بهصورت ترکیبی dGTP، dCTP، dATP و dTTP خریداری کنید.
هرچه بخرید، به خاطر داشته باشید که نوکلئوتیدها به چرخه های انجماد/ذوب بسیار حساس هستند. بنابراین، بهتر است مقدار کمی از dNTP های خود را ایجاد کنید.
همچنین، مطمئن شوید که dNTP ها را به درستی ذخیره می کنید – از فریزر بدون برفک که چرخه های یخ زدایی خودکار را پشت سر می گذارد، استفاده نکنید.
بیشتر پلیمرازهای تجاری با بافر ایده آل خود عرضه می شوند. این بافرها نه تنها موارد صحیح را تامین می کنند pH، اما همیشه دارای افزودنی هایی مانند منیزیم، پتاسیم یا DMSO هستند که به بهینه سازی دناتوره شدن DNA، تغییر طبیعت و فعالیت پلیمراز کمک می کنند.
ترموسایکلینگ
این جایی است که کپی اتفاق می افتد. تمام مواد فوق به یک لوله PCR اضافه شده و لوله ترموسایکل می شود.
برای دستیابی به ترموسایکل زمانی که PCR برای اولین بار اختراع شد، لوله های PCR جداگانه به صورت دستی بین حمام های آب گرم منتقل شدند.
اما از زمان اختراع ” Mr. Cycle اولین دستگاه ترموسایکلینگ، تنظیم دما اکنون به صورت خودکار توسط ترموسایکلرها انجام می شود.
در این مرحله، واکنش به مدت 30 ثانیه تا چند دقیقه در دمای 94-96 درجه سانتیگراد گرم می شود. این مرحله معمولاً فقط یک بار در همان ابتدای واکنش PCR انجام می شود.
در این مرحله برای فعال کردن پلیمرازهای شروع و برای دناتوره کردن DNA الگوی شما مهم است.
در این مرحله، واکنش به مدت 15 تا 30 ثانیه تا دمای 94-98 درجه سانتیگراد گرم می شود. این مرحله DNA و پرایمرهای شما را دناتوره می کند، که به آنها اجازه می دهد در مرحله بعدی به یکدیگر اتصال شوند.
در این مرحله، دمای واکنش شما به سرعت به 50-64 درجه سانتیگراد برای 20-40 ثانیه کاهش می یابد.
دما در این مرحله باید به اندازهای پایین باشد که پرایمرهای دناتورهشده شما بتوانند جفتهای باز واتسون-کریک را با DNA الگوی شما تشکیل دهند، اما به اندازهای بالا باشد که فقط پایدارترین (کاملاً جفتشده) ساختارهای DNA دو رشتهای تشکیل شوند.
معمولاً این دمای اتصال عالی چند درجه کمتر از دمای ذوب جفت پرایمر شما است.
همچنین در طی این مرحله، پلیمراز شما به کمپلکس DNA پرایمر/الگوی شما متصل می شود، اگرچه پلیمراز شما شروع به خواندن نمی کند تا زمانی که دما در مرحله بعدی افزایش یابد.
در این مرحله واکنش شما به سرعت تا دمای 72 تا 80 درجه سانتیگراد گرم می شود. این زمانی است که پلیمراز شما شروع به خواندن (در جهت 5′-3′) و کپی کردن DNA الگوی شما (در جهت 3′-5′) می کند.
دمای بالاتر در طول این مرحله برهمکنشهای غیراختصاصی پرایمر/الگوی DNA را کاهش میدهد و در نتیجه ویژگی واکنش شما را افزایش میدهد.
با این حال، درجه حرارت دقیق با ترجیح پلیمراز شما تعیین می شود، بنابراین بسته بندی خود را بخوانید. طول این مرحله بستگی به طول کپی DNA شما دارد.
به طور معمول، DNA پلیمراز می تواند 1000 جفت باز در دقیقه کپی کند. بنابراین، باید حداقل 1 دقیقه زمان تمدید در هر 1000 پایه را در نظر بگیرید.
در پایان این جوجه کشی، قطعات دو رشته ای جدیدی از DNA ایجاد خواهد شد که از هر دو الگو و DNA جدید تشکیل شده است.
مراحل 2-4 سپس 15-40 بار تکرار می شوند.
درست است که هرچه چرخه های بیشتری برنامه ریزی کنید، کپی های DNA بیشتری ایجاد خواهید کرد. با این حال، یک حد بالایی وجود دارد.
در برخی مواقع نوکلئوتیدهای آزاد موجود محدود می شوند و کپی های DNA زودرس کوتاه شده می توانند مشکل ساز شوند.محصول کمتری که خوب و تمیز باشد به مقدار زیادی محصول کثیف ارجحیت دارد.
این یک مرحله اختیاری در فرآیند PCR است اما اغلب توصیه می شود. در این مرحله واکنش برای چند دقیقه در دمای 70-74 درجه سانتیگراد نگه داشته می شود. (معمولاً از همان دمایی که در مرحله Elongation یا Extension استفاده کرده اید استفاده می کنید.)
این مرحله به پلیمرازها اجازه میدهد تا خواندن هر رشتهای را که در حال حاضر روی آن هستند به پایان برسانند. این مرحله اختیاری می تواند به کاهش تعداد کپی های کوتاه شده در محصول نهایی شما کمک کند.
واکنش شما اکنون کامل است. از آنجایی که کل فرآیند PCR میتواند چند ساعت طول بکشد، PCR اغلب یک شبه یا زمانی که شما کنار گذاشتهاید انجام میشود. توصیه می شود ترموسایکلر خود را طوری برنامه ریزی کنید که محصول PCR شما را تا زمان بازگشت در دمای 4 درجه سانتیگراد نگه دارد.
سپس می توانید محصول خود را تجزیه و تحلیل یا استفاده کنید، یا آن را به انبارهای طولانی مدت مناسب تری مانند یخچال خود منتقل کنید.
فناوری PCR تشخیص DNA یا RNA ارگانیسمهای بیماریزا را تسهیل میکند و به این ترتیب، به آزمایشهای تشخیصی بالینی برای طیف وسیعی از عوامل عفونی مانند ویروسها، باکتریها، تک یاختهها و غیره کمک میکند. که پاسخ ایمنی بدن به یک پاتوژن را تعیین می کند. به طور خاص، آزمایشهای مبتنی بر PCR برای تشخیص حضور عامل بیماریزا پیشاپیش نسبت به روشهای مبتنی بر سرولوژی صلاحیت دارند، زیرا بیماران ممکن است هفتهها طول بکشد تا آنتیبادیهایی را علیه یک عامل مسری ایجاد کنند. آزمایشهای مبتنی بر PCR برای شمارش میزان ویروس در خون فرد (بار ویروسی) ایجاد شدهاند که به پزشکان اجازه میدهد پیشرفت بیماری و پاسخ بیمار به درمان را بررسی کنند. این پتانسیل باورنکردنی برای بهبود مدیریت بالینی بیماری های ناشی از عفونت ویروسی، از جمله ایدز و هپاتیت، ارزیابی بار ویروسی در طول درمان و بعد از درمان دارد. همچنین از روش PCR برای بررسی آلودگی مایکوپلاسم در رده های سلولی پستانداران استفاده می شود.
استفاده از PCR در تشخیص بیماری های ژنتیکی، چه به دلیل تغییرات ژنتیکی ذاتی و چه در نتیجه جهش های ژنتیکی طبیعی، رو به افزایش است. ناهنجاری حتی قبل از تولد نیز قابل تشخیص است. چندشکلی ترکیبی تک رشته ای (SSCP)، یا چندشکلی زنجیره ای تک رشته ای، به عنوان تفاوت ساختاری توالی های نوکلئوتیدی تک رشته ای با طول یکسان که توسط تفاوت در توالی ها در شرایط تجربی خاص ایجاد می شود، تعریف می شود. این روزها SSCP به عنوان یک ابزار تشخیصی در زیست شناسی مولکولی بیشترین کاربرد را دارد. می توان از آن در ژنوتیپ برای تشخیص افراد هموزیگوت با حالت های آللی مختلف و همچنین افراد هتروزیگوت که انحرافات ژنتیکی را به ارث می برند استفاده کرد.
این کار برای والدین انجام می شود که از قبل حساب بیماری ژنتیکی را بررسی کنند تا در مورد بچه دار شدن تصمیم بگیرند. این البته توسط قوانین و دستورالعمل های ملی اداره می شود. تشخیص بیماری ژنتیکی قبل از کاشت جنین در IVF (لقاح آزمایشگاهی) که به عنوان تشخیص قبل از لانه گزینی نیز شناخته می شود، با استفاده از روش مبتنی بر PCR قابل انجام است. علاوه بر تشخیص بیماری ارثی یا خودبخودی، روش مبتنی بر PCR اعم از علامتی یا بدون علامت (به دلیل سابقه خانوادگی مانند دیستروفی عضلانی دوشن) بسیار مفید است.
اثر انگشت DNA یکی از پرکاربردترین کاربردهای PCR (همچنین به عنوان پروفایل DNA شناخته می شود) است. پروفیل های کشش های خاصی از DNA در انگشت نگاری ژنتیکی استفاده می شود (به طور کلی 13 جایگاه مقایسه می شود) که از فردی به فرد دیگر متفاوت است. PCR همچنین نقشی در تجزیه و تحلیل DNA ژنومی یا میتوکندری ایفا می کند، که در آن محققان از نمونه هایی از ساقه مو و استخوان زمانی که نمونه های دیگر در دسترس نیستند استفاده می کنند.
ترمال سایکلر یک تکنیک ضروری در روش شبیه سازی است که امکان تولید مقادیر زیادی DNA خالص از مقدار کمی از رشته الگو و مطالعه بیشتر یک ژن خاص را فراهم می کند. برخی از تغییرات در پروتکل PCR میتوانند جهشهایی (عمومی یا جهتدار) در یک توالی یا توسط یک قطعه درج شده یا تغییر پایه ایجاد کنند. PCR برای مکانهای برچسبگذاری شده با توالی (STS) بهعنوان نشانگر وجود بخش خاصی از ژنوم در یک کلون خاص استفاده میشود. یکی از کاربردهای رایج Real-time PCR مطالعه الگوهای بیان ژن ها در مراحل مختلف رشد است. PCR همچنین می تواند ‗ON یا OFF’ ژن های خاص در مراحل مختلف بافت (یا حتی در سلول های فردی) بررسی کند.
ترمال سایکلر کاربردهای متعددی در زمینه های مختلف دارد. پروژه ژنوم انسانی (HGP) برای تعیین توالی 3 میلیارد جفت باز در ژنوم انسان، به شدت بر PCR متکی بود. ژن های مرتبط با انواع بیماری ها با استفاده از PCR شناسایی شده اند. به عنوان مثال، دیستروفی عضلانی دوشن، که در اثر جهش ژنی ایجاد میشود که با تکنیک PCR به نام Multiplex PCR شناسایی میشود. PCR می تواند به بررسی DNA موجودات مختلف مانند ویروس ها یا باکتری ها کمک کند. PCR برای شناسایی و کشف روابط بین گونه ها در زمینه زیست شناسی تکاملی استفاده شده است. در انسان شناسی نیز برای درک الگوهای مهاجرت انسان باستانی استفاده می شود. در باستان شناسی، از آن برای شناسایی نژاد بشر باستان استفاده شده است.
همچنین بخوانید: