واکنش زنجیره‌ای پلیمراز: تفاوت میان نسخه‌ها

'''واکنش زنجیره‌ای پلیمراز''' {{انگلیسی|Polymerase Chain Reaction}} که مخفف آن PCR می‌باشد. واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) تکنیکی در [[زیست‌شناسی مولکولی]] است و به منظور تکثیر یک نسخه منفرد یا نسخه‌های کمی از یک قطعه [[DNA]] با توالی خاص به تعداد هزار یا میلیون‌ها نسخه به کار می‌رود. این تکنیک ابزاری آسان و ارزان قیمت برای تکثیر یک قطعه خاص از DNA است و برای اهدافی همچون تشخیص و نظارت بر بیماری‌های ژنتیکی، شناسایی مجرمان (در زمینه‌یزمینهٔ پزشکی قانونی) و مطالعه عملکرد یک بخش هدف از DNA مورد استفاده قرار می‌گیرد.<ref>1. "PCR". Genetic Science Learning Center, University of Utah.</ref>[[پرونده:PCR masina kasutamine.jpg|thumb]]

این تکنیک در سال ۱۹۸۳ بوسیله [[کری مالیس]] ابداع شد <ref>2. Jump up^ Bartlett, J. M. S. ; Stirling, D. (2003). "A Short History of the Polymerase Chain Reaction". PCR Protocols. Methods in Molecular Biology. 226 (2nd ed.). pp. 3–6. doi:10.1385/1-59259-384-4:3. {{شابک|1-59259-384-4}}.</ref><ref>3. Jump up^ Mullis, Kary B. et al. "Process for amplifying, detecting, and/or-cloning nucleic acid sequences" U.S. Patent 4,683,195</ref>).هم اکنونهم‌اکنون PCR یک تکنیک متداول و اغلب ضروری در آزمایشگاه‌های بالینی و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی است و در موارد گوناگونی کاربرد دارد.<ref>4. ^ Jump up to:a b c Saiki, R. ; Scharf, S. ; Faloona, F. ; Mullis, K. ; Horn, G. ; Erlich, H. ; Arnheim, N. (1985). "Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia". Science. 230 (4732): 1350–1354. doi:10.1126/science.2999980. PMID 2999980.</ref><ref>5. ^ Jump up to:a b Saiki, R. ; Gelfand, D. ; Stoffel, S. ; Scharf, S. ; Higuchi, R. ; Horn, G. ; Mullis, K. ; Erlich, H. (1988). "Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase". Science. 239 (4839): 487–491. doi:10.1126/science.2448875. PMID 2448875</ref> این کاربردها شامل کلون‌کردن DNA برای توالی یابی، فیلوژنی بر پایه DNA، آنالیز عملکرد ژن ها،ژن‌ها، تشخیص بیماری‌های ارثی، شناسایی اثر انگشت ژنتیکی (مورد استفاده در علم پزشکی قانونی) و تشخیص عوامل بیماری‌زا در تست‌های نوکلئیک اسید برای تشخیص بیماری‌های عفونی است. در سال ۱۹۹۳ مولیس همراه با [[مایکل اسمیت]] جایزه نوبل شیمی را برای کار روی PCR دریافت کردند .<ref>6. ^ Jump up to:a b "Kary B. Mullis – Nobel Lecture: The Polymerase Chain Reaction".</ref>.

اساس تکنیک PCR چرخه‌های حرارتی است. این چرخه‌ها شامل چرخه‌های گرمایی و سرمایی تکراری، ذوب DNA و تکثیر آنزیمی DNA است. [[پرایمر (زیست‌شناسی مولکولی)|پرایمرها]] (قطعات کوتاه DNA) که حاوی توالی مکمل ناحیه هدف اند به همراه یک DNA پلیمراز، اجزای اصلی واکنش PCR برای انتخاب و تکثیر قطعه مورد نظر را تشکیل می دهندمی‌دهند. طی فرآیندفرایند PCR الگوی DNA به صورت لگاریتمی تکثیر می‌شود و DNA تکثیر شده خود به عنوان الگویی برای همانندسازی استفاده می‌شود. PCR می‌تواند به شکل گسترده‌ای برای انجام مراحل مختلف در دستکاری‌های ژنتیکی استفاده شود.

تقریباتقریباً در تمام کاربردهای PCR از یک DNA پلیمراز مقاوم به حرارت مانند [[تک پلیمراز]] (آنزیمی که از باکتری ''Thermus aquaticus'' جداسازی شده) استفاده می‌شود. این DNA پلیمراز از یک DNAی تک‌رشته‌ای به عنوان الگو استفاده کرده و با کمک پرایمرها و با به‌کارگیری نوکلئوتیدها که بلوک‌های ساختاری DNA هستند، یک رشته DNAی جدید می سازدمی‌سازد. در اغلب روش‌های PCR از چرخه‌های حرارتی یعنی گرم و سرد کردن متناوب نمونه‌های PCR طبق مراحل دمایی مشخص استفاده می‌شود.

PCR یک ناحیه خاص از رشته DNA (DNA هدف) را تکثیر می‌کند. به‌طور معمول اکثر روش‌های PCR این قابلیت را دارند تا قطعات DNA بین ۱/۰ و ۱۰ کیلوجفت باز (kbp) را تکثیر کنند. هرچند تکنیک‌های دیگر می‌توانند قطعاتی با اندازه‌های بالاتر از ۴۰ کیلوجفت باز را نیز تکثیر کنند .<ref>7. Jump up^ Cheng, S. ; Fockler, C. ; Barnes, W. M. ; Higuchi, R. (1994). "Effective Amplification of Long Targets from Cloned Inserts and Human Genomic DNA". Proceedings of the National Academy of Sciences. 91 (12): 5695–5699. doi:10.1073/pnas.91.12.5695. PMC 44063 . PMID 8202550.</ref>. مقدار تکثیر محصول بوسیله سوبسترای موجود در واکنش که پیشرفت واکنش را محدود می‌کند تعیین می‌شود .<ref>8. Jump up^ Carr AC, Moore SD (2012). Lucia, Alejandro, ed. "Robust quantification of polymerase chain reactions using global fitting". PLoS ONE. 7 (5): e37640. doi:10.1371/journal.pone.0037640. PMC 3365123 . PMID 22701526.</ref>.

یک واکنش PCR پایه‌ای نیازمند چندین جزء است .<ref>9. ^ Jump up to:a b Joseph Sambrook & David W. Russel (2001). Molecular Cloning: A Laboratory Manual (3rd ed.). Cold Spring Harbor, N.Y. : Cold Spring Harbor Laboratory Press. {{ISBN|0-879-69576-5|en}}. Chapter 8: In vitro Amplification of DNA by the Polymerase Chain Reaction</ref>. این اجزاء شامل موارد زیر است:

* تگ پلیمراز که یک DNA پلیمراز مقاوم به حرارت است <ref>10. Jump up^ "Polymerase Chain Reaction (PCR)". National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine.</ref>

* دو پرایمر DNA که مکمل انتهای 3’۳’ رشته‌های سنس و آنتی سنس DNA ی الگو هستند ( بدون پرایمرها، جایگاه آغاز دورشته‌ای که DNA پلیمراز بتواند به آن متصل شود شناخته نمی شودنمی‌شود) .<ref>"PCR". Genetic Science Learning Center, University of Utah.</ref> . پرایمرهای خاصی که مکمل DNA هدف هستند از قبل انتخاب شده و به شکل سفارشی در آزمایشگاه ساخته یا از تأمین کنندگان خریداری می‌شوند.

* دزوکسی نوکلئوتیدهای سه فسفاته یا dNTPs بلوک‌های ساختاری هستند که DNA پلیمراز با استفاده از آن‌ها رشته‌های جدید را می سازدمی‌سازد.

* کاتیون‌های دوظرفیتی مانند منیزیوم (Mg) یا منگنز (Mn)؛ کاتیون Mg2+ متداول‌تر است. همچنین کاتیون Mn2+ می‌تواند برای جهش زایی DNA ی حاصل از PCR استفاده شود و غلظت بالای این یون نرخ خطا را در طول سنتز افزایش می دهد می‌دهد.<ref>11. Jump up^ Pavlov, A. R. ; Pavlova, N. V. ; Kozyavkin, S. A. ; Slesarev, A. I. (2004). "Recent developments in the optimization of thermostable DNA polymerases for efficient applications☆". Trends in Biotechnology. 22 (5): 253–260. doi:10.1016/j.tibtech.2004.02.011. PMID 15109812.</ref>.

واکنش معمولاً در حجم ۱۰ تا ۲۰۰ میکرولیتر در لوله‌های کوچک واکنش (با حجم ۲/۰-۵۰–۵/۰ میلی لیتر) و در یک چرخه حرارتی انجام می‌شود. چرخه‌های حرارتی لوله‌های واکنش را به منظور فراهم کردن دمای لازم در هر مرحله سرد و گرم می‌کنند. بسیاری از چرخه‌های حرارتی پیشرفته از اثر پلتیر Peltier effect که اجازه گرم و سرد کردن لوله‌های PCR را بوسیله معکوس کردن جریان الکتریکی می دهدمی‌دهد استفاده می‌کنند.

به‌طور کلی PCR شامل مجموعه‌ای از ۴۰-۲۰۴۰–۲۰ بار تغییر دمایی تکرارشونده به نام سیکل است که هر سیکل متداولاً از دو یا سه مرحله دمایی مستقل تشکیل شده‌است .<ref>12. Jump up^ Rychlik W, Spencer WJ, Rhoads RE (1990). "Optimization of the annealing temperature for DNA amplification in vitro". Nucl Acids Res. 18 (21): 6409–6412. doi:10.1093/nar/18.21.6409. PMC 332522 . PMID 2243783.</ref>. مراحل مشترک اغلب روش‌های PCR عبارت است از:

# آغاز: این مرحله برای DNA پلیمرازی که نیازمند فعالسازی گرمایی بوسیله Hot-start PCR است <ref>13. ^ Jump up to:a b Sharkey, D. J. ; Scalice, E. R. ; Christy, K. G. ; Atwood, S. M. ; Daiss, J. L. (1994). "Antibodies as Thermolabile Switches: High Temperature Triggering for the Polymerasehttps://upload.wikimedia.org/wikipedia/fa/4/4a/Button_numbers.png Chain Reaction". Bio/Technology. 12 (5): 506–509. doi:10.1038/nbt0594-506.</ref> لازم می‌باشد و شامل گرم کردن محفظه واکنش تا دمای ۹۶-۹۴۹۶–۹۴ درجه سانتی گراد (۲۰۵-۲۰۱۲۰۵–۲۰۱ درجه فارنهایت) یا ۹۸ درجه سانتی گراد ( ۲۰۸ درجه فارنهایت) برای پلیمرازهای بسیار مقاوم به حرارت است. این مرحله ۱۰-۱۱۰–۱ دقیقه به طول می انجامدمی‌انجامد.

# دناتوراسیون: این مرحله اولین مرحله سیکل است و شامل گرم کردن محفظه واکنش تا ۹۸-۹۴۹۸–۹۴ درجه سانتی گراد (۲۰۸-۲۰۱۲۰۸–۲۰۱ درجه فارنهایت) به مدت ۳۰-۲۰۳۰–۲۰ ثانیه می‌شود که بوسیله شکستن پیوندهای دورشته‌ای بین بازهای مکمل باعث ذوب شدن یا دناتوراسیون DNA الگوی دورشته‌ای شده و به این ترتیب دو مولکول DNA تک رشته‌ای حاصل می‌شود.

# اتصال: در این مرحله دمای واکنش به مدت ۴۰-۲۰۴۰–۲۰ ثانیه به ۶۵-۵۰۶۵–۵۰ درجه سانتی گراد کاهش می یابدمی‌یابد که باعث می‌شود پرایمرها به هریک از الگوهای تک رشته DNA متصل شوند. اتصال معمولاً حدود 5-3۵–۳ درجه سانتی گراد زیر دمای ذوب(Tm پرایمرها انجام می‌شود. در طول این فرآیندفرایند DNA پلیمراز به ترکیبی از الگو و پرایمر متصل و شروع به ایجاد رشته‌های جدید می‌کند).

# گسترش/ طویل شدن: در این مرحله دما برای عملکرد DNA پلیمراز لازم است؛ دمای بهینه یک DNA پلیمراز ۸۰-۷۵۸۰–۷۵ درجه سانتی گراد است. با این وجود معمولاً دمای ۷۲ درجه سانتی گراد برای این آنزیم استفاده می‌شود <ref>14. ^ Jump up to:a b Chien A, Edgar DB, Trela JM (1976). "Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus aquaticus". J. Bacteriol. 127 (3): 1550–1557. PMC 232952 . PMID 8432.</ref><ref>15. ^ Jump up to:a b Lawyer, F. ; Stoffel, S. ; Saiki, R. ; Chang, S. ; Landre, P. ; Abramson, R. ; Gelfand, D. (1993). "High-level expression, purification, and enzymatic characterization of full-length Thermus aquaticus DNA polymerase and a truncated form deficient in 5' to 3' exonuclease activity". PCR methods and applications. 2 (4): 275–287. doi:10.1101/gr.2.4.275. PMID 8324500.</ref>). در این مرحله DNA پلیمراز یک رشته DNA ی جدید که مکمل رشته الگو است را در جهت ’۵ به ’۳ سنتز می‌کند. زمان لازم برای افزایش طول بستگی به DNA پلیمراز استفاده شده و طول ناحیه DNA ی هدف برای تکثیر دارد.

فرآیندهای دناتوراسیون، اتصال و طویل شدن یک سیکل را تشکیل می دهندمی‌دهند. برای تکثیر DNA ی هدف تا میلیون‌ها نسخه، سیکل‌های متعددی نیاز است.

# طویل شدن نهایی: این تک مرحله اختیاری است و پس از آخرین سیکل PCR برای اطمینان از طویل شدن کامل هر تک رشته DNA در یک دمای 74- 70۷۴–۷۰ درجه سانتی گراد (165-158۱۶۵–۱۵۸ درجه فارنهایت) به مدت 15- 5۱۵–۵ دقیقه انجام می‌شود.

# نگهداری نهایی: مرحله نهایی سرد کردن محفظه واکنش تا 15-4۱۵–۴ درجه سانتی گراد برای یک زمان نامحدود است و ممکن است این مرحله برای ذخیره‌سازی کوتاه مدت محصولات PCR استفاده شود.

به منظور بررسی میزان موفقیت PCR انجام شده از الکتروفورز بر روی ژل (به منظور جداسازی محصولات PCR و بررسی اندازه قطعات استفاده می‌شود.

در طراحی پرایمربرای واکنش PCR باید نکات خاصی در نظر گرفته شود مثلاً حتماً قسمت ۳پریم از پرایمر می بایستمی‌بایست مکمل بخش هدف باشد که این برای بخش ۵ پریم الزامی نمی‌باشد همچنین باید در نظر گرفته شود که دو پرایمر حداقل توالی مکمل یکدیگر را داشته باشند و توالی‌های مستعد تشکیل سنجاق سری هم در آن‌ها تا حد معمول استفاده نشود. معمولاً از گرم کردن و سرد کردن مخلوط واکنش برای جدا شدن دو رشته DNA و چسبیدن آغازگرها یا Annealing استفاده می‌شود. در نتیجه این چرخه‌ها میلیون‌ها نسخه از قطعه کوتاهی از DNA تولید می‌شود.

{{پانویس|۲}}

* [http://www.ampliqon.ir/ آنزیم پی سی آر امپلیکن]