واکنش زنجیرهای پلیمراز (PCR) از مهم ترین نوآوریها در زیست شناسی مولکولی است. PCR یک روش برای تکثیر DNA است که با تغییر دما یا Thermocycling در چند مرحله انجام میشود. برای انجام PCR ، از دستگاه pcr که نقش بسیار حیاتی دارد، استفاده میشود. ترموسایکلر قادر است دمای نمونههای DNA را به طور دقیق و خودکار تغییر دهد. کنترل دما و تکرار سریع این مراحل باعث میشود مقادیر بسیار کم DNA در مدت کوتاهی به میلیونها نسخه برسد.
در این مقاله، به اصول PCR، اجزای آن، مراحل انجام واکنش، کاربردهای گسترده و نکات عملی وآزمایشگاهی برای اجرای موفق، میپردازیم. برای تضمین موفقیت PCR خود، نکات آزمایشگاهی تست شده توسط کارشناسان دناژن، در ادامه مقاله را از دست ندهید.
PCR روشی برای ساختن نسخههای فراوان از یک ژن یا یک بخشی از ژنتیک است. در این روش، ماده ژنتیکی در چرخههای حرارتی باز و بسته میشود و آنزیم DNA پلیمراز، واحدهای سازنده آن را اضافه میکند تا رشتههای جدید ساخته شود.
PCR توانایی تکثیر مقادیر بسیار کم ژنتیک، سرعت فوقالعاده بالا و کاربرد در حوزههای بسیار گستردهای دارد. از جمله کاربردها میتوان به:
طبق اطلاعاتی که از سایت Danaher Life Sciences موجود است، گفته میشود که PCR محدودیتهایی هم دارد:
The length of the PCR amplified product is limited by the size of the polymerase enzyme used in the reaction which is typically 2–5 kb. Accordingly, PCR may not be practically suitable for amplifying very large DNA fragments.
طول محصولی که در PCR تکثیر میشود، به اندازهی آنزیم DNA پلیمرازی که در واکنش استفاده میشود محدود است و این مقدار معمولا در حدود ۲ تا ۵ کیلوباز است. بنابراین PCR از نظر عملی برای تکثیر قطعات بسیار بزرگ DNA مناسب نیست.
همان طور که در مقاله Polymerase Chain Reaction توضیح داده شده، برای انجام PCR به چند جز اساسی نیاز است که عبارت هستند از:

شکست PCR زمانی در آزمایشگاه اتفاق میافتد که محصول مورد نظر به درستی ساخته نشده است و یا این که نتیجه غیرقابل استفاده باشد. عوامل مختلفی میتوانند باعث شکست PCR شوند. اما یکی از مهمترین و رایجترین دلایل، طراحی پرایمرها و نحوه چسبیدن آنها به DNA است. بسیاری از شکستها به این مرحله مربوط میشوند.
طراحی نادرست پرایمر باعث میشود:
MgCl₂ و بافر دومین ابزار کلیدی هستند که تاثیر زیادی در موفقیت یا شکست PCR دارند. به دلیل این که کمک میکنند پلیمراز، پرایمر و الگو در شرایط صحیحی با یکدیگر برهم کنش داشته باشند.
واکنش زنجیرهای پلیمراز بر چند اصل کلیدی مبتنی است که هماهنگی دقیق دما، زمان و اجزای واکنش را ممکن میکند. آشنایی با این اصول، پایه درک عملکرد صحیح و موفقیت PCR در آزمایشگاه است.
دما در PCR نقش کلیدی دارد. دما تعیین میکند که آیا دو رشته DNA به هم متصل شدهاند یا از هم جدا شدهاند. دمای مناسب باعث میشود پرایمر در جای درست متصل شود و از اتصال به بخشهای اشتباه جلوگیری میکند. همچنین از تشکیل ساختارهای ثانویه (مثل حلقه یا دو رشتهایهای غیرطبیعی) جلوگیری میکند.
اگر دمای واکنش بهخوبی تنظیم نشود، مراحل به درستی انجام نمیشود و یا به طور کامل متوقف میشود. درنتیجه کنترل دقیق چرخه حرارتی توسط دستگاه ترموسایکلر در آزمایشگاه نقش حیاتی دارد.
این واکنش یک فرآیند نمایی است. در هر چرخه PCR، مقدار محصول تقریبا دو برابر میشود. بنابراین هر اشتباه یا آلودگی کوچک در مراحل اولیه آزمایش میتواند در چرخههای بعد به صورت نمایی تکثیر شود و بخش بزرگی از محصول نهایی را تشکیل دهد. PCR به دقت و پایداری واکنش بسیار حساس است.
اختصاصیت PCR (اینکه کدام بخش از ژنوم تکثیر شود) توسط پرایمرها تعیین میشود. دستگاه ترموسایکلر هدف را تغییر نمیدهد. در واکنش اگر میزان حرارت دقیق و پایدار نباشد یا اگر دستگاه دارای نوسان دما، توزیع نادرست یا دارای مشکل در لولهها باشد، حتی پرایمر خوب هم ممکن است به درستی عمل نکند و محصول نامناسب، نتیجه واکنش ما باشد.
شرکت دناژن تجهیز بهعنوان یک تولید کننده دانشبنیان با واحد تحقیق وتوسعه و تولید داخلی، ترموسایکلرهای تخصصی با کنترل دقیق دما و تکرارپذیری بالا را برای اجرای PCR تولید میکند. اگر نتایج PCR شما ناپایدار است، ممکن است مشکل از دستگاه باشد. برای مشاوره خرید دستگاه pcr میتوانید با کارشناسان ما در ارتباط باشید.
تکرارپذیری مهمتر از یک بار جواب گرفتن است. PCR واقعی یعنی در تمامی روزها توسط همه اپراتورها، همان نتیجه را از واکنش داشته باشیم. کوچکترین اختلاف در روش، دما، مواد یا کار با دستگاه میتواند محصول نهایی را تغییر دهد.
واکنش زنجیرهای پلیمراز (PCR) یک فرآیند چرخهای است که بر پایه تغییرات دقیق دما عمل میکند. در هر چرخه، مراحل انجام PCR بهصورت منظم تکرار میشوند. با گذر از چندین چرخه، حتی مقدار بسیار کمی از ماده ژنتیکی اولیه میتواند به حجم قابل توجهی برای بررسی و تحلیل تبدیل شود.

|
چند نکته برای تضمین تکرار پذیری:
|
دناتوراسیون از اولین و حساسترین مرحله در چرخه PCR است. در این مرحله DNA دورشتهای با استفاده از حرارت بالا از یکدیگر جدا میشوند تا هر رشته حاصل، که به آن DNA تک سنج (single-stranded DNA) گفته میشود، به صورت مستقل و بهعنوان الگو برای مراحل بعدی واکنش آماده شود.
دمای دناتوراسیون در بازه 94 الی 98 درجه سانتیگراد تنظیم میشود تا پیوندهای هیدروژنی بین جفت بازهای DNA شکسته شوند و دو رشته به طور کامل از یکدیگر جدا شوند. پرایمرها تنها میتوانند به DNA باز متصل شوند و DNA پلیمراز، در حضور این الگو قادر به سنتز رشته جدید است.
در صورتی که دناتوراسیون به طور کامل انجام نشود، پرایمرها به درستی متصل نخواهند شد و PCR از همان ابتدا دچار اختلال میشود. در عمل آزمایشگاهی، موفقیت مرحله دناتوراسیون تنها به تنظیم عدد دما وابسته نیست، بلکه دقت و یکنواختی واقعی دما در بلاک حرارتی بسیار مهم است.
در ترموسایکلرهای ضعیف یا ناپایدار، دمای واقعی نمونهها ممکن است با دمای تنظیم شده اختلاف داشته باشد. تجربه آزمایشگاهی نشان داده است که حتی اختلاف ۱ تا ۲ درجه سانتیگراد میتواند منجر به باز شدن ناقص DNA و در نهایت ایجاد باند ضعیف یا فقدان کامل محصول PCR شود. در همین مرحله میتوان متوجه کیفیت بلاک حرارتی ترموسایکلر شد. این بلاک حرارتی با حفظ دمای یکنواخت خیال آزمایشگاه را از انجام کامل مرحله دناتوراسیون راحت میکند.
مرحله آنیلینگ دومین مرحله چرخه PCR است که در آن پرایمرها به طور متوالی به DNA الگو متصل میشوند و نقطه شروع سنتز رشته جدید را مشخص میکنند. در این مرحله دمای واکنش کم میشود و معمولا حدود ۳ تا ۵ درجه سانتیگراد کمتر از دمای ذوب پرایمرها (Tm) تنظیم میشود تا اتصال پایدار برقرار شود.
دمای آنیلینگ نقش بسیار مهمی در موفقیت PCR دارد. اگر دما بیش از حد بالا باشد، پرایمرها نمیتوانند به DNA متصل شوند و در نتیجه محصول هدف بهخوبی تکثیر نمیشود یا سیگنال بسیار ضعیف میدهد. اگر دما بسیار پایین باشد، پرایمرها ممکن است در بخش نادرستی قرار بگیرند و باعث ایجاد محصولات ناخواسته مانند پرایمر-دایمر شوند که باعث کاهش کیفیت نتیجه میشود.
تجربه عملی نشان میدهد که بسیاری از شکستهای PCR نه به کیت یا پرایمر، بلکه به عدم دقت یا ناپایداری دمای آنیلینگ در دستگاه ترموسایکلر مربوط میشوند. حتی تغییرات جزئی دما یا تغییر دستگاهها میتواند نتیجه واکنش را به طور محسوسی تغییر دهد.
نتایج ناسازگار PCR میتواند هزینهبر و زمانبر باشد. اگر میخواهید از تکرارپذیری و پایداری نتایج مطمئن شوید، با کارشناسان فنی دناژن تماس بگیرید تا با مشاوره تخصصی، مدل مناسب ترموسایکلر، با توجه به حجم کاری و نیازهای آزمایشگاهی شما پیشنهاد دهند. جزئیات کامل این موارد در صفحه راهنمای خرید ترموسایکلر موجود است.
سومین مرحله اصلی واکنش زنجیرهای پلیمراز، مرحله گسترش است. در این مرحله، آنزیم DNA پلیمراز، رشته جدید را میسازد اما فقط زمانی که پرایمرها به درستی به DNA متصل شوند. در مرحله گسترش، دما به مقداری میرسد که آنزیم مقاوم به حرارت (مانند Taq polymerase) فعال شود و بتواند نوکلئوتیدها را به رشته DNA اضافه کرده و رشتهای جدید بسازد.
زمان در این مرحله بسیار حائز اهمیت هستند زیرا مدت زمان این مرحله به طول DNA مورد نظر بستگی دارد. برای مثال، آنزیم Taq polymerase معمولا حدود ۱ دقیقه برای هر ۱ کیلوباز DNA نیاز دارد تا رشته جدید را کامل بسازد. اگر زمان کمتر باشد، DNA ناقص ساخته میشود و محصول کامل PCR در آزمایشگاه حاصل نمیشود.
دمای بهینه این مرحله برای بیشتر پلیمرازهای مقاوم به حرارت حدود 72 درجه سانتیگراد است. در این دما آنزیم بیشترین سرعت و کارایی را دارد. اگر دما خیلی پایین باشد، فعالیت آنزیم کند میشود و اگر خیلی بالا باشد، آنزیم آسیب میبیند یا عملکرد آن کاهش مییابد.
مطابق اطلاعات سایت mybiosource اگرچه DNA پلیمراز مسئول ساخت رشته جدید DNA است اما موفقیت مرحله گسترش، تنها به آنزیم وابسته نیست. عوامل مهم دیگر عبارتند از:
در PCR، دستگاه دما را بین مراحل تغییر میدهد و سرعت تغییر دما یا Ramp Rate را مشخص میکند که چقدر سریع نمونه به دمای مناسب هر مرحله برسد.
Ramp Rate میتواند روی کارایی، سرعت و تکرارپذیری PCR تأثیر مستقیم داشته باشد. انتخاب یک ترموسایکلر با کنترل دقیق دما و Ramp Rate مناسب یکی از عوامل کلیدی موفقیت واکنش است.

(PCR) یک تکنیک استاندارد آزمایشگاهی است که برای تکثیر یک بخش خاص از DNA استفاده میشود. این روش با چرخههای حرارتی کنترل شده و سه مرحله اصلی (دناتوراسیون، اتصال پرایمرها و گسترش DNA ) تعداد نسخههای هدف را بهصورت نمایی افزایش میدهد.
واکنش زنجیرهای پلیمراز روی کاغذ و در متون علمی PCR به صورت تئوری توضیح داده میشود. مراحل دناتوراسیون، آنیلینگ و اکستنشن با دما و زمان دقیق انجام شود و فرض بر این است که شرایط ایدهآل است.
اما موفقیت PCR در عمل و آزمایشگاه، به عوامل متعددی مانند کیفیت کیت و مواد، دقت دمایی، زمان بندی چرخهها و مهارت اپراتور بستگی دارد. حتی اختلاف جزئی دما یا خطای اپراتور میتواند باعث ایجاد باندهای غیراختصاصی شود و درمواردی محصول موردنظر ما تولید نشود.
موفقیت PCR تا حد زیادی به مهارت فرد اجرا کننده در آزمایشگاه بستگی دارد. برای مثال:
بدون رعایت این موارد، حتی بهترین ترموسایکلر هم نمیتواند نتیجه مطلوب دهد.
نقش دستگاه، اجرای دقیق برنامه حرارتی مانند کنترل دمای هر مرحله، تغییر سریع بین دماها (Ramp Rate) و ایجاد یکنواختی دما در تمام لولهها است. وجود یک دستگاه پایدار و دقیق باعث کاهش خطاهای حرارتی و اجرای صحیح تمامی مراحل میشود.
|
مزایای تکرار پذیری:
|
تکرارپذیری یعنی نتایج یکسان را در روزهای مختلف یا توسط افراد مختلف داشته باشیم. مراحل PCR موفق، تنها گرفتن یک نتیجه نیست؛ بلکه تکرار مرتب یک نتیجه واحد است.
بدون تکرارپذیری، حتی اگر یک بار نتیجه محصول مناسب به دست آمده باشد، نتایج PCR ارزش علمی و عملی نخواهند داشت.
بخش ضروری اجرای دقیق PCR چرخههای حرارتی است که توسط ترموسایکلر انجام میشود و موفقیت آن تنها به مواد شیمیایی و آنزیمها بستگی ندارد. این دستگاه میزان حرارت را در هر مرحله به طور دقیق کنترل میکند و کنترل دقیق دما باعث میشود واکنش حساستر، اختصاصیتر و همچنین تکرارپذیر باشد.

نتایج PCR بدون ترموسایکلر دقیق، بهطور کامل غیرقابل اعتماد هستند. از جمله پارامترهای مهم دستگاه میتوان به یکنواختی دما، سرعت Ramp، دقت سنسورها و ظرفیت نمونه اشاره کرد. ترموسایکلرهای گرادینت 64 خانه و ترموسایکلر با گرادینت 32 خانه ظرفیتهای متفاوتی دارند که هر کدام کاربرد مختص خودشان را دارند.
مطابق اطلاعات منتشر شده در سایت pub med مطالعات نشان میدهند که:
Among the factors which have to be optimized to ensure highest sensitivity and specificity of the polymerase chain reaction (PCR) is the processor which enables the automatic performance of the PCR assay. It has to guarantee temperature homogeneity for all samples of an individual run and run‑to‑run comparability.
یکی از عواملی که باید برای حصول بالاترین حساسیت و اختصاصیت در واکنش زنجیرهای پلیمراز (PCR) بهینه شود، قسمت دستگاه پردازشگر (Thermal cycler) است که عملکرد خودکار واکنش PCR را انجام میدهد. این دستگاه باید یکنواختی دما را برای همه نمونههای یک چرخه و همچنین بین چرخههای مختلف تضمین کند.
ترموسایکلر، دستگاهی بسیار فراتر از یک دستگاه حرارت دهی ساده است. باعث کاهش نرخ شکست، تکرارپذیری، حذف آزمون وخطای پرهزینه و همچنین صرفهجویی در کیت و زمان واکنش آزمایشگاهی میشود. اگر با نتایج ناپایدار PCR مواجه هستید، ممکن است مشکل از دستگاه شما باشد، برای کاهش Fail-Rate و افزایش تکرارپذیری، قبل از هر تصمیمی با متخصصان این حوزه مشورت کنید. شما میتوانید با شماره کارشناس فروش ما هم تماس بگیرید تا به صورت کامل شما را راهنمایی کنند.
PCR بسیار وابسته به کیفیت سخت افزار است. هر ترموسایکلر روش متفاوتی برای کنترل دما و رسیدن به دمای هدف آزمایشگاهی دارد و همین تفاوتها باعث میشود برنامه PCR روی دستگاههای مختلف نتایج متفاوتی دهد. حتی اختلاف کوچک دما بین بخشهای مختلف بلوک حرارتی میتواند اثر منفی روی اتصال پرایمرها یا عملکرد آنزیم داشته باشد.
PCR تکنیکی است که به کوچکترین خطاها حساس است. از جمله خطاهای رایج میتوان به :
وجود دستگاههای حرفهای در آزمایشگاههایی مانند آزمایشگاههای پزشکی قانونی برای تعیین هویت DNA، شناسایی نمونههای بیولوژیک و تحلیلهای حقوقی ضروری است. در آزمایشگاههای تحقیقاتی مانند زیست شناسی مولکولی و ژنتیک و آزمایشگاههای تشخیص عفونی و سلامت عمومی برای تستهای بالینی یا مراکز تحقیق و توسعه در داروسازی کاملا ضروری است. در واقع این مدل انتخاب مناسبی برای پروژههای تحقیقاتی، توسعه کیت، طراحی پرایمر و آزمایشگاههایی است که دقت و سرعت توسعه پروتکل برایشان اولویت دارد. ترموسایکلر با گرادیان دمایی 64 مناسب این آزمایشگاهها است.
دناتوراسیون و اتصال پرایمر بیشترین میزان مشکل و خرابی (حدود 70 درصد) را بر عهده دارند. همانطور که اشاره کردیم در دناتوراسیون اگر دما یا زمان کافی نباشد، دو رشته DNA به طور کامل جدا نمیشوند. حدود 20 درصد نوسان دمایی دستگاه و حدود 10 درصد وجود خطای انسانی باعث ایجاد مشکل و خرابی درنتایج آزمایشگاهی میشود.
ترموسایکلر جزو تجهیزات با عمر مفید محدود است و خرید یا تعویض یک دستگاه جدید زمانی مطرح میشود که عملکرد و دقت آن دیگر نتایج قابل اعتماد PCR را تضمین نکند. در زمانهایی که نتایج بین اپراتورها فرق دارد، PCR فقط در بعضی رانها جواب میدهد یا کیتهای مختلف نتایج متناقض میدهند و حتی هنگام وجود مشکلات سخت افزاری مانند افزایش مکرر خرابیها و هزینههای تعمیر، تعویض یا خرید ترموسایکلر اجتناب ناپذیراست.
PCR یکی از حساسترین و قدرتمندترین روشها برای تکثیر DNA است که موفقیت آن تنها به کیت و پرایمر محدود نمیشود. نوسان دمایی، یکنواخت نبودن بلاک حرارتی یا Ramp Rate نامناسب حتی با بهترین معرفها میتواند باعث شکست یا ناپایداری نتایج واکنش آزمایشگاهی شود. اگر با تکرارپذیری پایین، باندهای ضعیف یا نتایج متناقض PCR رو به رو هستید، زمان آن رسیده است که عملکرد ترموسایکلر خود را بررسی کنید. انتخاب یک ترموسایکلر دقیق و قابل اعتماد، علاوه بر کاهش Fail-Rate، باعث صرفهجویی در زمان، کیت و هزینههای آزمایشگاه میشود و کیفیت نتایج شما را به سطحی حرفهای ارتقا میدهد.