Reacția în lanț a polimerazei ( PCR ) este o metodă de biologie moleculară care permite obținerea unei creșteri semnificative a concentrațiilor mici ale anumitor fragmente de acid nucleic ( ADN sau ARN ) în materialul biologic (probă).
Pe lângă amplificarea ADN-ului , PCR permite multe alte manipulări cu acizi nucleici (introducerea de mutații , splicing de fragmente de ADN) și este utilizat pe scară largă în practica biologică și medicală, de exemplu, pentru a diagnostica boli (ereditare, infecțioase), pentru a stabili paternitatea , a clona gene , a izola gene noi .
La începutul anilor 1970, omul de știință norvegian Kjell Kleppe de la laboratorul laureatului Nobel Hara Gobinda Korana a propus o metodă de amplificare a ADN-ului folosind o pereche de molecule scurte de ADN monocatenar - primeri sintetici [1] . Cu toate acestea, la acel moment această idee a rămas nerealizată. Reacția în lanț a polimerazei (PCR) a fost inventată în 1983 de biochimistul american Kary Mullis [2] [3] . Scopul său a fost de a crea o metodă care să permită amplificarea ADN-ului în timpul dublărilor multiple consecutive ale moleculei originale de ADN folosind enzima ADN polimerază . Prima publicație despre metoda PCR a apărut în noiembrie 1985 în revista Science [4] . Metoda a revoluționat biologia moleculară și medicina. În 1993, Kary Mullis a primit Premiul Nobel pentru Chimie pentru aceasta [5] .
La începutul utilizării metodei, după fiecare ciclu de încălzire-răcire, la amestecul de reacție a trebuit să se adauge ADN polimeraza , deoarece a fost inactivată la temperatura ridicată necesară pentru separarea catenelor spiralei ADN. Procedura de reacție a fost relativ ineficientă, necesitând mult timp și enzime. În 1986, metoda reacției în lanț a polimerazei a fost îmbunătățită semnificativ. S-a propus să se utilizeze ADN polimeraze din bacterii termofile [6] . Aceste enzime s-au dovedit a fi termostabile și au fost capabile să reziste multor cicluri de reacție. Utilizarea lor a făcut posibilă simplificarea și automatizarea PCR. Una dintre primele ADN polimeraze termostabile a fost izolată din bacteriile Thermus aquaticus și numită polimeraza Taq . Dezavantajul acestei polimeraze este probabilitatea destul de mare de a introduce o nucleotidă eronată, deoarece acestei enzime îi lipsesc mecanismele de corectare a erorilor (3'→5' - activitate exonuclează ). Polimerazele Pfu și Pwo , izolate din arhee , au un astfel de mecanism; utilizarea lor reduce semnificativ numărul de mutații în ADN, dar viteza de lucru (procesivitate) este mai mică decât cea a Taq . Amestecuri de Taq și Pfu sunt acum folosite pentru a obține atât o viteză mare de polimerizare, cât și o precizie ridicată de copiere.
La momentul inventării metodei, Kary Mullis lucra ca chimist sintetic (a sintetizat oligonucleotide, care au fost folosite apoi pentru a detecta mutații punctuale prin hibridizare cu ADN genomic) la Cetus Corporation , care a brevetat metoda PCR. În 1992, Cetus a vândut drepturile asupra metodei și brevetul pentru utilizarea polimerazei Taq către Hofmann-La Roche pentru 300 de milioane de dolari. Cu toate acestea, s-a dovedit că Taq - polimeraza a fost caracterizată de biochimiștii sovietici A. Kaledin , A. Slyusarenko și S. Gorodetsky în 1980 [7] , și, de asemenea, cu 4 ani înainte de această publicație sovietică, adică în 1976, de biochimiștii americani Alice Chien, David B. Edgar și John M. Trela [8] . Drept urmare, Promega a încercat să forțeze Roche să renunțe la drepturile sale exclusive asupra acestei enzime [9] în instanță . Brevetul american pentru metoda PCR a expirat în martie 2005.
Metoda se bazează pe copierea selectivă multiplă a unei anumite secțiuni de acid nucleic ADN folosind enzime în condiții artificiale ( in vitro ). În acest caz, se copiază doar zona care îndeplinește condițiile specificate și numai dacă este prezentă în eșantionul studiat. Spre deosebire de amplificarea ADN-ului în organismele vii ( replicare ), porțiuni relativ scurte de ADN sunt amplificate prin PCR . Într-un proces PCR convențional, lungimea regiunilor ADN replicate nu este mai mare de 3000 de perechi de baze (3 kbp [10] ). Cu ajutorul unui amestec de diverse polimeraze, cu utilizarea aditivilor și în anumite condiții, lungimea unui fragment PCR poate ajunge la 20-40 mii de perechi de baze. Aceasta este încă mult mai mică decât lungimea ADN-ului cromozomial al unei celule eucariote. De exemplu, lungimea celui mai scurt cromozom nuclear la om (cromozomul 21) este de 46,71 milioane de perechi de baze [11] .
Pentru PCR, în cel mai simplu caz, sunt necesare următoarele componente:
Pentru a evita evaporarea amestecului de reacție, se adaugă în eprubetă un ulei cu punct de fierbere ridicat, cum ar fi vaselina. Dacă se folosește un ciclor cu capac încălzit, acest lucru nu este necesar.
Adăugarea de pirofosfatază poate crește randamentul PCR. Această enzimă catalizează hidroliza pirofosfatului , un produs secundar al adăugării trifosfaților nucleozidici la catena de ADN în creștere, la ortofosfat . Pirofosfatul poate inhiba PCR [12] .
Specificitatea PCR se bazează pe formarea de complexe complementare între matriță și primeri , oligonucleotide sintetice scurte lungi de 18-30 de baze. Fiecare dintre primeri este complementar unuia dintre lanțurile șablonului dublu catenar și limitează începutul și sfârșitul regiunii amplificate.
După hibridizarea matriței cu primerul (annealing [13] ), acesta din urmă servește ca primer pentru ADN polimeraza în timpul sintezei catenei complementare a șablonului (vezi mai jos ).
Cea mai importantă caracteristică a primerilor este temperatura de topire (T m ) a complexului primer-matrice.
Tm este temperatura la care jumătate din șablonele ADN formează un complex cu primerul oligonucleotid. Formula medie pentru calcularea Tm pentru o oligonucleotidă scurtă (și pentru fragmente lungi de ADN), ținând cont de concentrația de ioni K + și DMSO :
, [14]unde este numărul de nucleotide din primer, este concentrația molară a ionilor de potasiu, este suma tuturor guaninelor și citozinelor .
Dacă lungimea și compoziția nucleotidică a primerului sau temperatura de recoacere sunt alese incorect, este posibilă formarea de complexe parțial complementare cu alte regiuni ale ADN-ului șablon, ceea ce poate duce la apariția unor produse nespecifice. Limita superioară a temperaturii de topire este limitată de temperatura optimă de acțiune a polimerazei, a cărei activitate scade la temperaturi peste 80 °C.
Atunci când alegeți grunduri, este de dorit să respectați următoarele criterii:
PCR se efectuează într-un amplificator - un dispozitiv care asigură răcirea și încălzirea periodică a eprubetelor, de obicei cu o precizie de cel puțin 0,1 ° C. Cicleriile moderne vă permit să setați programe complexe, inclusiv posibilitatea de „pornire la cald”, PCR Touchdown (vezi mai jos) și stocarea ulterioară a moleculelor amplificate la 4 °C. Pentru PCR în timp real, sunt produse dispozitive echipate cu un detector fluorescent . Instrumentele sunt disponibile și cu un capac automat și un compartiment pentru microplăci, permițându-le să fie integrate în sisteme automate.
De obicei, atunci când se efectuează PCR, se efectuează 20-35 de cicluri, fiecare dintre ele constând din trei etape. [≡]
Șablonul ADN dublu catenar este încălzit la 94-96°C (sau 98°C dacă se utilizează o polimerază deosebit de termostabilă) timp de 0,5-2 minute astfel încât lanțurile de ADN să se disperseze. Această etapă se numește topire ( denaturare ), deoarece legăturile de hidrogen dintre cele două catene de ADN sunt rupte. De obicei, înainte de primul ciclu, se efectuează o încălzire lungă a amestecului de reacție timp de 2-5 minute pentru denaturarea completă a șablonului și a primerilor.
Când firele sunt separate, temperatura este coborâtă pentru a permite primerilor să se lege de șablonul monocatenar. Această etapă se numește recoacere . Temperatura de recoacere depinde de compozitia primerilor si este de obicei aleasa cu 5 grade mai mica decat temperatura de topire a grundurilor. Alegerea incorectă a temperaturii de recoacere duce fie la legarea slabă a primerilor de șablon (la temperatură ridicată), fie la legarea în locul greșit și apariția unor produse nespecifice (la temperatură scăzută). Timpul etapei de recoacere - 30 de secunde Simultan, in acest timp, polimeraza are deja timp sa sintetizeze cateva sute de nucleotide. Prin urmare, se recomandă selectarea primerilor cu un punct de topire peste 60°C și efectuarea simultană de recoacere și alungire, la 60–72°C.
ADN polimeraza replică catena matriță folosind primerul ca primer. Aceasta este etapa de alungire . Polimeraza începe sinteza celei de-a doua catene de la capătul 3’ al primerului, care sa legat de șablon, și se deplasează de-a lungul șablonului, sintetizând o nouă catenă în direcția de la capătul 5’ la capătul 3’. Temperatura de alungire depinde de polimerază. Polimerazele Taq și Pfu utilizate în mod obișnuit sunt cele mai active la 72°C. Timpul de alungire depinde atât de tipul de ADN polimerază, cât și de lungimea fragmentului de amplificat. De obicei, timpul de alungire este considerat a fi de un minut pentru fiecare mie de perechi de baze. După sfârșitul tuturor ciclurilor, este adesea efectuată o etapă suplimentară de alungire finală pentru a completa toate fragmentele monocatenare. Această etapă durează 7-10 minute.
Cantitatea unui produs de reacție specific (limitat de primeri) crește teoretic proporțional cu 2n - 2n, unde n este numărul de cicluri de reacție [17] . De fapt, eficiența fiecărui ciclu poate fi mai mică de 100%, deci în realitate P ~ (1 + E) n , unde P este cantitatea de produs, E este randamentul mediu al ciclului.
Numărul de copii „lungi” ADN crește, de asemenea, dar liniar, astfel încât un fragment specific domină în produșii de reacție.
Creșterea produsului necesar este limitată exponențial de cantitatea de reactivi, prezența inhibitorilor și formarea de produse secundare. În ultimele cicluri ale reacției, creșterea încetinește, aceasta se numește „efectul de platou”.
Dacă secvenţa de nucleotide a matriţei este parţial cunoscută sau nu este cunoscută deloc, pot fi utilizaţi primeri degeneraţi , a căror secvenţă conţine poziţii degenerate în care pot fi localizate orice baze. De exemplu, secvența primerului ar putea fi: ...ATH... unde H este A, T sau C.
PCR este utilizat în multe domenii pentru analiză și experimente științifice.
PCR este folosită pentru a compara așa-numitele „amprente genetice”. Este nevoie de o mostră de material genetic de la locul crimei - sânge, salivă, material seminal, păr etc. Se compară cu materialul genetic al suspectului. O cantitate foarte mică de ADN este suficientă, teoretic - o copie. ADN-ul este tăiat în fragmente, apoi amplificat prin PCR. Fragmentele sunt separate folosind electroforeza ADN . Imaginea rezultată a locației benzilor ADN se numește amprentă genetică .
Deși „amprentele genetice” sunt unice, legăturile de familie pot fi încă stabilite prin realizarea mai multor astfel de amprente. [≡] Aceeași metodă poate fi aplicată, cu ușoare modificări, pentru a stabili relații evolutive între organisme.
PCR face posibilă accelerarea semnificativă și facilitarea diagnosticului bolilor ereditare și virale . Gena dorită este amplificată prin PCR utilizând primeri adecvaţi şi apoi secvenţiată pentru a determina mutaţiile . Infecțiile virale pot fi detectate imediat după infecție, cu săptămâni sau luni (în funcție de durata perioadei de incubație ) înainte de apariția simptomelor bolii.
Uneori, medicamentele sunt toxice sau alergene pentru unii pacienți. Motivele pentru aceasta sunt parțial în diferențele individuale în susceptibilitatea și metabolismul medicamentelor și derivaților acestora. Aceste diferențe sunt determinate la nivel genetic. De exemplu, la un pacient, un anumit citocrom (o proteină hepatică responsabilă de metabolismul substanțelor străine) poate fi mai activ, la altul - mai puțin activ. Pentru a determina ce fel de citocrom are un anumit pacient, se propune efectuarea unei analize PCR înainte de a utiliza medicamentul. Această analiză se numește genotipizare preliminară ( genotipizare prospectivă ) .
Clonarea genelor (a nu se confunda cu clonarea organismelor) este procesul de izolare a genelor și, ca urmare a manipulărilor de inginerie genetică , obținerea unei cantități mari de produs al unei anumite gene. PCR este folosită pentru a amplifica o genă, care este apoi inserată într-un vector , o bucată de ADN care transferă o genă străină în același organism sau în alt organism ușor de crescut. Ca vectori, de exemplu, sunt utilizate plasmide sau ADN viral. Introducerea genelor într-un organism străin este de obicei folosită pentru a obține un produs al acestei gene - ARN sau, cel mai adesea, o proteină. În acest fel, multe proteine sunt obținute în cantități industriale pentru utilizare în agricultură, medicină etc.
În metoda de secvențiere care utilizează dideoxinucleotide marcate cu o etichetă fluorescentă sau un izotop radioactiv , PCR este o parte integrantă, deoarece în timpul polimerizării derivații de nucleotide marcate cu o etichetă fluorescentă sau radioactivă sunt inserate în lanțul de ADN. Adăugarea unei dideoxinucleotide la catena sintetizată încheie sinteza, permițând ca poziția nucleotidelor specifice să fie determinată după separarea în gel.
În prezent, PCR a devenit principala metodă de efectuare a mutagenezei (introducerea unor modificări în secvența de nucleotide a ADN-ului). Utilizarea PCR a făcut posibilă simplificarea și accelerarea procedurii de mutageneză, precum și pentru a o face mai fiabilă și reproductibilă.
Un alt domeniu de aplicare practică a PCR este sexingul molecular — determinarea sexului pe baza diferențelor de sex la nivel de ADN între bărbați și femei [22] .
Genetica | ||
---|---|---|
Concepte cheie | ||
Domeniile geneticii | ||
modele | ||
subiecte asemănătoare |
![]() | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
|