زیست فناوری

نوشته: کسری اصفهانی

ابزارهای مدلسازی و مشاهده نتایج در Systems Biology
نویسنده : دکتر کسری اصفهانی - ساعت ٥:٥۸ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٠/۳/٢۱
 

چالش بزرگی که در حال حاضر دانشمندان در زیست شناسی سامانه ها (Systems Biology) با آن روبرو هستند، بهره‌برداری از انبوهی از داده ها و اطلاعات در سطوح مختلف سلولی و فرآیندهای رشد و نمو موجودات زنده و ادغام و تحلیل این اطلاعات به منظور درک بهتر برهمکنش سطوح مختلف زیستی می‌باشد.

برای دستیابی به این هدف، باید روش­های ریاضی و کامپیوتری مناسبی برای مدلسازی و شبیه‌سازی سامانه‌های پیچیده زیستی طراحی نمود. بدین ترتیب، به ابزاری مناسب برای استخراج اطلاعاتی کارآمد و مفید از این داده‌های خام که در پایگاه‌های داده‌ها جمع‌آوری و نگهداری می‌شوند، نیاز است. ابزارهای مدلسازی به ما در پروراندن ایده‌های نظری و فرضیات با استفاده از داده‌های خامی که در پایگاه‌های داده‌ها نگهداری می‌شوند، کمک می‌کنند.

در این مبحث چندین ابزار که با بهره­گیری از داده­های خام پایگاه­های علوم زیستی به نمایش، مدلسازی، شبیه­سازی و تحلیل این داده ها و استخراج اطلاعات از آنها کمک می­کنند، معرفی می­گردند. این ابزارها عموماً نرم­افزارها و برنامه­های رایانه­ای می­باشند و عمدتاً از طریق اینترنت قابل تهیه بوده و مرتباً نسخه‌های جدید و بهبود یافته آنها به بازار می‌آید. اغلب این نرم‌افزارها در زمینه یک روش یا فن خاصی بوده و کار کردن با آنها به سهولت انجام می‌شود.

 

1-    نرم‌افزارهای عمومی Matlab و Mathematica

Mathematica و Matlab دو ابزار جامع و عمومی برای انجام محاسبات و مشاهده نتایج هر نوع مدل ریاضی می‌باشند. Mathematica با انواع سیستم عامل‌ها مثل ویندوز، لینوکس و یونیکس کار کرده و آخرین نسخه آن در آدرس www.wolfram.com معرفی شده است. این نرم‌افزار دو بخش عمده دارد: هسته مرکزی برنامه که محاسبات را انجام می‌دهد و واسط گرافیکی آن موسوم به GUI که ارتباط تنگاتنگ با هسته مرکزی محاسباتی دارد.

مزیت عمده Mathematica، انجام محاسبات پیچیده خاص بوده و در عین حال سایر برنامه‌ها می‌توانند از هسته مرکزی محاسباتی آن برای ارائه انواع نمودارها بهره‌برداری نمایند. در عین حال ارائه مرتب نسخه‌های جدید این نرم‌افزار که امکان انجام محاسبات جدیدی را دارند، از دیگر مزیت­های این نرم‌افزار می‌باشد. رقیب اصلی Mathematica، نرم‌افزار Matlab می‌باشد که آخرین نسخه آن در آدرس www.mathworks.com معرفی شده است. هر دو نرم‌افزار مشابه یکدیگر می‌باشند و انتخاب یکی از این دو بیشتر به سلیقه کاربر بستگی دارد تا امکانات آنها.

 Matlab نیز دارای توانایی محاسباتی بالا و گرافیک متنوعی می‌باشد. همچنین این برنامه دارای زبان برنامه‌نویسی و عملیات خاص خود بوده که در فایل­های موسوم به M-files نگهداری می‌شود.

علی‌رغم مشابهت‌های فراوان این دو نرم‌افزار، تفاوت­هایی در رفع مشکلات نرم‌افزار، ملحقات، محاسبات نمادین، ذخیره داده‌ها و نمودارها و وجود دارد.

 

2- Gepasi

http://www.gepasi.org

 

نرم‌افزارهای عمومی دارای ابزارهای فراوانی بوده که بخش اعظم آنها شاید مورد نیاز یک زیست‌شناس نباشد. بسیاری از متخصصان گرایش های مختلف علوم زیستی ترجیح می‌دهند تا از نرم‌افزارها و ابزار تخصصی که برای منظور خاصی طراحی شده است استفاده نمایند.

Gepasi یکی از این نرم‌افزارها است که برای مدلسازی برهمکنش های بیوشیمیایی طراحی شده است. این نرم‌افزار توسط Pedro Mendes نوشته شده و به رایگان در آدرس www.gepasi.org در دسترس می‌باشد.

در این برنامه، واکنش شیمیایی وارد شده و انرژی واکنش توسط معادلات موجود و طبق انتخاب کاربر تعیین می‌شود. وقتی که یک سامانه شناسایی گردد، برنامه این امکان را برای کاربر فراهم می‌کند که اطلاعات متعددی از واکنش­های این سامانه به دست آورده و مدل­هایی مبتنی بر داده‌های موجود را برای سامانه مورد نظر پیشنهاد نماید. این برنامه همچنین امکان خلق مدل­های چند منظوره بر اساس مکان انجام واکنش‌ها (بر مبنای انجام واکنش در سیتوپلاسم یا هسته) را دارد.

این برنامه همچنین می‌تواند اطلاعات مدلسازی شده یک سامانه را در قالب SBML ذخیره نموده و دوباره استفاده نماید. این اطلاعات قابل استفاده در سایر نرم‌افزارهای مبتنی بر این استاندارد نیز می‌باشد.

برنامه Gepasi بسیاری از مواردی را که برای مطالعه واکنش­های بیوشیمیایی لازم است در بر گرفته و کار کردن با آن بسیار راحت است.

 

3- E-Cell

http://ecell.sourceforge.net

 

 نرم‌افزار E-Cell در سال 1996 در ژاپن برای شبیه سازی فرآیندهای سلولی طراحی شد. نسخه اول این نرم‌افزار برای ساخت یک مدل نظری از یک سلول با 127 ژن -که حداقل تعداد ژن مورد نیاز برای رونویسی، ترجمه، تولید انرژی و ساخت فسفولیپید می‌باشد- به کار برده شد. برای ساخت این مدل، مجموعه‌ای از ژن­های یک گونه از میکوپلاسما که دارای کوچکترین ژنوم شناخته شده می‌باشد، مورد استفاده قرار گرفت.

مدل­های بعدی که توسط این نرم‌افزار مورد بررسی قرار گرفت، متابولیسم میتوکندریایی و چندین مسیر و فرآیند مثل زنجیره تنفسی، چرخه TCA، بتا اکسیداسیون اسیدهای چرب و سامانه انتقال متابولیت بوده‌اند.

آخرین نسخه این برنامه که E-Cell 3 می‌باشد، در آدرس www.e-cell.org معرفی شده است و تحت سیستم عامل‌های ویندوز و لینوکس کار می‌کند.

با توجه به مقیاس زمانی انجام فرآیندهای سلولی، این برنامه الگوریتمی دارد که دارای مقیاس­های زمانی مختلف برای فرآیندهای مختلف سلولی می‌باشد. مثلاً انجام فعالیت یک آنزیم در کسری از ثانیه رخ می‌دهد، در حالی که وقایع تنظیم بیان ژن­ها در چند دقیقه تا چند ساعت صورت می‌گیرند. این برنامه مدل­هایی با استفاده از سه دسته اجزا بنیادی، یعنی مواد، رآکتور و سامانه می‌سازد. مواد، متغیرها بوده و رآکتورها، فرآیندهایی هستند که بر اساس وضع متغیرها عمل می‌کنند. سامانه‌ها دارای اجزای دیگری بوده و بخش­های منطقی و فیزیکی را در بر می‌گیرند و برای ارائه یک مدل سامانه سلولی به کار می‌روند. برنامه E-Cell دارای یک سامانه خودکار به نام GEM (Genome-based E-Cell Modeling) نیز می‌باشد که از داده‌های بانک‌های اطلاعاتی استفاده نموده و به راحتی مدل­هایی براساس توالی‌های ژنومی تولید می‌کند.

 

4-‌ PyBios

http://pybios.molgen.mpg.de

 

PyBios نیز با هدف استفاده در Systems Biology و شبیه سازی و مدلسازی طراحی شده است. برخلاف Gepasi و E-Cell که بر روی کامپیوترهای شخصی نصب می‌شوند، PyBios بر روی سرور اختصاصی خود در آدرس http://pybios.molgen.mpg.de اجرا شده و نرم‌افزاری اینترنتی است.

PyBios چارچوبی برای هدایت مدل­های سینتیکی در هر اندازه و با سطوح دانه بندی متفاوت فراهم می‌کند. این ابزار برای تحلیل مدل­های بیوشیمیایی به منظور پیش‌بینی رفتار مدل­ها در واحد زمان به کار می‌رود. با ارتباط خودکار این نرم‌افزار به پایگاه‌های داده، تجزیه و تحلیل مدل­های عظیم امکان‌پذیر می‌باشد.

در این برنامه امکان کار در سطح سلول، کروموزوم، پلی پپتید، پروتئین، آنزیم، ژن و مجموعه‌های زیستی وجود دارد و این اجزا می‌توانند برای خلق یک مدل محاسباتی استفاده شوند.

 

5- Systems Biology Workbench

http://sbw.kgi.edu

 

هر یک از مدل­هایی که توسط نرم‌افزارهای شبیه ساز ایجاد می‌شود نمی‌توانند پاسخگوی نیازهای روزافزون کاربران باشد و بنابراین نیاز به ابزارهای متنوع با کاربردهای مختلف می‌باشد. برای این منظور محققان با استفاده از فنون آزمایشگاهی و مبانی نظری مختلف، برنامه‌های گوناگونی با زبان­های مختلف و براساس چارچوب­های متفاوت نوشته‌اند. مشکل اصلی در این برنامه‌ها، ذخیره اطلاعات در قالب­های متفاوت بوده که قابل استفاده توسط برنامه‌های دیگر نمی‌باشد. پروژه‌های مختلفی برای رفع این مشکلات اجرا شده است که در یکی از آنها برای ایجاد یک قالب مشترک توصیفی مدل­ها تلاش شده است و در نتیجه آن SBML شکل گرفت.

پروژه دیگر با عنوان System Biology Workbench که به اختصار SBW نامیده شد، نرم‌افزاری بود که برای ارتباط بین نرم‌افزارهای مختلف ساخته شد. این نرم‌افزار در آدرس www.sys-bio.org معرفی شده است.

این نرم‌افزار به عنوان یک قفل شکن مرکزی، امکان تبادل فایل و اطلاعات را بین نرم‌افزارهای گوناگونی که در این مقاله معرفی شده‌اند را فراهم می‌کند.

SBW و SBML تبادل مدل­های زیستی را تسهیل کرده و امکان شبیه سازی بین نرم‌افزارهای مدلسازی را ایجاد کرده‌اند.

 

6- BioSPICE

www.biospice.org

 

این نرم‌افزار که در آدرس www.biospice.org معرفی شده است، بر پایه SBW، امکانات بیشتر و قدرت افزون تری به کاربران برای انجام تبادلات بین ابزارهای مختلف می‌دهد.

 

7- JDesigner

نرم‌افزار Jdesigner تحت ویندوز اجرا شده و همراه برنامه SBW نصب می‌شود. این برنامه به تنهایی یا همراه با SBW قابل اجرا است و در حالت اجرا به تنهایی، یک نرم‌افزار طراحی گرافیکی شبکه برهمکنش­ها می‌باشد. در این حالت، قوانین سینتیکی تعریف شده‌ای در نرم‌افزار وجود دارد و برنامه براساس آن مدلسازی را انجام می‌دهد. از این نرم‌افزار برای شبیه سازی واکنش­ها در طول زمان نیز می‌توان استفاده کرد.

 

8- Cell Designer

http://celldesigner.org

 

نرم‌افزار Cell Designer برای ایجاد شبکه­های واکنش­ها به کار می‌رود و جایگزینی برای برنامه Jdesigner می‌باشد. این نرم‌افزار برای کسانی که از سیستم عامل ویندوز استفاده نمی‌کنند و به جای آن از Mac یا لینوکس بهره می‌برند نیز قابل استفاده است و زبان برنامه  Java می‌باشد. آخرین نسخه این برنامه از آدرس http://celldesigner.org قابل دریافت است.

 

 Cell Designer اشکال متفاوتی برای انواع مولکول ها مثل پروتئین­ها، گیرنده‌ها، کانال­های یونی، متابولیت­های کوچک و به صورت پیش فرض در نظر گرفته است. همچنین نمادهایی برای واکنش­های مختلف مثل فسفریلاسیون و تغییرات دیگر مولکولی وجود دارد. همچنین نرم‌افزار علائم خاصی برای برخی از انواع واکنش­ها مثل کاتالیز، انتقال عامل، سرکوب و فعال کردن مهیا کرده است.

Cell Designer قالب SBML را می‌پذیرد و بنابراین می‌توان از طریق اینترنت، مدل­هایی که با این استاندارد نوشته شده‌اند را استفاده کرد و این مدل­ها را به صورت یک درختواره نشان داد. با کلیک روی هر بخش از این درختواره می‌توان عناصر آن را در یک پنجره جدید مشاهده با جزئیات بیشتر ملاحظه کرد.

 

9- Petri Nets

http://www.daimi.au.dk

Petri Nets ابزار مدلسازی گرافیکی و محاسباتی سامانه‌های موازی یا مستقل می‌باشد که اساس محاسباتی آن در دهه 60 میلادی توسط Adam Petri ابداع شد.

عناصر اساسی یک Petri Net مکان­ها، گذرگاه‌ها و عناصر ارتباط دهنده این دو عنصر می‌باشند. در تصویر گرافیکی، مکان­ها با دایره و گذرگاه‌های موقتی با مستطیل نمایش داده می‌شوند.

هر کدام از مکان­ها که می‌توانند نماینده یک مولکول باشند، مقداری را به خود اختصاص می‌دهند که با انجام یک مرحله تعداد آن کاهش یافته و به مکان بعد یک نشانه افزوده می‌شود. میزان انجام یک فرآیند با قطر بردارهای اتصالی نمایش داده می‌شود. حاصل کار این شبکه نمایشی از فرآیندهای انجام شده و مقدار مکان­های موجود می‌باشد که بیشتر به یک بازی کامپیوتری شبیه است.

این شبکه‌ها نه تنها با ظاهری مناسب یک سامانه را نمایش داده بلکه توصیفی ریاضی نیز از آن ارائه می‌دهند و برخی خصوصیات از طریق تحلیل­های ریاضی قابل مطالعه می‌باشند.

نسخه‌های تکمیلی نرم‌افزار Petri Nets که در طول سال­ها به نرم‌افزار پایه افزوده شده، آن را تبدیل به ابزار بسیار قدرتمندی در Systems Biology کرده است. مسیرهای بیوشیمیایی با استفاده از این برنامه به خوبی شبیه سازی شده و متابولیت­ها در جایگاه مکان­ها و واکنش­ها نیز در جایگاه گذرگاه‌ها قرار گرفته و ضریب‌های وزنی اتمی نیز رمز کننده ضخامت بردارها می‌باشد. از این راه می‌توان شبکه‌های متابولیسمی و مسیرهای ترارسانی پیام را مدلسازی کرد.

نرم‌افزارها و ابزارهای مرتبط با Petri Nets در آدرس www.daimi.au.dk قابل دستیابی است و اطلاعات زیادی درباره کاربردهای این ابزارها، نحوه کار و همایش­های مرتبط با آن نیز در این سایت وجود دارد.

 

10- STOCKS2

http://www.sysbio.pl/stocks

نرم‌افزار شبیه‌سازی STOCKS2 توسط Andrzey Kierzek و Jacrk Puchalka طراحی شده و به رایگان در آدرس www.sysbio.pl/stocks قابل دسترسی است. این نرم‌افزار بر روی سیستم عامل‌های ویندوز و لینوکس قابل اجرا می‌باشد.

علی‌رغم اینکه تعداد زیادی از هر یک از انواع مختلف مولکول­ های مورد نیاز در سلول حضور دارند اما برخی مولکول­ها که می‌توانند نقش مهمی نیز در سلول داشته باشند، مانند عوامل رونویسی، تعداد کمی دارند. به طور مثال، تنها 10 مولکول سرکوب گر Lac در یک سلول E.coli وجود دارد. پروتئین‌های مداخله کننده در مسیرهای ترارسانی پیام نیز تعداد کمی دارند.

نرم‌افزار STOCKS2 واکنش­های درون سلولی را به دو دسته کند و سریع تقسیم می‌کند. اگر تعداد یک نوع مولکول در زمان شبیه سازی افزایش یابد و باعث افزایش نرخ انجام واکنش شود، نرم‌افزار به طور خودکار این مولکول را در گروه واکنش­های سریع قرار می‌دهد. ورودی این نرم‌افزار در قالب SBML بوده و خروجی آن به صورت یک فایل متنی می‌باشد. نرم‌افزار دارای یک ویرایشگر بوده که در هفت مرحله داده‌ها و متغیرها را از کاربر دریافت می‌کند.

فایل متنی خروجی در حقیقت تعداد مولکول­های خاصی در مدت زمان مورد نظر کاربر بوده که به صورت یک نمودار ارائه می‌شود. عموماً منحنی به دست آمده از این روش مشابهت زیادی با منحنی‌های حاصل از شبیه سازی یک واکنش با استفاده از نرم‌افزارهای دیگر دارد.

 

11- Genetic Programming (GP)

Genetic Programming  حاصل ترکیب متنوعی از الگوریتم­های ژنتیکی است که در سال 1992 توسط Koza ارائه شد و از روش­های برگرفته از تحول (evolution) موجودات استفاده می‌کند. در این برنامه، نسخه‌های مختلف برنامه با یکدیگر به رقابت می‌پردازند تا نهایتاً راه حل یک مسئله به دست آید. GP در زمینه‌های متعددی مورد استفاده قرار می‌گیرد که یکی از آنها که مستقیماً در زیست­شناسی سامانه‌ها کاربرد دارد، مهندسی معکوس مسیرهای متابولیکی می‌باشد. این نرم‌افزار با تعریف شبکه‌هایی از انجام واکنش­های بیوشیمیایی و در نظر گرفتن غلظت­های مختلف آنزیم‌ها، از طریق محاسبات آماری، شبکه صحیح را پیش بینی و شبیه سازی می‌کند.

نرم‌افزارهای مکمل فراوانی برای این برنامه طراحی شده است که با استفاده از آنها امکانات متعددی به برنامه اصلی افزوده می‌شود. 


 
comment نظرات ()
 
آموزش PCR
نویسنده : دکتر کسری اصفهانی - ساعت ٤:٥٤ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٠/٢/٢۱
 

PCR یا واکنش زنجیره ای پلیمراز (Polymerase Chain Reaction)، تکنیکی است که با استفاده از آن می توان در مدت زمان کوتاهی قطعه خاصی از مولکول DNA را در شرایط آزمایشگاهی میلیون ها بار تکثیر نمود. این قطعه DNA ممکن است یک ژن، بخشی از یک کروموزوم یا بخش هایی از ژنوم یک موجود باشد. البته در تکثیر DNA با روش PCR محدودیت هایی نیز وجود دارد که مهمترین آنها اندازه قطعات قابل تکثیر می باشد به طوری که حداکثر اندازه قطعه هایی که با روش PCR معمولی تکثیر می گردد، 5 هزار نوکلئوتید (kb 5) و در روش های بهینه شده تا 20 هزار نوکلئوتید (kb 20) می باشد.

با این تعریف، PCR همانند یک دستگاه فتوکپی عمل می کند که بوسیله آن می توان صفحاتی از کتاب ژنوم هر موجود را به تعداد دلخواه و مشابه نسخه اصلی (البته در مواردی همراه با خطاهای جزئی) تکثیر نمود.

اساس این روش بسیار ساده بوده و مانند واکنش همانندسازی DNA در موجودات زنده توسط آنزیم DNA پلیمراز صورت می گیرد. در موجودات زنده، مجموعه ای از چند پروتئین و آنزیم در فرآیند همانند سازی DNA نقش دارند در حالی که در واکنش PCR تنها نوع خاصی آنزیم DNA پلیمراز مقاوم به حرارت به نام Taq polymerase به همراه بافر، کلرید منیزیم و نوکلئوتیدها جهت تکثیر قطعات DNA استفاده می شود.

مخترع واکنش PCR کَری مولیس (Kary Mullis) می باشد که در سال 1983 این روش را جهت تکثیر DNA معرفی کرد. قبل از این کشف، ساخت قطعات DNA با روش های کند و پر هزینه شیمیایی انجام می گرفت. به دلیل اهمیت این اختراع، کاربردهای فراوان و نقش ارزنده آن در پیشرفت علم ژنتیک و زیست شناسی مولکولی، وی جایزه نوبل شیمی را در سال 1993 دریافت کرد.

واکنش PCR به طور روزمره در اکثر آزمایشگاه های تشخیصی و تحقیقاتی استفاده می شود و در موارد بسیاری مثل شناسایی و جداسازی ژن ها، کلونینگ، طبقه بندی و شناسایی موجودات زنده، تشخیص بیماری های ژنتیکی و حتی پرونده های جنایی و تعیین هویت کاربرد دارد. در حال حاضر و نزدیک به 30 سال پس از کشف PCR، تحقیقات ژنتیک مولکولی بدون استفاده از این تکنیک قابل تصور نیست.

سازوکار (برنامه) واکنش PCR
اساس واکنش PCR جهت تکثیر توالی DNA دو رشته ای، تغییرات دمایی می باشد. در ابتدا پیوندهای هیدروژنی دو رشته توالی DNA با حرارت (94-95 درجه سلسیوس) شکسته و دو رشته از یکدیگر جدا می شوند. سپس دمای واکنش پایین آورده می شود (معمولاً 50 تا 60 درجه سلسیوس). در این مرحله، دو قطعه کوتاه DNA تک رشته ای (معمولاً بین 18 تا 30 نوکلئوتید) که دقیقاً مشابه دو طرف قطعه DNA مورد نظر برای تکثیر طراحی و ساخته شده اند (با نام پرایمر یا آغازگر)، به توالی های مکمل خود در دو رشته باز شده DNA متصل می گردند. این دو قطعه انتهای 3’ آزاد جهت فعالیت آنزیم DNA پلیمراز را فراهم می نماید، کاری که در همانند سازی در موجودات زنده توسط آنزیم پریماز و توالی اولیه ساخته شده توسط آن انجام می گیرد. در مرحله بعد، دمای واکنش تا 72 درجه سلسیوس (دمای مناسب آنزیم Taq polymerase) افزایش یافته و عمل تکثیر قطعه DNA مورد نظر بین دو پرایمر با استفاده از نوکلئوتیدهای موجود، توسط آنزیم Taq polymerase مقاوم به حرارت انجام می پذیرد.

مرحله اول: واسرشت سازی (Denaturation30 تا 60 ثانیه

عمل انجام شده در این مرحله: جدا شدن دو رشته DNA

مرحله دوم: اتصال (Annealing30 تا 60 ثانیه

عمل انجام شده در این مرحله: اتصال پرایمرها به نواحی مکمل روی DNA و تعیین محدوده تکثیر قطعه DNA

مرحله سوم: گسترش (Extension یا Elongationبه ازای هر 1000 نوکلئوتید طول قطعه 60 ثانیه

عمل انجام شده در این مرحله: تکثیر قطعه DNA مورد نظر

این 3 مرحله بین 25 تا 40 بار تکرار می شود که به آن چرخه های PCR می گویند.

اجزا واکنش PCR
در یک واکنش PCR از نمونه DNA، آنزیم Taq polymerase، پرایمرها، بافر، یون منیزیم، نوکلئوتیدها و آب حضور استفاده می شود. توضیحات مربوط به هر یک از این اجزا در ادامه ارائه شده است:

- نمونه DNA (الگو)
تکثیر از روی نمونه DNA انجام می شود. این نمونه می تواند، قطعه ای DNA، محصول استخراج DNA ژنومی، DNA پلاسمیدی یا حتی محصول PCR دیگری باشد. معمولاً حدود یک نانوگرم از DNA پلاسمیدی یا فاژی یا یک میکروگرم از DNA ژنومی برای یک واکنش PCR کافی است. بیش از این مقدار، باعث تولید محصولات غیر اختصاصی (قطعات DNA دیگری غیر از قطعه مورد نظر) شده و مقدار کم نمونه DNA نیز باعث کاهش دقت واکنش PCR یا عدم تکثیر قطعه مورد نظر می گردد. کیفیت نمونه DNA نیز مهم است به طوری که باقی ماندن ترکیبات مورد استفاده در مرحله استخراج DNA مثل فنل و EDTA، باعث کاهش فعالیت آنزیم Taq polymerase و عدم حصول نتیجه مورد نظر می گردد. همچنین آلوده شدن واکنش PCR با مقادیر بسیار اندک DNA از هر منبع دیگری، به دلیل حساسیت فوق العاده این تکنیک، ممکن است به تولید قطعات غیر قابل انتظار بیانجامد.

- آنزیم Taq polymerase
این آنزیم برای تکثیر قطعات کمتر از سه هزار جفت باز توصیه شده و پر مصرف ترین آنزیم مورد استفاده در PCR می باشد. به طور معمول حدود یک واحد از این آنزیم در 50 میکرو لیتر از واکنش PCR استفاده می شود. اگر نمونه DNA حاوی مواد ممانعت کننده PCR باشد، می توان این مقدار را دو تا سه برابر افزایش داد ولی مقادیر بالاتر آنزیم باعث تولید محصولات غیر اختصاصی می گردد. گرچه دمای مناسب برای این آنزیم 72 درجه سلسیوس می باشد ولی چون این آنزیم در دمای معمولی نیز قادر به تکثیر می باشد برای جلوگیری از اتصال قطعات پرایمر به نقاط دیگری روی توالی نمونه DNA و امکان تولید قطعات غیر اختصاصی، توصیه می شود که تمامی مراحل آماده سازی واکنش PCR بر روی یخ صورت گیرد.

- نوکلئوتید ها
چهار نوکلئوتید تشکیل دهنده قطعه DNA از اجزا واکنش PCR می باشند که به عنوان واحد های ساختمانی مورد نیاز در ساخت قطعه DNA استفاده می شوند. غلظت مورد نیاز از هر یک از نوکلئوتیدها برای واکنش PCR یکسان و برابر 200 نانو مولار می باشد. برای این منظور از مخلوط های آماده واجد هر چهار نوکلئوتید که با غلظت های مختلف مثل دو میلی مولار، 10 میلی مولار و 25 میلی مولار موجود است، استفاده می شود. به طور مثال، در یک واکنش 50 میکرو لیتری PCR باید 5 میکرو لیتر از مخلوط دو میلی مولار نوکلئوتیدها برای دستیابی به مقدار مورد نیاز در واکنش استفاده کرد.

- بافر
مهمترین نقش بافر PCR تنظیم pH مناسب واکنش PCR و آنزیم Taq polymerase می باشد. اجزای این بافر نقش های دیگری نیز دارند از جمله کلرید پتاسیم که به اتصال پرایمر به DNA الگو (نمونه) کمک می کند.

- یون منیزیم
یون منیزیم یکی از اساسی ترین اجزا واکنش PCR می باشد. انواع مختلف آنزیم DNA polymerase برای فعالیت خود به این یون نیاز دارند و این یون برای اتصال پرایمر و قطعه DNA لازم است. برای تکثیر با Taq polymerase این یون عمدتاً به صورت ترکیب کلرید منیزیم در واکنش PCR استفاده می شود. این ترکیب گاهی در همان بافر PCR قرار داده می شود ولی از آنجا که برای برخی واکنش های PCR لازم است که غلظت این یون تغییر نماید، این ترکیب به طور جداگانه تهیه و به واکنش PCR افزوده می شود.

غلظت بهینه یون منیزیم در واکنش PCR یک تا چهار میلی مولار است. غلظت بالاتر از این مقدار باعث تکثیر قطعاتی غیر از قطعه مورد نظر (قطعات غیر اختصاصی) شده و غلظت پایین این یون نیز ممکن است به کاهش کارایی واکنش و میزان تولید قطعه مورد نظر منجر شود.

- پرایمرها
غلظت بهینه پرایمرها برای واکنش PCR از 100 نانو مولار تا یک میکرو مولار متغییر است. غلظت بیش از این، منجر به تولید قطعات غیر اختصاصی می شود. طراحی پرایمر نیازمند دقت فراوانی است و مرحله بسیار مهمی در امکان پذیر شدن و صحت تکثیر قطعه مورد نظر دارد. دمای مرحله اتصال در برنامه PCR به توالی پرایمرها ارتباط دارد.

وسایل مورد نیاز برای واکنش PCR
حداقل وسایل مورد نیاز برای انجام واکنش PCR، دستگاه ترموسایکلر (ایجاد کننده چرخه های دمایی)، میکرو پیپت، ظرف یخ و وسایل یکبار مصرفی مانند تیپ (جز پلاستیکی که برای کشیدن محلول به میکرو پیپت متصل می شود) و ویال (لوله های درب دار کوچک، در دو اندازه بر اساس گنجایش آنها یعنی 200 و 500 میکرو لیتر، که واکنش PCR در آنها انجام می شود) و ظروف نگهداری آنها می باشد.

ویال

دستگاه ترموسایکلر برای ایجاد دماهای مختلف در مدت زمان مورد نظر، قابل برنامه ریزی می باشد. قبل از تولید این دستگاه، دانشمندان برای انجام PCR از سه حمام آب گرم با دماهای مختلف استفاده می کردند که کار بسیار پر زحمتی بود.

دستگاه ترموسایکلر (PCR)

میکرو پیپت برای برداشتن مقادیر اندک مورد نیاز برای واکنش PCR در مقیاس میکرو لیتر استفاده می شود. بر روی این دستگاه که کار کردن با آن بسیار راحت است، تیپ های یک بار مصرف قرار داده می شود و بدین وسیله حجم مورد نظر از آن برداشته و به واکنش PCR افزوده می شود.

نوشته: کسری اصفهانی

* هنگام استفاده از این مطلب، ذکر منبع الزامی است.

 

نزدیکترین کارگاه عملی که توسط نویسنده این مطلب علمی در زمینه PCR برگزار می شود: 

هفتمین دوره آموزشی تکنیک های آزمایشگاه ژنتیک مولکولی (از ژن تا پروتئین) - 3 تا 6 اسفند 1393


 
comment نظرات ()