جهاز PCR (Polymerase Chain Reaction) هو جهاز تشخيصي يستخدم في البيولوجيا الجزيئية لتضخيم الحمض النووي (DNA) والحمض الريبو نووي (RNA)، وبالتالي يسمح للعلماء بدراسة الجينات والمرضى والعينات البيولوجية بدقة. يمكن استخدام الجهاز في العديد من التطبيقات مثل الكشف عن الأمراض المعدية والسرطان وأمراض الجهاز العصبي وغيرها الكثير.
يتكون الجهاز من عدة أجزاء أساسية بما في ذلك الشاشة التي تعرض نتائج الاختبار، وحاوية لعينة الحمض النووي، وجهاز التحكم الذي يقوم بتشغيل العملية بشكل تلقائي، وغيرها من الأجزاء.
يعتمد جهاز PCR على تقنية تكرار تضخيم DNA الذي يتم إجراؤه في ثلاث خطوات رئيسية: التسخين والتبريد والتمديد. يتم ضخ تراكيز من مجموعات الصغيرة المسماة البادئات (primers) والتي تعمل كمثبتات للمنطقة التي يتم تضخيمها. ثم يتم إضافة إنزيم تكسير النوعية الحرارية (Taq Polymerase) والذي يعمل على إنتاج صف متكرر من الحمض النووي الذي يمكن استخدامه في الأغراض المختلفة.
يتم استخدام جهاز PCR في العديد من التطبيقات الطبية، مثل الكشف عن الأمراض المعدية والتحقق من النسل الوراثي والكشف عن الأمراض الخلقية. كما يمكن استخدام الجهاز في العديد من التطبيقات الأخرى مثل الكشف عن الجراثيم في المياه والمواد الغذائية والكشف عن الجراثيم الموجودة في التربة.
- دورة الإضافة الجزيئية (Annealing): يرتبط البرايمر بالجينوم المستهدف، ويتم ذلك بفعل درجة الحرارة المنخفضة المتوافقة مع درجة حرارة التهجين المنخفضة للبرايمر مع الجينوم المستهدف، ويستخدم لذلك حل يحتوي على البرايمرات والجينوم المستهدف ومحلول التهجين.
- دورة التمديد (Extension): يتم إضافة الإنزيم الذي يسمى تاغ باوليميريز Taq Polymerase الذي يقوم بإضافة النوكليوتيدات الناقصة للجينوم المستهدف باتجاه الطرف 3 للبرايمر، وذلك باستخدام درجة حرارة مرتفعة تصل إلى 72 درجة مئوية.
- دورة الاستقرار (Denaturation): يتم في هذه الدورة فصل الجينوم الحاصل إلى شرائح مفردة منفصلة بفعل درجة الحرارة المرتفعة جداً (حوالي 95 درجة مئوية) والتي تفتح السلسلة الثنائية الشديدة التواء.
تتكرر هذه الدورات (الدورة الحرارية) بشكل متكرر لإنتاج العديد من النسخ المستهدفة في دورة واحدة، ويستخدم في تحليل PCR الكثير من الأدوات والمواد مثل محلول التهجين (Annealing solution) والمذيبات (solvents) والبرايمرات (Primers) والإنزيمات (enzymes) والنيتروجين المسال (Liquid nitrogen) ومكائن الحرارة وغيرها.
📍يتألف PCR عادةً من عدة مكونات رئيسية، وهي:
1- ماكينة التسخين (Thermal Cycler): وهي الجهاز الذي يسمح بالتحكم في درجة الحرارة في مختلف مراحل عملية PCR، ويتألف عادةً من بلوكات حرارية يتم تحريكها في درجات حرارة مختلفة.
2- الإطار الكامل للجين (Primers): وهي قطع صغيرة من الحمض النووي تستخدم لتحديد المنطقة التي يتم تضخيمها.
3- الـ DNA polymerase: وهو إنزيم يعمل على تكرار سلسلة الـ DNA لتضخيمها.
4- النوكليوتيدات الحرة (dNTPs): وهي الكتل الأساسية لتكوين الـ DNA والتي تضاف إلى الشريحة المراد تضخيمها.
5- العينة المراد تضخيمها: وهي العينة التي يتم جمعها من المريض أو العينة الوراثية التي تحتاج إلى تحليل.
بالإضافة إلى هذه المكونات الرئيسية، يتم استخدام مواد وملحقات مختلفة أخرى لتحسين عملية PCR وتحسين جودة النتائج، مثل المؤثرات الكيميائية التي تستخدم لتحسين معدلات التضخيم وتقليل الأخطاء، والتنظيفات والتحضيرات المسبقة، والمواد الكاشفة التي تستخدم لتحليل النتائج وتحديد الهوية الجينية للعينات.
📍تتم عملية التكرار الحراري في الجهاز وفقاً لثلاث خطوات رئيسية:
1- الإنصهار (Denaturation): يتم في هذه الخطوة رفع درجة الحرارة في المحلول المراد تكراره إلى حوالي 94-96 درجة مئوية، مما يؤدي إلى فك ارتباط الشريطة المزدوجة من الـ DNA إلى شريطتين منفصلتين.
2- التصاق (Annealing): تخفض درجة الحرارة في المحلول إلى حوالي 50-65 درجة مئوية، مما يتيح الفرصة للأسلاك التكرارية الخاصة بالإسفنج المستخدمة في الجهاز (البرايمرات) للاتصال والالتصاق بجزيئات الـ DNA المفترض تكرارها.
3- التمدد (Extension): يتم رفع درجة الحرارة في المحلول مرة أخرى إلى حوالي 72 درجة مئوية، ويتم في هذه الخطوة استخدام إنزيم البوليمراز لربط الشريطتين المنفصلتين معًا وتحويلها إلى شريطة واحدة، وتتكرر هذه الخطوات بشكل متكرر في دورات الحرارة المتعددة حتى يتم تضخيم الحمض النووي بالشكل المطلوب.
يعد جهاز PCR أساسيًا في العديد من تطبيقات الأبحاث العلمية والتشخيص الطبي والصناعات الحيوية، حيث يتيح هذا الجهاز إمكانية إنتاج نسخ من الجينوم المستهدف بكميات كبيرة وبسرعة عالية، ويساعد في فهم العديد من الظواهر الجزيئية
يمكن استخدام جهاز PCR في تحليل العينات الحيوية للكشف عن الأمراض المختلفة والتحقق من وجود الفيروسات والبكتيريا والطفيليات والفطريات والجينات المسؤولة عن الأمراض الوراثية. ويمكن استخدامه أيضًا في البحوث العلمية لدراسة تفاعلات الجينات وتحليل التركيب الجيني للكائنات الحية.
يعتمد جهاز PCR على مفهوم تضاعف الحمض النووي بطريقة متسلسلة باستخدام الإنزيم الحراري الناقل للأمثلة الريبوزي (RT-PCR) وتقنيات البوليمرةز المستقلة (qPCR) وPCR الرقمي (dPCR). يتضمن العملية تسخين العينة إلى درجة حرارة محددة لفصل سلسلة محددة من الحمض النووي الريبوزي (RNA) أو الحمض النووي الريبوزي المتشابه (cDNA) والموجودة في العينة. ثم يضاف بعض الكميات من النواقل والأسلاك والمواد الكيميائية الأخرى المطلوبة لبناء سلسلة جديدة من الحمض النووي، والتي تتم تضاعفها بطريقة متسلسلة لتوليد كميات كبيرة من الحمض النووي المستهدف.
يمكن استخدام جهاز PCR لأغراض متعددة، بما في ذلك تشخيص الأمراض الجينية والأمراض المعدية وتحليل النماذج الوراثية وتعقب الأنواع وتحديد العلاقات الوراثية وتطوير اللقاحات والأدوية وتحديد الهوية الجنسية والأصل الجيني. كما يمكن استخدام جهاز PCR في الطب الشرعي والتراث والتاريخ لتحديد الهوية والأصل والنسب والتاريخ الزمني للعينات الحيوية.
.
هناك عدة مواد كاشفة يمكن استخدامها لتحليل نتائج عملية PCR وتحديد الهوية الجينية للعينات، وتشمل بعض هذه المواد الكاشفة:
1- الجيل الكهربائي (Agarose Gel Electrophoresis): وهو عملية تستخدم لفصل وتحديد حجم الشرائح المختلفة من الـ DNA التي تم تضخيمها باستخدام PCR.
2- الـ DNA sequencing: وهو عملية تستخدم لتحديد ترتيب القواعد النيتروجينية في سلسلة الحمض النووي المتضخم، ويتم استخدامها عادةً لتحديد التغييرات الجينية أو الطفرية في الجينوم.
3- رد فعل التصوير البيولوجي (Bioimaging): وهو عملية تستخدم لتحديد وجود وكمية الشرائح المختلفة من الـ DNA التي تم تضخيمها، وتشمل بعض تقنيات الرد فعل التصوير البيولوجي الشائعة تقنية الـ SYBR Green وتقنية الـ Ethidium Bromide.
4- التحليل الجيني (Genotyping): وهو عملية تستخدم لتحديد الهوية الجينية للأفراد أو العينات الوراثية، ويتم تحليل الشرائح المختلفة المتضخمة باستخدام PCR باستخدام تقنيات مختلفة مثل تقنية الـ Single Nucleotide Polymorphism (SNP) وتقنية الـ Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) وتقنية الـ Variable Number Tandem Repeat (VNTR).
يمكن استخدام أي من هذه المواد الكاشفة بناءً على الغرض من عملية PCR والنتائج المطلوبة، ويتم تحديد الطريقة الأنسب لتحليل النتائج بناءً على النمط الجيني المطلوب دراسته والمعلومات المتاحة المتعلقة بالعينة المراد تحليلها.
هناك عدة أنواع من تقنية PCR، ومن بين الأنواع الشائعة:
1- PCR التقليدية (Conventional PCR): وهي الأكثر استخدامًا وتستخدم لتضخيم جزء من الـ DNA وليس الـ DNA بأكمله.
2- PCR في الوقت الحقيقي (Real-Time PCR): وهي تقنية تستخدم لقياس كمية الـ DNA المفرزة خلال عملية PCR بشكل مستمر، وتستخدم بشكل شائع في تحليل الـ RNA والتشخيص الجيني.
3- PCR التحويلية (Transcription-Mediated PCR): وهي تقنية تستخدم لتضخيم جزء من الـ RNA وتحويله إلى الـ DNA.
4- PCR المقلوب (Reverse Transcriptase PCR): وهي تقنية تستخدم لتحويل الـ RNA إلى الـ cDNA ومن ثم تضخيمه باستخدام التقنية التقليدية للـ PCR.
5- Nested PCR: وهي تقنية مشابهة للتقنية التقليدية للـ PCR، ولكنها تستخدم إطارين مختلفين لتضخيم نفس الـ DNA.
6- Multiplex PCR: وهي تقنية تستخدم لتضخيم عدة أهداف للـ DNA في نفس الوقت، وتستخدم في التشخيص الجيني وتحليل العينات المتعددة.
7- Inverse PCR: وهي تقنية تستخدم لتحديد الجزء المجاور لجزء معين من الـ DNA، وتستخدم لتحديد الجينومات المجهرية وتحليل الإدخال الجيني.
هذه بعض الأنواع الشائعة من تقنية PCR، وتختلف هذه الأنواع في الطريقة المستخدمة للتضخيم والأهداف المستهدفة.
تختلف الأهداف المستهدفة في كل نوع من تقنية PCR، وفيما يلي نظرة عامة على الأهداف المستهدفة لبعض الأنواع الشائعة من تقنية PCR:
1- PCR التقليدية (Conventional PCR): تستخدم لتضخيم جزء من الـ DNA وليس الـ DNA بأكمله، وتستخدم في تشخيص الأمراض والتحليل الجيني وتحليل العينات الجرثومية.
2- PCR في الوقت الحقيقي (Real-Time PCR): تستخدم لقياس كمية الـ DNA المفرزة خلال عملية PCR بشكل مستمر، وتستخدم بشكل شائع في تحليل الـ RNA والتشخيص الجيني وتحليل العينات المتعددة.
3- PCR التحويلية (Transcription-Mediated PCR): تستخدم لتضخيم جزء من الـ RNA وتحويله إلى الـ DNA، وتستخدم في تحليل الـ RNA وتشخيص الأمراض المرتبطة بالـ RNA.
4- PCR المقلوب (Reverse Transcriptase PCR): تستخدم لتحويل الـ RNA إلى الـ cDNA ومن ثم تضخيمه باستخدام التقنية التقليدية للـ PCR، وتستخدم في تحليل الـ RNA وتشخيص الأمراض المرتبطة بالـ RNA.
5- Nested PCR: تستخدم إطارين مختلفين لتضخيم نفس الـ DNA، وتستخدم في تحليل الـ DNA وتشخيص الأمراض وتحليل العينات المتعددة.
6- Multiplex PCR: تستخدم لتضخيم عدة أهداف للـ DNA في نفس الوقت، وتستخدم في التشخيص الجيني وتحليل العينات المتعددة.
7- Inverse PCR: تستخدم لتحديد الجزء المجاور لجزء معين من الـ DNA، وتستخدم في تحديد الجينومات المجهرية وتحليل الإدخال الجيني.
هذه بعض الأهداف المستهدفة في كل نوع من تقنية PCR، ويتم استخدام الأنواع المختلفة من تقنية PCR بناءً على الغرض المحدد والعينة المراد تحليلها.
تقنية PCR هي تقنية حيوية مستخدمة لتضخيم الحمض النووي الريبي (RNA) أو الحمض النووي الريبوزي (DNA) الموجود في عينة معينة. تتضمن PCR مجموعة من الأهداف المستهدفة التي يتم تحقيقها باستخدام تقنية معينة. ومن بين الأهداف الرئيسية التي تحققها تقنية PCR هي:
1- تشخيص الأمراض: تستخدم تقنية PCR لتشخيص الأمراض الفيروسية والجرثومية والوراثية والأورامية.
2- الأبحاث الجينية: تستخدم تقنية PCR في الأبحاث الجينية لدراسة الوراثة والتطور وتحديد المورثات المسؤولة عن الخصائص الفيزيولوجية والتصرفات الخلوية والنمو.
3- الجريمة: تستخدم تقنية PCR في الجرائم والتحقيقات الجنائية لتحليل العينات الجنائية وتحديد هوية المشتبه به.
4- الزراعة: تستخدم تقنية PCR في الزراعة لتشخيص الأمراض النباتية والحيوانية وتحديد النوع والجنس والأصل الوراثي للأحياء المجهرية.
5- الجينوميات: تستخدم تقنية PCR في الجينوميات لتحليل الجينات والمورثات والتغيرات الوراثية.