هل فكرت يومًا في كيفية معرفة الشرطة للقاتل أو السارق من خلال الأشياء البسيطة التي يتركها خلفه من: قصاصات الشعر أو من نقطة دم واحدة في مسرح الجريمة؟ هل سألت نفسك لماذا يطلب الأطباء تحليل (PCR) لتقييم حالة المصابين بالأمراض الفيروسية؟ أو تساءلت عمَّا هو هذا التحليل وما فائدته؟ هل في إمكانك أنت أنْ تصنع لنا ما في استطاعته أن يقوم بصناعة ملايين النسخ من الحمض النووي في دقائق معدودة؟ كل هذا وأكثر أصبح سهلًا مع تطور العلم وظهور تقنية PCR.

بدايةً ما هو (تفاعل البوليميراز المتسلسل –Polymerase chain reaction)؟

تفاعل البوليميراز المتسلسل هو تفاعل معملي يُسْتَخْدَم من أجل صناعة ملايين النسخ من عيناتِ الحمض النووي المراد زيادتها، وذلك من أجلِ مزيدٍ من الدراسات والأبحاث أو حتى التشخيص الطبي، وتعتمد هذه التقنية بشكلٍ أساسي على الاستعانة بـ(إنزيم البوليمريز – Polymerase Enzyme) لما له من قدرة هائلة على تصنيع صورة طبق الأصل لأي نسخة من الحمض النووي عن طريق وضع (النيوكليوتيدات – Nucleotides) الواحدة تلو الأخرى.

تحدث هذه العملية داخل الجسم بصورة مستمرة وتلقائية عن طريق الاستعانة ببعض الإنزيمات الأخرى، لكن عندما نقوم بتفعيل هذه الخاصية في المعامل (In Vitro) يشترط لنا وجود المشرِّع* أو ما يعرف بالـ(Primer) نظرًا لعدم قدرة الإنزيم على وضع النيوكليوتيدات بمفرده، ولهذا أصبح في إمكاننا تضخيم أجزاء معينة من الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين، وذلك عن طريق: تصميم المُشرع كيفما نشاء، أو من الحمض النووي الريبوزي بعد بعض العمليات الأخرى من أجل تحويله لـ(الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين المتمم – cDNA or Complementary DNA) وبالكمية التي نريد^[1,2].

*المشرِّع: هو تسلسل واحد صغير من الحمض النووي، يتكون البادئ من الأوليغونيكليوتيدات المُصنَّعة كيميائيًا في المعمل لجزءٍ محدد يريد الباحث أو الفني اِستخدامه كنقطة للبداية، وذلك لعدم قدرة البوليميريز على صناعة سلسلة جديدة من لا شيء، ومن هنا أصبح في إمكاننا القيام بتكبير جزء محدد من أي سلسلة ملايين المرات بعد انتهاء العملية^[3,4].

ما هي خطوات هذه التقنية و ما هي متطلباتها؟

يعتمد الجهاز الذي يقوم بالعملية السابق ذكرها على الحرارة بصورة كبيرة، كما أنَّ متطلباته بسيطة للغاية فكل ما نحتاج إليه هو^[2,5]:
– شريط الحمض النووي الذي يود الباحث أن يقوم بنسخه واِستخدامه كقالب للطباعة (ربما كان المراد هو جزء صغير جدًا ومحددًا للغاية على الحمض النووي).
– المشرِّع أو البادئ (Primer)، وذلك من أجل وضع حجر الأساس، لكي يعطي البوليميراز إشارة البداية، فكما ذكرنا من قبل لا يستطيع الـ(DNA polymerase) أن يضع القواعد النيتروجينية من العدم، بل يتطلب وجود المشرِّع.

– إنزيم البوليميراز (Polymerase enzyme)، ونظرًا لوصول التفاعل إلى درجات حرارة مرتفعة للغاية قد تصل إلى 95 درجة مئوية، تطلب منّا الأمر اِستخدام نوع معين من هذا الإنزيم، والذي يتحلى بالقدرة الفائقة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة؛ لذلك وجد العلماء أن الـ(Taq polymerase) هو الأكثر ثباتًا في هذه الظروف نظرًا لوجوده بالأساس لدى بكتيريا تعيش في الينابيع الحارة تعرف ب(Thermusaquaticus).

– القواعد النيتروجينية أو حجر الأساس والمعروفة بـ(أدينين، جوانين، ثايمين، سايتوسين).

– محلول مُنظِم (Buffer solution)، من أجل ثبات العملية والوصول لأفضل النتائج الممكنة.

بعد جمع جميع المتطلبات، تُخلط هذه الأشياء معًا في أنبوبٍ خاص، ثمَّ يُوضع الأنبوب في الجهاز المخصص للعملية أو ما يعرف بالـ(Thermo-cycler) وهو جهاز مُصَمّم ومبرمج على نظام معين وفقًا للعديد من المتطلبات والعوامل: من رفع وخفض درجات الحرارة، الوقت المطلوب وعدد النسخ المراد تصنيعها.

1- يبدأ الجهاز برفع درجة حرارة الخليط حتى تصل إلى 96 مئوية؛ ليتم تكسير الروابط بين شريطي الحمض النووي وتحويلهم إلى شريطين مفردين كل منهما قالب منفرد.

2- بعد التغيير من طبيعة الحمض النووي، يقوم الجهاز بتبريد درجة الحرارة لتتراوح بين (55-65)، وعندها يرتبط المُشرِّع بشريط الDNA، ويبدأ إنزيم الـ(DNA polymerase) في هذه المرحلة بنسخ أشرطة جديدة من الDNA تحتوي على تتابع النيوكليتيدات الخاصة بالمُشرِّع.

في نهاية كل دورة، يكون كل جزيء DNA  يحتوي على شريط قديم وآخر جديد، ويعمل كل شريط جديد كقالب في الدورة التالية.[2]

مع الوقت تطورت هذه العملية وأصبح هنالك العديد من الأنواع والاِستخدامات، وكمثالٍ على ذلك:

تفاعل البوليميراز المتسلسل باِستخدام إنزيم النسخ العكسي أو ما يعرف في الإنجليزية بـ(Reverse transcription PCR | RT-PCR)والذي يعتمد على إنزيم النسخ العكسي (Reverse transcriptase enzyme) من أجل تصنيع (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين المتمم – cDNA or Complementary DNA) من الRNA.

ولهذه التقنية دورٌ عظيم في الكشف عن الفيروسات؛ نظرًا لأن الأغلبية العظمى تمتلك جينوم يعتمد على الRNA.

*ملحوظة: يجب ألا تختلط عليك الأمور، فهنالك فرق كبير بين ال(Reverse transcription PCR)، وال(Real time PCR) تفاعل البوليميراز المتسلسل اللحظي والذي يتم اختصاره إلى (qPCR).

والآن وبعد أن عرفنا أساسيات الموضوع، لما لا نلقي نظرة تصورية عن كثب من أجل المزيد من التوضيح؟

للوصول للمقطع التوضيحي برجاء الضغط على الرابط التالي: https://goo.gl/iblPPi

إعداد: Mahmoud Ahmed

مراجعة علمية:  Tawfik Atef – Nesma El Mohamady

تصميم : Tawfik Atef

مراجعة لغوية: Mahmoud ELdaoshy

المصادر:

1. https://goo.gl/ZRSQTb
2. https://goo.gl/Jifa1x
3. https://goo.gl/dC8oxE
4. https://goo.gl/a15NKM
5. https://goo.gl/LhPlxn
6. https://goo.gl/a15NKM