دزآزما

آموزش بیوشیمی بالینی

واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR)

16 مارس 12

واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR)

در بیولوژی مولکولی، واکنش زنجیره ای پلی مراز یا PCR، بمنظور تکثیر یک قطعه DNA مورد استفاده قرار میگیرد. تکنیک PCR در سال 1984 توسط کری مولیس (Kary Mullis) ارائه شده است. در این تکنیک، یک مولکول DNA میلیونها بار تکثیر میشود. در روش PCR سیکل های دمایی (Cycle) ایجاد میشود. در ابتدا با ایجاد حرارت و رساندن  دمای محلول  به نقطه ذوب DNA، دو رشته DNA از هم جدا میشوند. در مرحله بعد با کاهش دما یک آنزیم DNA پلیمراز فعال شده، عمل همانند سازی (Replication) را انجام میدهد. DNA پلیمراز آنزیمی است که با استفاده از نوکلئوتیدها (مصالح ساختمانیDNA)،  رشته الگو(DNAی مورد مطالعه) و یک قطعه پرایمر قادر به همانند سازی است. صحت نتایج PCR بستگی به انتخاب پرایمر مناسب دارد. پرایمرها قطعات کوچک پلی نوکلئوتیدی هستند و در آزمایشگاه به گونه ای طراحی و سنتز شده اند که دارای سکانس نوکلئوتیدی مکمل با ناحیه َ3 در  مولکول DNAی مورد نظر هستند. بنابر این بطور اختصاصی فقط به این مولکولها متصل شوند. چون آنزیم DNA پلیمراز به قطعات پرایمر متصل میشود، در نتیجه فقط مولکول DNAی هدف همانند سازی و تکثیر میگردد. با اعمال تغییرات دمایی بطور متوالی و برنامه ریزی شده، روند PCR تکرار گردیده و در هر مرحله DNA دو برابر میشود. بنابر این تعداد مولکولهای DNA بصورت تصاعدی و به نسبت n2 افزایش می یابد که n  تعداد سیکل های دمایی است. مثلا یک مولکول DNA، پس از 20 سیکل به 1.047.586 مولکول تکثیر میشود. در مرحله همانند سازی، برای جدا نگهداشتن دو رشته DNA، باید دمای محلول بالا باشد. بنابر این از یک نوع آنزیم DNA پلیمراز مقاوم به حرارت استفاده میشود. اولین آنزیمی که بدین منظور مورد استفاده قرار گرفت Taq polymerase بود که از باکتری ترموس آکواتیکوس(Thermus aquaticus) بدست می آید.

امروزه PCR بعنوان یک ابزار مهم در فعالیتهای تحقیقاتی و بالینی محسوب میشود. بعضی از کاربردهای PCR عبارتند از: کلونینگ DNA بمنظور تعیین توالی، فیلوژنی بر اساس DNA (آنالیزعملکردی ژنها)، تشخیص بیماریهای ارثی، انگشت نگاری ژنتیکی (در تعیین والدین و جرم شناسی) و تشخیص بیماریهای عفونی. در سال 1993 به پاس ابداع تکنیک PCR، جایزه نوبل به کری مولیس اهداء گردید.

PCR برای تکثیر بخشهای خاصی از مولکول DNA مورد استفاده قرار میگیرد. این بخشها ممکن است یک ژن کامل، قسمتی از یک ژن یا سکانسهای بین ژنها باشند. در بسیاری از روشهای PCR، قطعات DNAی هدف حداکثر 10 کیلو جفت باز(kb) دارند. اگرچه در بعضی از روشهای خاص، قطعات بزرگتر حتی تا kb40 را هم میتوان تکثیر کرد. محلول PCR معمولا حاوی مواد زیر است:

1.  DNAی الگو: شامل DNAی هدف است که تکثیر میگردد.

2.  پرایمرهای Forward و Reverse: به گونه ای طراحی شده اند که هر یک مکمل ناحیه َ3 در یکی از رشته های DNA باشد.

3.  Taq polymerase یا DNA پلیمراز دیگری که دمای بهینه اش در حدود 70 درجه سانتیگراد باشد.

4.  دزوکسی نوکلئوزید تری فسفاتها (dNTPs): مصالح ساختمانی که توسط DNA پلیمراز برای ساختن رشته های DNAی جدید بکار میروند.

5.  محلول بافر: شرایط محیطی مناسبی را از نظر pH و یونهای مختلف ایجاد میکند تا پایداری DNA پلیمراز و فعالیت بهینه آن تامین شود.

6.  کاتیونهای دو ظرفیتی: یونهای منیزیم یا منگنز

7.  کاتیون یک ظرفیتی: یون پتاسیم

محلولPCR  معمولا به حجم 10 تا 200 میکرولیتر در لوله های کوچک 0.2 تا 0.5 میلی لیتر تهیه میشود. این لوله هل در بلوکهای مخصوصی در دستگاه ترموسایکلر قرار داده میشوند. ترمو سایکلر، طبق برنامه ریزی انجام شده، دمای لوله ها را در زمانهای مشخصی افزایش و کاهش میدهد تا مراحل مختلف PCR انجام شود. برای جلوگیری از تبخیر محلول (و در نتیجه افزایش غلظت در بخشهای بالائی محلول)، معمولا یک لایه روغن بر سطح محلول قرار داده مبشود. ولی در دستگاه های جدیدتر از درپوش های حرارتی استفاده میشود.

در روش PCR تغییرات دمائی(سیکل ها) بین 20 تا 40 بار تکرار میشود. تعداد سیکل ها با توجه به مقدار DNAی اولیه،  شرایط آزمایش و مقدار محصول مورد نیاز انتخاب میشود. دمای لوله ها و فواصل زمانی هم تابع عوامل مختلفی است از جمله: نقطه ذوب پرایمرها (Tm)، نوع DNA پلیمراز، غلظت یونهای دو ظرفیتی و غلظت dNTPها.

مراحل PCR:

1.  مرحله شروع (Initialization step): به مدت 1 تا 9 دقیقه دمای محلول به 94 تا 96 درجه (یا 98 درجه اگر پلیمرازها کاملا به حرارت مقاوم باشند) رسانیده میشود. این مرحله فقط برای DNA پلیمرازهایی ضروری است که نیازمند فعال شدن توسط حرارت در روشhot-start PCR هستند.

2.  مرحله واسرشت (Denaturation step): این مرحله اولین قسمت از سیکل های حرارتی منظم است و شامل حرارت دادن محلول به مدت 20 تا 30 ثانیه در دمای 94 تا 98 درجه است. در این مرحله بعلت گسستن پیوندهای هیدروژنی (بین نوکلئوتیدها)، DNAی الگو و پرایمرها از هم جدا میشوند و تک رشته های DNA حاصل میگردد.

3.  مرحله اتصال (Annealing step): دمای محلول به مدت 20 تا 40 ثانیه به 50 تا 65 درجه کاهش می یابد. در این مرحله پرایمرها به تک رشتهای DNAی الگو متصل میشوند. بطور طبیعی، دمای اتصال (Annealing temperature) در حدود 3 الی 5 درجه پائین تر از نقطه ذوب پرایمرها است. پیوندهای هیدروژنی پایدار فقط زمانی شکل میگیرد که سکانس پرایمر و رشته الگو مکمل یکدیگر باشند. آنزیم پلیمراز پس از اتصال به هیبرید پرایمر-الگو، همانند سازی DNA را آغاز میکند.

4.  مرحله طویل شدن (Extension/elongation step): دمای محلول در این مرحله باید متناسب با نوع DNA پلیمراز مورد استفاده باشد. دمای اپتیمم برای آنزیم Taq polymerase حدود 75 الی 80 درجه است که معمولا دمای 72 درجه انتخاب میشود. در این مرحله آنزیمDNA پلیمراز با استفاده از dNTP های موجود در محلول، یک رشته DNAی جدید را در جهت َ5 به َ3 و در مقابل رشته های الگو میسازد.مدت زمان این مرحله نیز باید متناسب با نوع DNA پلیمراز و طول رشته DNA باشد. در دمای بهینه، DNA پلیمراز در هر دقیقه، یک هزار باز را پلیمریزه مینماید. در مرحله طویل شدن در صورت وجود سوبسترای کافی و تامین شرایط بهینه، مقدار DNA در محلول PCR دو برابر میشود. بنابر این در هر سیکل PCR، غلظت DNA بصورت تصاعدی افزایش می یابد.

5.  مرحله طویل شدن نهایی (Final elongation): این مرحله، پس از آخرین سیکل PCR، به مدت 5 الی 15 دقیقه در دمای 70 الی 74 درجه انجام میشود، تا اطمینان حاصل شود که همه تک رشته های DNA همانند سازی شده اند.

6.  نگهداری نهایی (Final hold): در این مرحله، محلول نهایی به مدت کوتاهی در دمای 4 الی 15 درجه قابل نگهداری است.

7.  الکتروفورز در ژل آگارز: نهایتا میتوان محصولات PCR را بر روی ژل آگارز و همراه با مارکر وزن مولکولی(DNA lader که حاوی قطعات DNA با اندازه های مشجص است) الکتروفورز نمود، تا صحت انجام PCR بررسی شود.

کاربردهای PCR

1.  تشخیص بیماریها: از روش PCR برای بررسی بسیاری از بیماریها استفاده میشود. مثلا در تشخیص بدخیمی هایی نظیر لوسمی (leukemia) و لنفوم (lymphomas)، سنجش PCR مستقیما بر روی DNAی ژنومی انجام میشود تا تغییر در بیان ژنها بررسی گردد. حساسیت این روش ده هزار برابر روشهای معمول است. PCR را میتوان بمنظور شناسائی میکروارگانیسمهایی بکار برد که قابل کشت نیستند و یا سرعت رشد آنها در محیط کشت خیلی کند است از جمله میکوباکتریها (mycobacteria)، باکتریهای غیر هوازی (anaerobic bacteria) و ویروسها (viruses). در مطالعات میکروبیولوژی از روش PCR برای شناسائی عوامل عفونت زا و تشخیص گونه های پاتوژن از غیر پاتوژن نیز استفاده میشود. بدین منظور ژنهای خاصی رهگیری و تعیین مقدار میشوند. بدلیل حساسیت بالای PCR، میتوان بلافاصله پس از عفونت و قبل از ظهور بیماری، وجود میکروارگانیسمها را بررسی و اقدامات درمانی را آغاز کرد.

2.  تحقیقات جنایی (forensic analysis): در صحنه جرم، معمولا مقدار DNA بسیار کم است. بنابر این با روش PCR میتوان تکثیر DNA را انجام داد تا مقادیر کافی از مولکولهای ژنتیکی بدست آید. سپس ماهیت DNA بررسی میشود.

3.  انگشت نگاری ژنتیک (genetic fingerprinting): با روش PCR میتوان با توجه به ماهیت DNA به هویت اشخاص پی برد. بعنوان مثال والدین را شناسائی کرد و یا رابطه ژنتیکی افراد را بررسی نمود. همچنین رابطه تکاملی موجودات زنده نیز با روش انگشت نگاری ژنتیکی قابل مطالعه است.

4.   بررسی DNA قدیمی (ancient DNA): با روش PCR، مولکولهای DNA بسیار قدیمی حتی متعلق به ده ها هزار سال قبل مورد  مطالعه قرار گرفته است. مثلا DNA یک ماموت از چهل هزار سال قبل، مومیایی های مصری و تزار روسیه با این تکنیک بررسی شده است.

5.   جداسازی DNAی ژنومی: با روش PCR میتوان بخشهایی از DNAی ژنومی را انتخاب و پس از جداسازی تکثیر نمود. مثلا برای کلونینگ DNA و یا تولید شاخصهای دورگه سازی (hybridization probes) در روشهای Southern و Northern، مقادیر زیادی از DNA مورد نیاز است که با روش PCR قابل تهیه است. همجنین در مواردی که حجم نمونه اولیه بسیار کم باشد، با روش PCR میتوان DNAی موجود را تکثیر کرد و سپس مورد مطالعه قرار داد.

6.   تعیین توالی DNA (DNA sequencing): پس از تکثیر DNA با روش PCR، میتوان توالی نوکلئوتیدی را تععیین کرد و در صورت لزوم به پلاسمید باکتری یا DNAی کروموزومی در یوکاریوتها الحاق نمود و بدین ترتیب DNAی نوترکیب (recombinant DNA) ایجاد کرد. حتی در مرحله بعد میتوان سریعا با استفاده از PCR، کلنی های باکتری را از نظر وجود این DNAی نوترکیب مورد بررسی قرار داد.

انواع PCR

با ایجاد تغییراتی در تکنیک PCR، زمینه های کاربرد وسیعی ایجاد شده است. بعضی از انواع PCR بطور خلاصه بشرح زیر است:

1.  Allele-specific PCR: بمنظور بررسی تغییر در فقط یک نوکلئوتید (single-nucleotide polymorphisms) در تشخیص بیماریها و کلونینگ DNA بکار میرود.

2.  Assembly PCR یا (Polymerase Cycling Assembly:PCA): یک روش آزمایشگاهی برای سنتز مولکولهای DNAی بزرگ  است. بدین منظور از الیگونوکلئوتیدهایی استفاده میشود که همپوشانی دارند.

3.  Asymmetric PCR: در این روش فقط یکی از دو رشته DNA تکثیر میشود. پلی نوکلئوتیدهای حاصل بمنظور تعیین توالی یا تولید شاخص های دو رگه مورد استفاده قرار میگیرند.

4.  Helicase-dependent amplification: در این تکنیک برای جدا کردن دو رشته DNA، بجای حرارت از آنزیم هلیکاز      (DNA Helicase) استفاده میشود.

5.  Hot-start PCR: برای جلوگیری از تکثیر DNAهای ناخواسته مخصوصا در مراحل اولیه PCR استفاده میشود. بدین منظور قبل از افزودن پلیمراز، دمای محلول به نقطه ذوب (مثلا 95 درجه) رسانده میشود.

6.  Intersequence-specific PCR: برای انگشت نگاری DNA از طریق تکثیر مناطق بین سکانسهای تکراری بکار میرود.

7.  Inverse PCR: کاربرد این تکنیک زمانی است که فقط یک سکانس داخلی شناسایی شده است.

8.  Ligation-mediated PCR: در این روش از DNAهای رابط کوچک (small DNA linkers)  که به DNAی مورد نظر متصل شده اند، استفاده میشود. کاربرد این روش در تعیین توالی DNA (DNA sequencinggenome walking و DNA footprinting است.

9.  Methylation-specific PCR: این تکنیک توسط Stephen Baylin  وJim Herman در دانشکده پزشکی دانشگاه جان هاپکینز ابداع شده است و بمنظور بررسی متیلاسیون در قطعات CpG (CpG islands) در DNAی ژنومیک بکار میرود.

10.     Miniprimer PCR: در این روش از یک نوع پلیمراز جدید بنام(S-Tbr)  استفاده میشود که قادر است به پرایمرهای کوچک 9 یا 10 نوکلئوتیدی(smalligos) متصل شود. در حالیکه Taq به پرایمرهای بزرگتری متصل میشود که حدود 20 نوکلئوتید دارند. بنابر این با استفاده از S-Tbr، پرایمرهای کوچکتری را میتوان طراحی کرد.

11.     Multiplex Ligation-dependent Probe Amplification: در این روش با استفاده از یک جفت پرایمر، میتوان چند نوع DNAی مختلف را تکثیر کرد.

12.     Multiplex-PCR: در این تکنیک از چند پرایمر در یک محلول PCR استفاده میشود و آمپلیکونهایی (amplicons) تهیه میشود که اندازه های متفاوتی دارند و مختص DNAهای مختلفی هستند. با هدف قرار دادن چندین ژن در یک محلول PCR، میتوان با آزمایشات کمتر و زمان کوتاهتر، اطلاعات بیشتری جمع آوری کرد.

13.     Nested PCR: در این روش از تکثیر DNAی ناخواسته جلوگیری شده اثرات زمینه ای کم میشود. بدین ترتیب در فرآیند تکثیر DNAی هدف، اختصاصی بودن (specificity) افزایش می یابد.

14.     Quantitative PCR : این تکنیک برای بررسی وجود DNA، cDNA یا RNA و همچنین تعیین غلظت آنها یکار میرود. یکی از شاخه های مهم این تکنیک Quantitative real-time PCR است که از نظر صحت (accuracy) در بالاترین سطح قرار دارد و در آزمایشگاه های تشخیص بالینی کاربرد وسیعی یافته است. در روش Q-PCR برای تعیین غلظت DNA از رنگهای فلورسانس (نظیر Sybr Green) یا شاخصهای DNAی فلورسانس (نظیر TaqMan) استفاده میشود.

15.     RT-PCR: این نوع از PCR بمنظور شناسایی، استخراج یا تکثیر RNA از نمونه های سلول یا بافت مورد استفاده قرار میگیرد. در این تکنیک از ترانس کریپتاز معکوس (reverse transcriptase) برای تبدیل RNA به cDNA استفاده میشود.

16.     TAIL-PCR: برای جداسازی سکانس های ناشناخته ای بکار میرود که متصل به یک سکانس شناخته شده اند.

17.     Touchdown PCR: یک نوع تغییر یافته از PCR است که موجب کاهش اثرات زمینه ای و غیر اختصاصی میشود. در این روش برنامه PCR به گونه ای طراحی میگردد که در طی سیکل های متوالی، بتدریج دمای مرحله اتصال (Annealing step) کاهش می یابد. بدین ترتیب که در سیکل های ابتدائی، دما در حدود 3 الی 5 درجه بالاتر از Tm پرایمر و در سیکلهای انتهایی در حدود 3 تا 5 درجه پائینتر از Tm پرایمر تنظیم میشود.

18.     PAN-AC: در این تکنیک، سلولهای زنده مورد مطالعه قرار میگیرند. به همین دلیل تکثیر DNA در دمای ثابت انجام میشود.

کیتهای PCR

در سایت PrimerDesign کیتهای متعددی برای تشخیص عوامل پاتوژن به روش real-time PCR،  به شرح زیر معرفی شده است:

Acinetobacter baumannii

Adenovirus Type B

Adenovirus Type C

Adenovirus Type F and G

Aggregatibacter actinomycetemcomitans

Aspergillus all pathogenic subtypes

Avian adenovirus: Egg Drop Syndrome

Avian influenza: H5N1

Bacteria Hemorrhagic Septicemia

Bifidobacterium

Bordetella pertussis

Botrytis cinerea

Bovine herpesvirus 1

Bovine leukemia virus

C.fetus-venerialis

Campylobacter Coli

Campylobacter fetus

Campylobacter jejuni

Candida albicans

Klebsiella pneumoniae

Chikungunya

Chlamydia

Chlamydophila pneumoniae

Clostridium difficile

Corynebacterium diphtheriae

Crimean Congo Haemorragic Fever Virus

Cryptosporidium

Dengue Virus subtypes 1,2 3 and 4

Enterococcus faecalis

Enterococcus faecium

Enterovirus

Human Influenza A virus

Escherichia coli

Eubacteria

Sin Nombre

Gardia lamblia

Gonorrhoeae

Grass Carp Reovirus

Haemophilus influenzae

Helicobacter Pylori

Hepatitis A Virus

Hepatitis B Virus

Hepatitis C Virus

Hepatitis Delta Virus

Human Herpes Virus 1: Herpes simplex type 1

Human Herpes Virus 2: Herpes simplex type 2

Human Herpes Virus 3: Varicella-Zoster

Human Herpes Virus 4:Epstein Barr

Human Herpes Virus 5: Cytomegalovirus

Human Herpes Virus 6

Human Herpes Virus 8: Kaposi Sarcoma

Human Immunodeficiency Virus type 1

Human Immunodeficiency Virus type 2

Human influenza A virus: subtype H1

Human influenza A virus: subtype H3

Human influenza A virus: subtype H6

Human influenza A virus: subtype H7

Human influenza A virus: subtype H9

Human influenza B virus

Human Metapneumovirus

Human Papillomavirus 11

Human Papillomavirus 16

Human Papillomavirus 18

Human Papillomavirus 33

Human Papillomavirus 52 and 52b

Human Papillomavirus 58

Human Papillomavirus 6

Human Parainfluenza virus type 1

Human Parainfluenza virus type 2

Human Parainfluenza virus type 3

Human Parvovirus B19

Human Rhinovirus: all subtypes, generic

Human Rhinovirus subtype 16

Human Rhinovirus subtype 1B

Infectious Bursal Disease Virus

Japanese encephalitis virus

Legionella all species

Leishmania infantum

Leptospirosis

Listeria monocytogenes

Listeria monocytogenes

M. avium subsp. paratuberculosis

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus

Mycobacterium Tuberculosis

Mycoplasma pneumoniae

Neisseria meningitidis

Polyomavirus BK

Polyomavirus JC

Porphyromonas gingivalis

Pseudomonas aeruginosa

Respiratory Syncytial Virus type A

Respiratory Syncytial Virus type B

Salmonella enterica

Shigella

Legionella pneumophila

Spring Viremia of Carp Virus

Staphylococcus epidermidis

Streptococcus mutans

Streptococcus pneumoniae

Streptococcus pneumoniae

Streptococcus pyogenes

Swine flu Brucella

Toxoplasma gondii

Treponema pallidum

Trichomonas vaginalis

Tritrichomonas foetus

Vibrio cholerae



روش های تحقیق در بیوشیمی

16 مارس 10
فلوریمتری
فلورسانس اسپکتروسکوپی (اسپکتروفلوریمتری یا فلوریمتری) نوعی اسپکتروسکوپی الکترومغناطیسی است که خاصیت فلورسانس را در نمونه های مورد مطالعه، بررسی مینماید. در این تکنیک از یک اشعه نورانی با شدت مشخص، برای تحریک الکترونها استفاده میشود. در نتیجه الکترونها به سطوح بالاتر انرژی منتقل میشوند. در بعضی از مولکولها، بازگشت الکترونها به سطح انرژی اولیه، همراه با تشعشع فلورسانس است. با اندازه گیری شدت نور فلورسانس میتوان غلظت، خواص یا بر هم کنش مولکولها را مورد مطالعه قرار داد. فلوریمتری کاربرد وسیعی در بیوشیمی و پزشکی دارد. این تکنیک برای اندازه گیری بیومولکولها و تومور مارکرها و همچنین درتشخیص انواع سرطانها و تومورهای خوش خیم نیز مورد استفاده قرار میگیرد.

اسپکتروفتومتری

در روشهاي اسپکتروفتومتری (طيف سنجي)، تاثیر محلولها بر امواج الكترومغناطيسي مورد مطالعه قرار میگیرد. محدوده طيف الكترومغناطيس میتواند از اشعه ماوراء بنفش تا امواج راديويي باشد.
مقدار نور جذب شده توسط محلول، تابع قوانين Beer وLambert است و از رابطه A=e lc محاسبه مي شود. طبق قانون بیر، هر گاه یک اشعه نور تک رنگ از درون محلولی با رنگ مکمل عبور کند، مقدار نور جذب شده توسط محلول، با غلظت آن نسبت مستقیم دارد. طبق قانون لامبرت، مقدار نور جذب شده توسط لایه های مختلف محلول همواره ثابت بوده و با شدت نور تابیده شده بستگی ندارد. بر اساس قوانین بیر و لامبرت رابطه بین غلظت محلول و نور جذب شده به صورت خطی است و معمولا در محدوده اي كه جذب با غلظت رابطه خطي دارد، تعيين غلظت مواد انجام مي شود.اگر غلظت نمونه و استاندارد به هم نزديك باشد و غلظتها هم در محدوده خطي باشند، مي توان با استفاده از تناسب محاسبات را انجام داد.
دستگاه اسپكتروفتومتر از دو بخش اسپكترومتر و فتومتر تشكيل شده است. اسپكترومتر بخشي است كه نور منوكروم را ايجاد كرده و داراي منبع نور، عدسي، شكافها، منوكروماتور (صافي یا منشور) مي باشد. بخش فتومتر داراي اسباب سنجش نور است.

فلیم فتومتری
فلیم به معنی شعله می باشد. اتمهای هر عنصر در اثر تحریک با انرژی حرارتی رنگ خاصي را در شعله ايجاد مي کنند. يعني طول موج خاصي ايجاد مي کنند که رنگ حاصل شده نيز ناشي از آن است. دستگاه فيلم فوتومتر نيز که يکي از ابزارهاي مهم آزمايشگاه هاي پزشکي است، بر همين اساس ايجاد شده است.
بخار حاوي نمک مورد نظر و همچنين اکسيژن، وارد شعله مي شود سپس نور حاصل توسط فيلتر رنگی و عدسي متمرکز شده و سپس توسط فوتو دتکتور، به ولتاژ تبديل مي شود، اين ولتاژ تقويت شده و به نمايش در مي آيد. طول موج هاي رنگي که معرف مواد مختلف است به صورت پيک هايي در نمودار حاصل، قابل بررسی و اندازه گیری است.
روش فلیم فتومتری معمولا برای اندازه گیری الکترولیتها و فلزاتی نظیر سدیم، پتاسیم ،لیتیم و کلسیم مورد استفاده قرار میگیرد

کروماتوگرافی
کروماتوگرافی (chromatoghraphy) ، در زبان یونانی متشکل از کلمات chroma یعنی رنگ و grophein یعنی نوشتن است. اولین روش‌ کروماتوگرافی در سال 1903 بوسیله میخائیل سوئت ابداع و نامگذاری شد. او از این روش برای جداسازی مواد رنگی استفاده کرد.
مارتین و سینج در سال 1952 به پاس اکتشافاتشان در زمینه کروماتوگرافی جایزه نوبل دریافت کردند.
کروماتوگرافی روشی برای جداکردن اجزای یک مخلوط است. مخلوط مورد مطالعه که معمولا به صورت مایع یا گاز است از یک لوله یا شبکه گذرانده می‌شود. در کروماتوگرافی دو فاز وجود دارد: فاز ثابت وفاز متحرک. جداسازی مواد بر اساس اختلاف در قدرت حل شوندگی آنها در فاز ثابت و متحرک است. بنابر این سرعت حرکت اجزای تشکیل دهنده مخلوط متفاوت است و در نتبجه مخلوط به اجزای تشکیل دهنده تفکیک میشود. ، فاز ثابت در واقع اجزای درون لوله یا شبکه جداسازی را تشکیل می دهد و فاز متحرک شامل حلال و ماده مورد مطالعه است. فاز ثابت می تواند مایع یا جامد باشد. انواع مرسوم کروماتوگرافی عبارتند از:

1. کروماتوگرافي ستوني Column Chromatography
2. کروماتوگرافي کاغذي Paper Chromatography
3. کروماتوگرافي نازک لايه Thin Layer Chromatography
4. کروماتوگرافي تعويض يوني Ion-Exchange Chromatography
5. کروماتوگرافي گازی Gas Chromatography

الکتروفورز
به سبب اینکه بسیاری از ماکرومولکول های زیستی باردار هستند، می‌توان با استفاده از یک میدان الکتریکی، آنها را بر اساس خواص فیزیکی مانند شکل فضایی، وزن مولکولی و بار الکتریکی، تفکیک کرد. روش های الکتروفورز مختلفی، برای تفکیک و مطالعه بیومولکول ها اعم از اسید های نوکلئیک یا پروتئین ها ابداع شده است. برخی از روشهای الکتروفورز رایج در آزمایشکاه ها بشرح زیر است:

الف) الکتروفورز روی کاغذ (PE) Paper Electrophoresis
ب) الکتروفورز در ژل آگارز (AGE) Agarose Gel Electrophoresis
ج) الکتروفورز روی استات سلولز (CAE) Cellulose Acetate Electrophoresis
د) الکتروفورز در ژل آکريل آميد (AGE) Acrylamid Gel Electrophoresis
ه) الکتروفورز در ژل نشاسته ) Starch Gel Electrophoresis (SGE
الکتروفورز در ژل کاربرد وسیعی دارد. در این روش از یک محیط نیمه جامد (ژل) به عنوان فاز ثابت استفاده می‌شود. الکتروفورز در ژل پلی‌اکریل آمید ( PAGE) PAGE دارای قدرت تفکیک بسیار بالائی بوده و برای تفکیک پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک به کار گرفته می‌شود. به منظور بررسی پروتئین ها با استفاده از PAGE، برای اینکه تفکیک فقط براساس وزن مولکولی انجام شود، به بافر ماده شیمیائی SDS (سدیم دو دسیل سولفات ) اضافه می‌شود. SDS مولکول بزرگی با بار منفی می‌باشد. این ماده باعث واسرشت شدن پروتئین ها شده و به آنها متصل می‌شود. به ازای هر دو اسید آمینه، یک مولکول SDS به پروتئین متصل می‌شود که باعث القاء بارمنفی متناسب با وزن مولکولی به پروتئین می‌شود. برای تفکیک اسیدهای نوکلئیک در صورت امکان از ژل آگارز استفاده می‌شود. تهیه ژل مزبور به مراتب سریعتر وآسانتر از ژل پلی اکریل آمید بوده و هزینه کمتری را در بر می‌گیرد.. برای تفکیک قطعات کوچک DNA دو رشته‌ای و قطعات DNA تک رشته‌ای از ژل پلی اکریل آمید استفاده می‌شود. قدرت تفکیک ژل های مزبور ارتباط مستقیمی با غلظت آنها دارد. برای مثال، برای تفکیک قطعاتی به اندازه 100 جفت باز از آگاروز 3% و برای قطعات حدود 2000 جفت باز از آگارز 8/0 % استفاده می‌شود.

سانتریفیوژ

روش سانتریفیوژ بر اساس نيروي گريز از مركز است. هر گاه جسمي با سرعت معيني حول يك محور دوران كند نيروئي در جسم متحرك و در جهت مماس بر مسير دوران و به سمت خارج از مركز ايجاد مي گردد كه به نيروي فراگريز يا گريز از مركز موسوم است و مقدار آن از رابطه F=MRW2 بدست می آید. R شعاع دوران، M جرم جسم، V سرعت خطي و W سرعت زاويه اي است. عوامل موثر در جداسازی ذرات عبارتند از:
1. جرم حجمی ذرات 2. شکل ذرات و 3. چگالی محلول
در دستگاه سانتریفوژ برای جدا کردن ذرات، مخلوط را درون لوله‌ای قرار می‌دهند. این لوله با چرخش دستگاه، به سمت خارج از مرکز متمایل میشود و یا به حالت افقی در میاید. در این حالت، نیروی گریز از مرکز می‌خواهد که مخلوط را برخلاف مرکز سانتریفوژ براند و از این نقطه دور کند و ذرات یا مایع سنگین تر بیش تر به سمت بیرون (یا ته مخلوط) رانده می‌شوند. وقتی سانتریفوژ از حرکت باز می‌ایستد، مواد به همین حالت غیر مخلوط می‌مانند. خون و سایر نمونه‌های بیولوژیکی را معمولاً به وسیله دستگاه سانتریفوژ جدا می‌کنند. انواع دستگاه‌های سانتریفوژ برای مصارف گوناگون ساخته شده‌است. نمونه‌های خانگی این دستگاه برای جداکردن آب از مواد بکار می‌رود. در آزمایشگاه های تشخیصی از دستگاه سانتریفوژ معمولا برای جداکردن گلبول‌های خون از پلاسما استفاده می‌شود.

ELISA
روش الایزا (Enzyme Linked Immunosorbent Assay) یا ایمونوآسی، یک تکنیک بیوشیمیایی است که در تحقیقات ایمونولوژی به منظور بررسی وجود یک آنتی بادی یا آنتی ژن در نمونه های بیولوژیک مورد استفاده قرار میگیرد. الایزا یک روش تشخیصی مهم در پزشکی و پاتولوژی گیاهی محسوب میشود. همچنین از روش الایزا در بخش کنترل کیفیت در بسیاری از صنایع استفاده میشود.
در روش الایزا آنتی ژن مورد مطالعه بر سطح یک میکروپلیت تثبیت میشود. سپس آنتی ژن اختصاصی به میکروپلیت افزوده میگردد. در این مرحله اتصال آنتی بادی به آنتی ژن انجام میشود. آنتی بادی به یک آنزیم متصل است، بنابر این افزودن سوبسترای آنزیم به میکروپلیت، منجر به یک واکنش رنگی میشود. شدت رنگ حاصل متناسب با غلظت آنتی بادی یا به عبارت بهتر متناسب با غلظت آنتی ژن در نمونه مورد مطالعه است. با استفاده از روش اسپکتروفتومتری، میتوان میزان جذب نوری محلول را اندازه گیری کرد و غلظت آنتی ژن را محاسبه نمود.

استخراج و تخلیص پروتئین

خالص سازی پروتئین شامل یک سری مراحل میباشد که برای مجزا کردن یک نوع پروتئین از پروتئین‌های مختلط استفاده میشود. خالص سازی امری حیاتی برای توصیف وظیفه، ساختار و فعل و انفعالات پروتئین مورد نظر میباشد. این کار معمولا با یک نمونه بافت و یا کشت میکروبی آغاز میشود. در اولین مرحله با استفاده از روشهایی نظیر سونیکاسیون، سلولها کاملا متلاشی میشوند. سپس با روش سانتریفوژ، مولکولها از قطعات سلولی جدا میشوند. محلول روئی که فاقد سلول است جدا شده و با تکنیکهای مختلفی نظیر کروماتوگرافی، Salting out و Salting in پروتئین ها از بیومولکولهای دیگر جدا میشوند. در نهایت پروتئین مورد نظر با روش Freeze drying یا خشک کردن محلول، بصورت پودر خالص تهیه میشود.

کنترل کیفیت

در مهندسی و تولید صنعتی، بخش کنترل کیفیت و مهندسی کیفیت به بخشی گفته می‌شود که به اصلاح روشهای تولید میپردازد، بگونه ای که کالاها از نظر مرغوبیت و رفع نیازهای مشتری ارتقاء یابند. روش‌های کنترل کیفی معمولاً با همکاری رشته‌های مهندسی و بازرگانی اجراء می‌شوند.
عمده بحث كنترل كيفيت مربوط به انجام نمونه گيري از محصولات ، بازرسي آن نمونه ها و تعميم نتايج به كل انباشت محصول است كه بر اساس روش هاي آماري انجام مي گيرد . از ديگر روش هاي مورد استفاده در كنترل كيفيت ، كنترل فرايند توليد محصول به جاي كنترل محصول تهيه شده است. مبحث كنترل كيفيت ، جايگاه ويژه اي در مباحث نظام هاي جامع مديريت كيفيت دارد.
اگر قرار باشد یک محصول، مشخصات مورد نظر مشتری را دارا باشد، پس این محصول باید به وسیله یک فرآیند پایدار یا تکرار پذیر همراه با کاهش تغییرات در فرآیند ها، تولید گردد.
تلاش برای کاهش تغییرات در فرآیندها، با هدف کاهش قیمت تمام شده و افزایش سود صورت میگیرد، چرا که با کاهش تغییرات، فرآیند شناخته تر شده و قابل کنترل تر خواهد شد. افزایش شناخت، منجر به برنامه ریزی دقیقتر شده و افزایش قدرت کنترل فرآیند، باعث کاهش ضایعات می شود.

آشنایی با پایگاه های اطلاع رسانی در اینترنت

  در سالهای اخیر پیشرفتهای وسیعی در روشهای اطلاع رسانی، حاصل شده است. مخصوصا در زمینه های نرم افزاری و اینترنت. وجود پایگاه های اطلاعاتی تخصصی، دسترسی به منابع علمی را تسهیل نموده است. از جمله میتوان منابع زیر را نام برد:
1. پایگاه NCBI (National Center for Biotechnology Information)
2. KEGG: معرفی مسیرهای متابولیک در موجودات زنده مختلف
3. BioMedNet: حاوی مطالب پزشکی و زیست شناسی
4. PubMed: دارای مقالات ومنابع علمی در زمینه علوم پزشکی
و همچنین سایتهای وزارتخانه ها، دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی

DNA microarray
در اين روش، يك زنجيره DNA با توالي دلخواه طراحي و رشته مكمل آن نيز ساخته و پس از فعال شدن بر روي نانوذرات طلا نشانده مي شود. همچنين رشته DNA ديگري كه مكمل بخشي از DNA هدف است پس از فعال شدن روي نانوذره طلا تثبيت مي شوند. سپس اجازه هيبريد شدن رشته بار كد با DNA مكمل داده مي شود. از طرفي رشته سوم DNA كه مكمل بخش ديگري از DNA هدف است پس از فعال شدن بر روي ذرات مغتاطيسي تثبيت مي شود با قرار گرفتن اين دو ذره در محلول اگر DNA هدف وجود داشته باشد حتي در مقادير بسيار اندك موجب اتصال اين دو ذره به يكديگر مي شود. در مرحله بعد با توجه به خاصيت مغناطيسي ذره دوم مي توان آنها را از محلول جدا كرد و با استفاده از عواملي ،چون تركيبات دناتوره كننده، كه دو رشته DNA را جدا مي كند DNA بار كد را از مكمل آن جدا و شناسايي مي كند. حتي ميتوان از تركيباتي مثل نقره كه حساسيت تشخيص را بالا مي برند استفاده نمود. به اين ترتيب مقادير بسيار اندك از يك توالي DNA بدون نياز به پي سي آر قابل شناسايي و حتي اندازه گيري است.

مهندسی ژنتیک

مهندسی ژنتیک، به مجموعه روشهایی گفته می شود که به منظور جداسازی، خالص سازی، وارد کردن و بیان یک ژن خاص در یک میزبان بکار می‌رود و نهایتا منجر به بروز یک صفت خاص و یا تولید محصول مورد نظر در جاندار میزبان می‌شود. این علم کاربردهای زیادی در علوم پایه، تولیدات صنعتی، کشاورزی و علوم پزشکی دارد. در زمینه علوم پایه، بررسی‌ مکانیزمهای همانند سازی DNA و بیان ژنها در پروکاریوتها، یوکاریوتها و ویروسها و همچنین نحوه ساخته شدن و تغییر در پروتئینها و همچنین مکانیزم ایجاد سرطان مطرح است. در زمینه کشاورزی تولید گیاهان مقاوم به آفات و خشکی، تولید گیاهان پرمحصول و تولید گاوهای دارای شیر و گوشت بیشتر، را می‌توان نام برد. و در زمینه کاربردهای پزشکی، تشخیص بیماریهای ارثی، تولید انسولین انسانی، تولید هورمون رشد انسان و… را می‌توان نام برد. در سال‌های اخیر گسترش و توسعهٔ تکنیک‌های سنتز DNA نوترکیب انقلابی را در درمان بسیاری از بیماری‌های انسانی از جمله انواع سرطان‌ها، اغلب بیماری‌های خود ایمنی نظیر دیابت و همچنین تشخیص، پیشگیری و درمان بسیاری از بیماری‌های مادر زادی فراهم آورده‌است.مثال معروفی از کاربرد مهندسی ژنتیک، تولید سویه ای از باکتری اشرشیاکلی است که قادر به سنتز انسولین انسانی است. مهندسی ژنتیک بطور خلاصه شامل مراحل زیر است
1. انتخاب ژن مورد نظر
2. جداسازی ژن مورد نظر
3. وارد کردن ژن مورد نظر در حامل
4. تکثیر ژن در میزبان مناسب
5. انتقال حامل ژن به سلول هدف
6. تکثیر سلول هدف
7. تولید انبوه محصول یا ایجاد صفت مورد نظر

بیوتکنولوژی
واژه بیوتکنولوژی نخستین بار در سال ۱۹۱۹ از سوی Karl Ereky به مفهوم کاربرد علوم زیستی در فناوری‌های ساخت بشر به کار برده شد. به طور کلی هر گونه کنش هوشمندانه بشر در آفرینش، بهبود و عرضه فرآورده‎های گوناگون با استفاده از جانداران، به ویژه از طریق دستکاری آن‌ها در سطح مولکولی در بیوتکنولوژی، قرار می‌‌گیرد. زیست‎فناوری را بطور کلی، به کارگیری موجودات زنده یا فرایندهای زیستی، در صنایع تولیدی یا خدماتی تعریف کرده اند که شامل کاربرد زیست‌شیمی ، میکروب‌شناسی و فناوری‎های تولید در سامانه‎های زیستی است. بیوتکنولوژی به لحاظ ویژگی‎های ذاتی خود دانشی بین رشته‌ای است. بیوتکنولوژی در اصل هسته‌ای مرکزی تحقیقات زیستی محسوب میشود و شامل دو بخش است. یک بخش در پی دستیابی به بهترین کاتالیزور برای یک فرایند یا عملکرد ویژه است و بخش دیگر سامانه یا واکنشگری است که کاتالیزورها در آن عمل می‌کنند.
تامین سلامت و بهداشت جمعیت بیش از شش میلیاردی ساکنان کره زمین از طریق تولید داروهای نوترکیب و واکسن‎ها، دستیابی به روش‌های درمان کم‎هزینه بیماری‌ها و یافتن درمان بیماری‌های بدون درمان و تشخیص سریع‎تر و مؤثرتر بیماری‌های گوناگون از جمله بیماری‌های ژنتیکی از وظایف بیوتکنولوژی پزشکی است.
همچنین رویکرد جدید به محیط زیست در قرن حاضر و در نظر گرفتن آن به عنوان یک جزء‌ از سرمایه ملی کشورها و لزوم حفظ آن با بکارگیری زیست‌فناوری از مهم‌ترین دغدغه‌های بشر در سده حاضر است. حذف مؤثر آلاینده‌های محیطی خطرناک از محیط زیست با استفاده از میکروارگانیسم‌های پالایشگر آلودگی و استفاده از فنون نگهداری ذخایر ژنتیکی کشور از جمله کاربردهای زیست‌فناوری در زمینه محیط زیست است. کاربردهای زیست‌فناوری در صنعت که به تولید محصولات با صرف هزینه و انرژی کمتر، ضایعات اندک می‎انجامد و از همه مهم‌تر، کمترین اثر سوء بر محیط زیست را برجا می‎گذارد، باعث شد که از این فناوری به عنوان یکی از پاکترین بخش‌های صنعت یاد شود. زیست‌فناوری همچنین تولید محصولاتی که قبلأ از روش‌های دیگر امکان تولید آن وجود نداشته یا بسیار سخت و دشوار بوده است، ممکن ساخته است

Recombinant DNA
DNAی نوترکیب (Recombinant DNA)، نوعی DNA است که بطور طبیعی وجود ندارد و با متصل کردن قطعات DNAی مختلف بدست می آید. بدین منظور توالی DNAی مورد نظر به یک حامل متصل میشود. این حامل ممکن است ژنوم باکتری، یک پلاسمید یا ژنوم یک ویروس باشد. سپس DNAی نوترکیب وارد سلولهای هدف میشود. این سلولها معمولا باکتری هستند. بدین ترتیب، DNAی نوترکیب وارد مجموعه ژنتیکی میزبان میشود. با القاء کردن بیان ژنها در DNAی نوترکیب میتوان محصول پروتئینی مورد نظر را به میزان زیاد تهیه کرد. انسولین، واکسنهای نوترکیب و بعضی از پروتئینهای غذائی با این روش تولید شده اند.
تکنولوژی نوترکیبی DNAبا کشف آنزیمهای محدودالاثر (Restriction Enzymes) امکان پذیر گشته است. این آنزیمها توسط Werner Arber ، Daniel Nathansو Hamilton Smithکشف شدند و بهمین دلیل در سال 1978 جایزه نوبل به آنها اعطا گردید.

RNAi
RNA interference یا به اختصار RNAi ، سیستمی در موجودات زنده است که میزان و نحوه فعالیت ژنها را کنترل میکند. دو نوع RNAی کوچک در این فرآیند نقش دارند: miRNA و siRNA.
این بیومولکولها قادر به اتصال به RNA های خاص دیگری هستند و فعالیت آنها را افزایش یا کاهش میدهند. مثلا میتوانند مانع از تولید پروتئین توسط RNA شوند. RNAi نقش مهمی در دفاع سلولی در مقابل ژنهای پارازیتها (مثل ویروسها و ترانسپوزونها) دارد. RNAi همچنین در تکامل جنینی و بیان ژنها نقش دارد. در آینده RNAi کاربردهای وسیعی در پزشکی خواهد داشت. مثلا در کاهش فعالیت ژنها و خاموش کردن آنها توسط داروهای آنتی ویروس، میکروب کشهای موضعی، درمان عفونت با هرپس سیمپلکس، مقابله با سرطان، هپاتیت A، هپاتیت B، مقابله با HIV و آنفلوانزا.

تخلیص DNA
‌‌‌‌نقطهِ شروع‌ بسياري‌ از روشهاي‌ بيولوژي‌ مولكولي‌، جداسازي DNA با درجه خلوص بالا است. بدین منظورDNA‌ ی تخلیص شده باید عاری از RNA، پروتئين، ليپيد و ساير بیومولکولهایی باشد که‌ براي‌ آنزيمهاي‌ محدودالاثر ‌ و پليمرازها مزاحمت‌ ايجاد مي‌كنند. به‌علت‌ بزرگ‌ بودن‌ اندازهِ DNA ژنومي‌ در پستانداران، روشهاي‌ استخراج DNA‌ بايد حداقل‌ استرس‌ مكانيكي‌ را در طي‌ مراحل تخلیص‌ ايجاد نمايد. ‌‌‌‌معمولا در طی استخراج DNA‌ از چند نوع دترجنت‌‌ همچونSDS‌ و‏TritonX100 استفاده‌ مي‌شود، كه‌ نقش‌ آنها ليز نمودن‌ سلول‌ و كمك‌ به‌ از بين‌ بردن‌ پروتئين‌ متصل‌ بهDNA‌ مي‌باشد. پروتئين‌زدائي ‌بيشتر توسط‌ پروتيئنازK صورت‌ مي‌گيرد. اين‌ آنزيم‌ در حضورSDS در دماي 56 تا 65 درجه فعاليت‌ دارد تحت‌ اين‌ شرايط‌ پروتئين‌ بهتر واسرشته‌ مي‌شود. ‌‌‌‌متعاقب‌ استفاده‌ از پروتيئنازK از ايزوپروپانول‌ براي‌ از بين‌ بردن‌ موثر پروتئين‌ها استفاده مي‌شود. باقيمانده‌ پروتئينها‌ و ليپيدها نيز توسط فنل‌ و كلروفرم‌ از بين‌ مي‌روند. آلودگي به RNA‌ از طريق‌ تيمار كردن‌ نمونه‌ با RNAase از بين‌ مي‌رود.‌‌ ‌‌در روشهاي‌ ديگر، بعد از پروتئينازK از محلولهای نمكی‌ اشباع‌ براي‌ رفع‌ آلودگي‌ به پروتئينها‌ استفاده‌ مي‌شود در استخراجDNA ‌ برايPCR ‌ بهتر است‌ از هپارين‌ استفاده‌ نشود. چون‌ هپارين‌ از فعاليتTaq ‌ پلي‌مراز جلوگيري‌ مي‌كند .‌‌‌‌لازم به ذکر است که محلولEDTA با غلظت دومولار‌ باعث‌ مي‌شود كه‌ كوآنزيمهاي‌ DNase‌ شلات‌ شوند و از تجزيه‌ تصادفيDNA‌ جلوگيري‌ گردد.

PCR

 

در گذشته معمولا از روش های شیمیایی برای تولید قطعات نوکلئوتیدی استفاده می‌کردند، اما این روش ها پر زحمت بوده و نیاز به مدت زمان طولانی داشتند. از سال 1980 به بعد عمدتا از روش PCR (واکنشهای زنجیره ای پلیمراز) در آزمایشگاههای زیست شناسی مولکولی استفاده می‌شود. در این روش با استفاده از تغییرات حرارت می‌توان فرآیند تکثیر DNA را بدفعات انجام داد. امروزه این تکنیک به عنوان یک روش قدرتمند در تشخیص بالینی برای بررسی وجود موتاسیون‌ در ژنوم انسانی، یا برای وارد کردن جهش‌های ویژه به داخل ژنها استفاده میشود.
PCR بطور خلاصه شامل 3 مرحله اصلی است:
1. مرحله دناتوراسیون DNA: در مرحله اول برای مدت کوتاه قطعات DNA را در درجه حرارت 94 درجه سانتیگراد حرارت می‌دهند تا دو زنجیره DNA از هم باز شود.
مرحله پرایمر و مرحله اتصال دو قطعه نوکلئوتیدی: این قطعات معمولا از 25 – 18 باز آلی تشکیل می‌شوند و می‌توانند به قطعات مکمل خود که بر روی ژن مورد نظر قرار می‌گیرند، اتصال یابند. قطعه‌ای که به تعداد زیاد ساخته می‌شود، ما بین دو پرایمر ساخته می‌شود. مرحله اتصال پرایمرها کوتاه بوده و حدودا 30 ثانیه در دمای 65 – 30 درجه سانتیگراد صورت می‌گیرد.
مرحله پلیمریزاسیون یا مرحله سنتز: در این مرحله با دخالت آنزیم DNA پلیمراز بر روی رشته DNA الگو، سنتز DNA با استفاده از نوکلئوتید تری فسفات‌هایی که در محلول وجود دارند، صورت می‌گیرد و برای سنتز DNA همیشه یک رشته DNA به صورت الگو و یک قطعه پلی نوکلئوتیدی به عنوان پرایمر مورد نیاز است.

Chemiluminescence

کمی لومینسانس عبارتست از تشعشع نور و مقدار مشخصی از حرارت، در طی یک فرآیند شیمیایی:
[A] + [B] → [◊] → [Products] + light
بعنوان مثال واکنش لومینول با پراکسید هیدروژن در حضور کاتالیزور مناسب:
luminol + H2O2 → 3-APA[◊] → 3-APA + light
در طی این فرآیند، آمینوفتالات تولید میشود که یک مولکول فعال است. این مولکول با از دست دادن انرژی، از خود نور منتشر میکند. شدت نور حاصل با دستگاه مخصوصی اندازه گیری و بررسی میشود. در آزمایشگاههای تحقیقاتی از این فرآیند برای بررسی وجود ترکیبات خاص و یا تعیین غلضت مواد استفاده میشود.
نانوتکنولوژی
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی، شاخه ای از دانشهای کاربردی و فناوری است که موضوعات گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌ها در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانوفناوری فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمها در این ابعاد است، که اثرات فیزیکی جدیدی (عمدتا متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک) از خود نشان میدهند. نانوفناوری یک دانش به میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود.
نانوبیوتکنولوژی
در طول دهه گذشته پيشرفت هاي زيادي در استفاده از روش هاي نانو جهت تشخيص مولكولي حاصل شده است و تلاش هاي بيشتر در جهت طراحي بيوحسگرها براي تشخيص دقيق، انتخابي و كاربردي مولكول هاي زيستي ميباشد. امروزه در بيوحسگرها براي تشخيص اسيدهاي نوكلئيك و پروتئينها به طور وسيعي از نانوذرات استفاده مي شود. اين ذرات به دليل دارا بودن اندازه نانو و خصوصيات فيزيكي و شيميايي قابل تغيير و تنظيم از جمله خواص الكتريكي، الكتروشيميايي، نوري و مغناطيسي، كانديداي مناسبي براي جايگزيني با ديگر مولكول هاي رنگي رايج در تشخيص مولكولي هستند. نانوذرات بعنوان نشانگر، حساسيت، سرعت و انعطاف پذيري تست هاي بيولوژيكي را جهت اندازه گيري حضور يا فعاليت مواد افزايش ميدهند. از طرفي چون با استفاده از اين ذرات، حجم كوچكي از نمونه مورد نياز است، نیاز به تكثير ماده مورد اندازه گيري را بر طرف ميكند. امتياز ديگر نانوذرات، قدرت تشخيص ميكروارگانيسم ها، بافت هاي سرطاني هم در داخل بدن و هم در محیط آزمايشگاهي است.

بلاتینگ

در بیولوژی مولکولی و ژنتیک، روش بلاتینگ عباتست از انتقال پروتئین، DNA یا RNA به یک پایه خاص نظیر نیتروسلولز، نایلون یا PVDF. در بسیاری از تحقیقات، این روش پس از الکتروفورز مورد استفاده قرار میگیرد. با تکنیک بلاتینگ، مولکولها از ژل به پایه مورد نظر منتقل میشوند. در مرحله بعد شناسایی مولکولها با استفاده از روشهای رنگ آمیزی انجام میشود. روش رنگ آمیزی نقره برای پروتئینها، اتورادیوگرافی برای مواد رادیواکتیو، آنتی بادی برای مولکولهای خاص و یا کمی لومینسانس، از جمله روشهای مرسوم در بلاتینگ هستند.
بر اساس نوع مولکولهای مورد مطالعه، بلاتینگ به روشهای زیر تقسیم میشود:
1. Southern blot برای DNA
2. Southwestern blot برای کمپلکس DNA و پروتئین
3.
Northern blot برای RNA
4. Reverse Northern blot برای RNA
5. Western blot برای پروتئینها
6.
Far-Western blot برای کمپلکس پروتئین -پروتئین
7.
Eastern blotting برای تغییرات پس از ترجمه
8.
Far-Eastern blot برای چربیها، داروها و هورمونها

Real-time PCR

16 مارس 10

این تکنیک کاربردهای وسیعی در تشخیص بالینی و تحقیقات دارد. در این روش میتوان یک سکانس خاص را در DNAی هدف، جستجو و شناسایی کرد و همچنین مقدار آن را در نمونهای مورد مطالعه اندازه گیری نمود. در این تکنیک نیز اصول کلی PCR حاکم است ولی نکته حائز اهمیت این است که پس از تکثیر DNA در هر سیکل، غلظت دقیق آن اندازه گیری میشود. سایر نامهای این تکنیک عبارتند از quantitative real time polymerase chain reaction   و kinetic polymerase chain reaction. این تکنیک گاهی به اشتباه RT-PCR نامیده میشود که مخفف روش Reverse Transcription PCR است. ولی امروزه در دنیای تجارت و حتی مراکز تحقیقاتی بصورت یک اشتباه مصطلح در آمده است. گاهی روش Real-time PCR با رونویسی معکوس(reverse transcription) ادغام میگردد تا مقدار mRNA (messenger RNA) در سلولها و بافتها اندازه گیری شود. این تکنیک جدید، Real-time reverse-transcription PCR نامیده میشود و با علامتهای اختصاری qRT-PCR، RRT-PCRو یا  RT-rt PCR مشخص میگردد.

در تکنیک Real-time PCR، برای تعیین غلظت DNA از رنگهای فلورسانس و یا شاخص های الیگونوکلئوتیدی فلورسانس  استفاده میشود.

تعیین غلظت DNA با استفاده از رنگهای فلورسانس

در این تکنیک از رنگهایی استفاده میشود که پس از اتصال به ساختار دو رشته ای DNA (double-stranded:ds)، نور فلورسانس منتشر میکنند. بنابر این در طی واکنش PCR، به موازات افزایش غلظت DNA، میزان فلورسانس در محلول افزایش می یابد. با اندازه گیری شدت نور فلورسانس در انتهای هر سیکل، نهایتا یک منحنی بدست می آید. سپس با استفاده از نمودارهای استاندارد، غلظت DNAی هدف در نمونه مورد مطالعه محاسبه میشود. لازم به ذکر است که رنگهایی نظیر SYBR Green به تمام انواع DNAی دو رشته ای، ازجمله محصولات غیر اختصاصی PCR و حتی دیمرهای پرایمر (Primer dimers) نیز متصل میشوند و این موضوع موجب کاهش اختصاصی بودن (Specificity) در نتایج حاصل میشود.

تعیین غلظت DNA با استفاده از شاخص های الیگونوکلئوتیدی فلورسانس

در تکنیک Real-time PCR، دقیقترین و قابل اعتمادترین نتایج با استفاده از شاخص های گزارشگر فلورسانس بدست می آید که البته هزینه زیادی نیز در بردارد. در این روش از شاخصهای DNA یا RNA ی اختصاصی (sequence-specific RNA or DNA-based probe) استفاده میشود و در نتیجه در DNAی هدف، جستجو و تعیین غلظت برای سکانسهای خاص امکانپذیر میگردد. بنابر این حتی در حضور سایر انواع DNA، نتایج حاصل از نظر اختصاصی بودن، در حد بالائی است. در این شرایط، چنانچه از شاخصهای اختصاصی با رنگهای مختلف استفاده شود، حتی میتوان ژنهای متعددی را در یک واکنش PCR، مورد بررسی قرار داد.

کاربردهای Real-time PCR:

1. تعیین تعداد کپی از هر ژن: Wu, 2007; ABI TaqMan® Gene Copy Number Assays; Protocol for 7900HT

2. سنجش میزان بیان ژن:Giulietti, 2001 و Leung, 2005

3. بررسی صحت نتایج در آرایه ها: Rajeevan, 2001 و Verification of Array Results Page by Pfaffl

4. مطالعات ایمنی زیستی و پایداری ژنتیک: Lovatt, 2002

5. بررسی میزان اثر بخشی داروها و مانیتورینگ داروها: Leruez-Ville, 2004; Brennan, 2003; Burger, 2003; Kogure, 2004

6. انجام تکنیک Real-Time Immuno-PCR (IPCR): Adler, 2003; Barletta, 2004; Lind & Kubista, 2005

7. رسوب کروماتین با استفاده از اتصال آنتی ژن-آنتی بادی: Braveman, 2004; Sandoval, 2004; Wang, 2004; Iype, 2005; Potratz, 2005; Puppo, 2005

8. سنجش ویروسها: Niesters, 2001; Mengelle, 2003; Espy, 2006

9. شناسائی عوامل پاتوژن شامل:

شناسائی CMV: Kearns, 2001a; Kearns, 2001b; Kearns, 2002; Mengelle, 2003

تشخیص سریع آلودگی به مننگوکوک: Bryant, 2004

بررسی حساسیت استرپتوکوکوس پنومونیا به پنی سیلین : Kearns, 2002

شناسائی مایکوباکتریوم توبرکولوزیس و گونه های مقاوم:  Kraus, 2001; Torres, 2003; Cleary, 2003; Hazbon, 2004

پاتوژن های میکروبی در آبهای محیطی: Foulds, 2002; Guy, 2003

10. اندازه گیری میزان آسیب به DNA: Dietmaier, 2001

11. سنجش میزان تماس با اشعه رادیواکتیو: Blakely, 2001; Blakely, 2002; Grace, 2002; Grace, 2003

12. بررسی فرآیندهای زیستی در سلولهای زنده: Tung, 2000; Bremer, 2002

13. مطالعه DNAی میتوکندریائی: He, 2002; Liu, 2003; Alonso, 2004

14. شناسائی متیلاسیون: Trinh, 2001; Cottrell, 2004; Lehmann & Kreipe, 2004; Thomassin, 2004

15. تشخیص غیرفعال شدن ژنها در کروموزوم X: Hartshorn, 2002; van Dijk, 2002

16. تعیین همسانی در لوکوسهای HLA: Zhou, 2004

17. پیگیری نتایج پیوند عضو: Sabek, 2002; Gibbs, 2003

18. پیگیری نتایج، پس از پیوند سلولهای بنیادی خونساز: Elmaagacli, 2002; Alizadeh, 2002; Thiede, 2004; Harries, 2004

19. پیگیری عوارض باقیمانده ناشی از بیماری، پس از پیوند سلولهای بنیادی خونساز: Elmaagacli, 2002; Cilloni, 2002; Sarris, 2002; Gabert, 2003; Van der Velden, 2003

20. تعیین مقدار ژن و زیگوسیتی: (Bubner, 2004; Barrois, 2004; Chen, 2006; Szilagyi, 2006

21. ژنوتایپینگ و تشخیص انواع موتاسیونها شامل الحاق، حذف و موتاسیون نقطه ای: von Ahsen 2000; Donohoe, 2000; Lyon, 2001; Waterfall & Cobb, 2002; Bennett, 2003; Wittwer, 2003; Zhou, 2005; Palais, 2005; Chou, 2005، ; Mhlanga, 2001; Solinas, 2001; Song, 2002; Gupta, 2004; reviewed in Lareu, 2004، Kutyavin, 2000; Letertre, 2003; Johnson, 2004; Ugozzoli, 2004، Tapp, 2000

22. بررسی انواع تریزومی:  Zimmermann, 2002

23. بررسی ژنوتیپهای حاصل از حذف جزئی یا microdeletion: Laurendeau, 1999; Kariyazono, 2001; Covault, 2003; Coupry, 2004

24. هاپلوتایپینگ: Von Ahsen, 2004; Pont-Kingdon & Lyon, 2005

25. بررسی کمی میکروساتلیت ها: Ginzinger, 2000

26. تشخیص قبل از تولد و تعیین جنسیت با استفاده از سلولهای جدا شده از خون مادرHahn, 2000; Bischoff, 2002; Bischoff, 2003 یا DNAی جنینی در جریان خون مادر Bischoff, 2002; Hwa, 2004

27. تشخیص قبل از تولد برای اختلالات هموگلوبین: Kanavakis, 1997; Vrettou, 2003; Vrettou, 2004

28. تشخیص سرطان در حین عمل جراحی : Raja, 2002

29 LATE-PCR که یک نوع real-time PCR جدید است و بررسی های کمی را در مقادیر جزئی از نمونه های بیولوژیک، امکانپذیر میسازد و بتریج کاربردهای وسیعی در تشخیص بالینی، دفاع بیولوژیک، پزشکی قانونی و تعیین سکانس DNA می یابد: Sanchez, 2004

منابع اینترنتی برای مطالعه بیشتر در زمینه Real-Time PCR

1st International qPCR Symposium  &  Application Workshop, qPCR 2009

ABgene Dual Labeled Probe Design Guide

ABI TaqMan Human Endogenous Control Plate

ABI User Bulletins ABI-PRISM 7700 Application Notes 7900HT 7000 Compendium

AlleleID Pathogen Detection Primer & Probe Design Tool by Premier Biosoft International

Ambion TechNotes on Real-Time PCR

Applied Biosystems Sequence Detection Systems

Automated PubMed Search for Real-Time PCR

Available Real-Time PCR Platforms BioCompare

BestKeeper© for determination of stable housekeeping genes, Download

 

برنامه های آموزشیBiocompare

BioGene InSyte

BioInformatics in Real-Time PCR

Bio-Rad iCycler

BioTechniques Molecular Biology Forums: Real-Time qPCR

CAmpER – Real-time PCR Analysis Software

Cepheid Smart Cycler

Corbett Research Rotor-Gene

DesignMyProbe at Sigma-Aldrich

D-LUX Designer

Eppendorf Mastercycler

Essentials of Real-Time PCR Lecture by Man Bock Gu

Exiqon ProbeLibrary

EZ one-step RT-PCR kit

Five Questions on qPCR & How It Works, The Scientist

Fluidigm, high-throughput qPCR, CNV, genotyping

Frequently Asked Questions, Real-Time PCR Primers

Full qPCR Protocol (Nolan, Hands & Bustin, Nature Protocols, 2006), PDF

Gene Quantification Page by Michael W Pfaffl & Directory Page

geNORM (Vandesompele, 2002) NormFinder (Andersen, 2004) qBasePlus, Hellemans, 2007

Idaho Technology LightScannerFilmArray

Invitrogene Molecular Probes Handbook

Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis

Lab-on-a-Chip Technology: Fabrication and Microfluidics

LightCycler University

Light-Up Probes, 1, 2

Links at PCRlinks.com

Links at Protocol Online

LNA Primers, Exiqon OligoDesign

LNA Probes

MIQE: Minimum Information for Publication of qPCR Experiments (Checklist: XLS, PDF) – Bustin, 2009

MJ Research Real-Time Systems

Molecular Beacons

Open Access Real-time PCR Papers

PCR and Real Time PCR Links

PCR Troubleshooting: The Essential Guide

Peirson, 2003 (DART-PCR), Download

Primer Express software

PrimerDesign InVitroGene: Custom Primers-OligoPerfect™ Designer

Primer-Probe and Beacon Design Program & Demo by Premier

Products for LightCycler

Q-GENE for data processing

QiaGen Handbooks on SYBR Green Detection Systems and RT-PCR

Q-PCR Training @ TATAA BioCenter

Quantitative PCR Gene Expression Profiling by MultiD – Tutorials

Quantitative PCR Primer Database – QPPD, NCI

Real Time PCR & Quantitation Lecture by Ian MacKay

Real Time PCR Special Issue (Dec 2001, Vol.25, Issue 4) of METHODS Journal

Real-Time PCR Handbook, University of Illinois at Chicago

Real-Time PCR in Infectious Diseases (PPT) & (PDF) by Theo Sloots

Real-Time PCR in Microbiology: From Diagnosis to Characterization

Real-Time PCR in Microbiology: From Diagnosis to Characterization

Real-Time PCR Literature

Real-Time PCR Seminar (NIEHS) & Review by Nigel Walker

Real-Time PCR Tutorial, South Carolina University

Real-Time PCR: Current Technology and Applications

Real-Time PCR: Current Technology and Applications

Real-Time PCR: Short Course, University of Texas

Real-Time PCR: Understanding CT

9REST© for Relative Expression Software Tool, REST-2008 / Corbett

Review of real-time PCR in mRNA Quantitation, Wong & Medrano, 2005

Roche LightCycler Literature and Technical Notes

Roche LightCycler One-Step RT-PCR Kit

ROCHE LightCycler Online

RT-PCR Primer DataBase

RT-PCR Primer Sets

RT-PCR PrimerBank

Scorpion Technology

Setting Baselines and Thresholds

Sigma-Aldrich qPCR Technical Guide

Sigma-Aldrich qPCR Webinars

SNP500 Cancer Validated TaqMan Allelic Discrimination Assays

SNP500Cancer Validated Allelic Discrimination Assay List, including TaqMan Protocols

Statistics and Gene Expression Analysis

Stratagene Multiplex qPCR System & qPCR Guide

Stratagene Mx3000™ Multiplex Quantitative PCR System

STRATAGENE Online qPCR Training

TaqMan Gene Expression Assays

TaqMan Human Endogenous Control Plate

TaqMan Human Endogenous Control Plate

TATAA Biocenter Endogenous Control Gene Panel

TATAA Biocenter Open Courses in Quantitative PCR

Techne Quantica

Tools and Technologies for Real-Time PCR & Fast PCR, text

Tools at TATAA BioCenter & GenEx

Transcript of a Webcast on Real-Time PCR Applications, Bio.Com

Troubleshooting & Optimization Guide, Thermo Scientific

Workshops and Courses by Stephen Bustin

کتابها

(Real-Time PCR (Dorak MT

(A-Z of Quantitative PCR (Bustin S

(Rapid Cycle Real-Time PCR-Methods and Applications (Wittwer Hahn, Kaul

(Real-Time PCR: An Essential Guide (Edwards, Logan, Saunders

(Real-Time PCR: Current Technology and Applications (Logan, Edwards, Saunders

(Real-time PCR in Microbiology (MacKay IM

Real-time PCR

From: Wikipedia, the free encyclopedia

4 website Qpcr-cycling4 website PCR2From: Wikipedia, the free encyclopedia

For reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR), see reverse transcription polymerase chain reaction.

SYBR Green fluorescence chart for five samples, each having three replicates, which is a result of quantitative PCR (qPCR).

Melting curve for five samples, three replicates each, which is a result of melting temperature analysis of quantitative PCR results (qPCR).

A real-time polymerase chain reaction is a laboratory technique of molecular biology based on the polymerase chain reaction (PCR), which is used to amplify and simultaneously detect or quantify a targeted DNA molecule.

The procedure follows the general principle of polymerase chain reaction; its key feature is that the amplified DNA is detected as the reaction progresses in “real time”. This is a new approach compared to standard PCR, where the product of the reaction is detected at its end. Two common methods for the detection of products in quantitative PCR are: (1) non-specific fluorescent dyes that intercalate with any double-stranded DNA, and (2) sequence-specific DNA probes consisting of oligonucleotides that are labelled with a fluorescent reporter which permits detection only after hybridization of the probe with its complementary sequence to quantify messenger RNA (mRNA) and non-coding RNA in cells or tissues.

The MIQE guidelines propose that the abbreviation qPCR be used for quantitative real-time PCR and that RT-qPCR be used for reverse transcription–qPCR [1]. The acronym “RT-PCR” commonly denotes reverse transcription polymerase chain reaction and not real-time PCR, but not all authors adhere to this convention.[1]

Background

4 website PCR3From: Wikipedia, the free encyclopedia

Real time quantitative PCR uses fluorophores in order to detect levels of gene expression.

Cells in all organisms regulate gene expression by turnover of gene transcripts (messenger RNA, abbreviated to mRNA): The amount of an expressed gene in a cell can be measured by the number of copies of an mRNA transcript of that gene present in a sample. In order to robustly detect and quantify gene expression from small amounts of RNA, amplification of the gene transcript is necessary. The polymerase chain reaction (PCR) is a common method for amplifying DNA; for mRNA-based PCR the RNA sample is first reverse-transcribed to cDNA with reverse transcriptase.

In order to amplify small amounts of DNA, the same methodology is used as in conventional PCR using a DNA template, at least one pair of specific primers, deoxyribonucleotides, a suitable buffer solution and a thermo-stable DNA polymerase. A substance marked with a fluorophore is added to this mixture in a thermal cycler that contains sensors for measuring the fluorescence of the flurophore after it has been excited at the required wavelength allowing the generation rate to be measured for one or more specific products. This allows the rate of generation of the amplified product to be measured at each PCR cycle. The data thus generated can be analysed by computer software to calculate relative gene expression (or mRNA copy number) in several samples. Quantitative PCR can also be applied to the detection and quantification of DNA in samples to determine the presence and abundance of a particular DNA sequence in these samples.[2] This measurement is made after each amplification cycle, and this is the reason why this method is called real time PCR (that is, immediate or simultaneous PCR). In the case of RNA quantitation, the template is complementary DNA (cDNA), which is obtained by reverse transcription of ribonucleic acid (RNA). In this instance the technique used is quantitative RT-PCR or Q-RT-PCR.

Quantitative PCR and DNA microarray are modern methodologies for studying gene expression. Older methods were used to measure mRNA abundance: Differential display, RNase protection assay and Northern blot. Northern blotting is often used to estimate the expression level of a gene by visualizing the abundance of its mRNA transcript in a sample. In this method, purified RNA is separated by agarose gel electrophoresis, transferred to a solid matrix (such as a nylon membrane), and probed with a specific DNA or RNA probe that is complementary to the gene of interest. Although this technique is still used to assess gene expression, it requires relatively large amounts of RNA and provides only qualitative or semi quantitative information of mRNA levels.[3] Estimation errors arising from variations in the quantification method can be the result of DNA integrity, enzyme efficiency and many other factors. For this reason a number of standardization systems have been developed. Some have been developed for quantifying total gene expression, but the most common are aimed at quantifying the specific gene being studied in relation to another gene called a normalizing gene, which is selected for its almost constant level of expression. These genes are often selected from housekeeping genes as their functions related to basic cellular survival normally implie constitutive gene expression.[4][5] This enables researchers to report a ratio for the expression of the genes of interest divided by the expression of the selected normalizer, thereby allowing comparison of the former without actually knowing its absolute level of expression.

The most commonly used normalizing genes are those that code for the following molecules: tubulin, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, albumin, cyclophilin, and ribosomal RNAs.[3]

Basic principles

From: Wikipedia, the free encyclopedia

Quantitative PCR is carried out in a thermal cycler with the capacity to illuminate each sample with a beam of light of a specified wavelength and detect the fluorescence emitted by the excited fluorophore. The thermal cycler is also able to rapidly heat and chill samples, thereby taking advantage of the physicochemical properties of the nucleic acids and DNA polymerase.

The PCR process generally consists of a series of temperature changes that are repeated 25 – 40 times. These cycles normally consist of three stages: the first, at around 95 °C, allows the separation of the nucleic acid’s double chain; the second, at a temperature of around 50-60 °C, allows the binding of the primers with the DNA template;[6] the third, at between 68 – 72 °C, facilitates the polymerization carried out by the DNA polymerase. Due to the small size of the fragments the last step is usually omitted in this type of PCR as the enzyme is able to increase their number during the change between the alignment stage and the denaturing stage. In addition, some thermal cyclers add another short temperature phase lasting only a few seconds to each cycle, with a temperature of, for example, 80 °C, in order to reduce the noise caused by the presence of primer dimers when a non-specific dye is used. The temperatures and the timings used for each cycle depend on a wide variety of parameters, such as: the enzyme used to synthesize the DNA, the concentration of divalent ions and deoxyribonucleotides (dNTPs) in the reaction and the bonding temperature of the primers.[7]

Classification

From: Wikipedia, the free encyclopedia

The type of quantitative PCR technique used depends on the DNA sequence in the samples, the technique can either use non-specific fluorochromes or hybridization probes.

Quantitative PCR with double-stranded DNA-binding dyes as reporters

A DNA-binding dye binds to all double-stranded (ds) DNA in PCR, causing fluorescence of the dye. An increase in DNA product during PCR therefore leads to an increase in fluorescence intensity and is measured at each cycle, thus allowing DNA concentrations to be quantified. However, dsDNA dyes such as SYBR Green will bind to all dsDNA PCR products, including nonspecific PCR products (such as Primer dimer). This can potentially interfere with, or prevent, accurate quantification of the intended target sequence. The SYBR Green is excited using blue light (λmax = 488 nm) and it emits green light (λmax = 522 nm).[8]

  1. The reaction is prepared as usual, with the addition of fluorescent dsDNA dye.
  2. The reaction is run in a quantitative PCR instrument, and after each cycle, the levels of fluorescence are measured with a detector; the dye only fluoresces when bound to the dsDNA (i.e., the PCR product). With reference to a standard dilution, the dsDNA concentration in the PCR can be determined.

This method has the advantage of only needing a pair of primers to carry out the amplification, which keeps costs down; however, it is only possible to amplify a product using a chain reaction.

Like other quantitative PCR methods, the values obtained do not have absolute units associated with them (i.e., mRNA copies/cell). As described above, a comparison of a measured DNA/RNA sample to a standard dilution will only give a fraction or ratio of the sample relative to the standard, allowing only relative comparisons between different tissues or experimental conditions. To ensure accuracy in the quantification, it is usually necessary to normalize expression of a target gene to a stably expressed gene (see below). This can correct possible differences in RNA quantity or quality across experimental samples.

Fluorescent reporter probe method

4 website PCR4From: Wikipedia, the free encyclopedia

(1) In intact probes, reporter fluorescence is quenched. (2) Probes and the complementary DNA strand are hybridized and reporter fluorescence is still quenched. (3) During PCR, the probe is degraded by the Taq polymerase and the fluorescent reporter released.

Fluorescent reporter probes detect only the DNA containing the probe sequence; therefore, use of the reporter probe significantly increases specificity, and enables quantification even in the presence of non-specific DNA amplification. Fluorescent probes can be used in multiplex assays—for detection of several genes in the same reaction—based on specific probes with different-coloured labels, provided that all targeted genes are amplified with similar efficiency. The specificity of fluorescent reporter probes also prevents interference of measurements caused by primer dimers, which are undesirable potential by-products in PCR. However, fluorescent reporter probes do not prevent the inhibitory effect of the primer dimers, which may depress accumulation of the desired products in the reaction.

The method relies on a DNA-based probe with a fluorescent reporter at one end and a quencher of fluorescence at the opposite end of the probe. The close proximity of the reporter to the quencher prevents detection of its fluorescence; breakdown of the probe by the 5′ to 3′ exonuclease activity of the Taq polymerase breaks the reporter-quencher proximity and thus allows unquenched emission of fluorescence, which can be detected after excitation with a laser. An increase in the product targeted by the reporter probe at each PCR cycle therefore causes a proportional increase in fluorescence due to the breakdown of the probe and release of the reporter.

  1. The PCR is prepared as usual (see PCR), and the reporter probe is added.
  2. As the reaction commences, during the annealing stage of the PCR both probe and primers anneal to the DNA target.
  3. Polymerisation of a new DNA strand is initiated from the primers, and once the polymerase reaches the probe, its 5′-3′-exonuclease degrades the probe, physically separating the fluorescent reporter from the quencher, resulting in an increase in fluorescence.
  4. Fluorescence is detected and measured in a real-time PCR machine, and its geometric increase corresponding to exponential increase of the product is used to determine the quantification cycle (Cq) in each reaction.

Fusion temperature analysis

4 website PCR5

From: Wikipedia, the free encyclopedia

Distinct fusion curves for a number of PCR products (showing distinct colours). Amplification reactions can be seen for a specific product (pink, blue) and others with a negative result (green, orange). The fusion peak indicated with an arrow shows the peak caused by primer dimers, which is different from the expected amplification product.[9]

Q-PCR permits the identification of specific, amplified DNA fragments using analysis of their melting temperature (also called Tm value, from melting temperature). The method used is usually PCR with double-stranded DNA-binding dyes as reporters and the dye used is usually SYBR Green. The DNA melting temperature is specific to the amplified fragment. The results of this technique are obtained by comparing the dissociation curves of the analysed DNA samples.[10]

Unlike conventional PCR, this method avoids the previous use of electrophoresis techniques to demonstrate the results of all the samples. This is because, despite being a kinetic technique, quantitative PCR is usually evaluated at a distinct end point. The technique therefore usually provides more rapid results and / or uses fewer reactants than electrophoresis. If subsequent electrophoresis is required it is only necessary to test those samples that real time PCR has shown to be doubtful and / or to ratify the results for samples that have tested positive for a specific determinant.

Quantification of gene expression

Quantifying gene expression by traditional DNA detection methods is unreliable. Detection of mRNA on a Northern blot or PCR products on a gel or Southern blot does not allow precise quantification.[11] For example, over the 20-40 cycles of a typical PCR, the amount of DNA product reaches a plateau that is not directly correlated with the amount of target DNA in the initial PCR.[citation needed]

Quantitative PCR can be used to quantify nucleic acids by two common methods: relative quantification and absolute quantification.[12] Absolute quantification gives the exact number of target DNA molecules by comparison with DNA standards using a calibration curve. It is therefore essential that the PCR of the sample and the standard have the same amplification efficiency. Relative quantification is based on internal reference genes to determine fold-differences in expression of the target gene. The quantification is expressed as the change in expression levels of mRNA interpreted as complementary DNA (cDNA, generated by reverse transcription of mRNA). Relative quantification is easier to carry out as it does not require a calibration curve as the amount of the studied gene is compared to the amount of a control housekeeping gene.

As the units used to express the results of relative quantification are unimportant the results can be compared across a number of different RT-Q-PCR. The reason for using one or more housekeeping genes is to correct non-specific variation, such as the differences in the quantity and quality of RNA used, which can affect the efficiency of reverse transcription and therefore that of the whole PCR process. However, the most crucial aspect of the process is that the reference gene must be stable.[13]

The selection of these reference genes was traditionally carried out in molecular biology using qualitative or semi-quantitative studies such as the visual examination of RNA gels, Northern blot densitometry or semi-quantitative PCR (PCR mimics). Now, in the genome era, it is possible to carry out a more detailed estimate for many organisms using DNA microarrays.[14] However, research has shown that amplification of the majority of reference genes used in quantifying the expression of mRNA varies according to experimental conditions.[15][16][17] It is therefore necessary to carry out an initial statistically sound methodological study in order to select the most suitable reference gene.

A number of statistical algorithms have been developed that can detect which gene or genes are most suitable for use under given conditions. Those like geNORM or BestKeeper can compare pairs or geometric means for a matrix of different reference genes and tissues.[18][19]

Modeling

Unlike end point PCR (conventional PCR) real time PCR allows quantification of the desired product at any point in the amplification process by measuring fluorescence (in reality, measurement is made of its level over a given threshold). A commonly employed method of DNA quantification by quantitative PCR relies on plotting fluorescence against the number of cycles on a logarithmic scale. A threshold for detection of DNA-based fluorescence is set slightly above background. The number of cycles at which the fluorescence exceeds the threshold is called the threshold cycle (Ct) or, according to the MIQE guidelines, quantification cycle (Cq).[20]

During the exponential amplification phase, the quantity of the target DNA template (amplicon) doubles every cycle. For example, a DNA sample whose Cq precedes that of another sample by 3 cycles contained 23 = 8 times more template. However, the efficiency of amplification is often variable among primers and templates. Therefore, the efficiency of a primer-template combination is assessed in a titration experiment with serial dilutions of DNA template to create a standard curve of the change in Cq with each dilution. The slope of the linear regression is then used to determine the efficiency of amplification, which is 100% if a dilution of 1:2 results in a Cq difference of 1. The cycle threshold method makes several assumptions of reaction mechanism and has a reliance on data from low signal-to-noise regions of the amplification profile that can introduce substantial variance during the data analysis.[21]

To quantify gene expression, the Cq for an RNA or DNA from the gene of interest is subtracted from the Cq of RNA/DNA from a housekeeping gene in the same sample to normalize for variation in the amount and quality of RNA between different samples. This normalization procedure is commonly called the ΔCt-method[22] and permits comparison of expression of a gene of interest among different samples. However, for such comparison, expression of the normalizing reference gene needs to be very similar across all the samples. Choosing a reference gene fulfilling this criterion is therefore of high importance, and often challenging, because only very few genes show equal levels of expression across a range of different conditions or tissues.[23][24] Although cycle threshold analysis is integrated with many commercial software systems, there are more accurate and reliable methods of analysing amplification profile data that should be considered in cases where reproducibility is a concern.[21]

Mechanism-based qPCR quantification methods have also been suggested, and have the advantage that they do not require a standard curve for quantification. Methods such as MAK2[25] have been shown to have equal or better quantitative performance to standard curve methods. These mechanism-based methods use knowledge about the polymerase amplification process to generate estimates of the original sample concentration. An extension of this approach includes an accurate model of the entire PCR reaction profile, which allows for the use of high signal-to-noise data and the ability to validate data quality prior to analysis.[21]

Applications

There are numerous applications for quantitative polymerase chain reaction in the laboratory. It is commonly used for both diagnostic and basic research. Uses of the technique in industry include the quantification of microbial load in foods or on vegetable matter, the detection of GMOs (Genetically modified organisms) and the quantification and genotyping of human viral pathogens.

Diagnostic uses

Diagnostic quantitative PCR is applied to rapidly detect nucleic acids that are diagnostic of, for example, infectious diseases, cancer and genetic abnormalities. The introduction of quantitative PCR assays to the clinical microbiology laboratory has significantly improved the diagnosis of infectious diseases,[26] and is deployed as a tool to detect newly emerging diseases, such as new strains of flu, in diagnostic tests.[27]

Microbiological uses

Quantitative PCR is also used by microbiologists working in the fields of food safety, food spoilage and fermentation and for the microbial risk assessment of water quality (drinking and recreational waters) and in public health protection.[28]

The antibacterial assay Virtual Colony Count[29] utilizes a data quantification technique called Quantitative Growth Kinetics (QGK) that is mathematically identical to QPCR, except bacterial cells, rather than copies of a PCR product, increase exponentially. The QGK equivalent of the threshold cycle is referred to as the “threshold time”.

Uses in research

In research settings, quantitative PCR is mainly used to provide quantitative measurements of gene transcription. The technology may be used in determining how the genetic expression of a particular gene changes over time, such as in the response of tissue and cell cultures to an administration of a pharmacological agent, progression of cell differentiation, or in response to changes in environmental conditions. It is also used for the determination of zygosity of transgenic animals used in research.

Detection of phytopathogens

The agricultural industry is constantly striving to produce plant propagules or seedlings that are free of pathogens in order to prevent economic losses and safeguard health. Systems have been developed that allow detection of small amounts of the DNA of Phytophthora ramorum, an oomycete that kills Oaks and other species, mixed in with the DNA of the host plant. Discrimination between the DNA of the pathogen and the plant is based on the amplification of ITS sequences, spacers located in ribosomal RNA gene’s coding area, which are characteristic for each taxon.[30] Field-based versions of this technique have also been developed for identifying the same pathogen.[31]

Detection of genetically modified organisms

qPCR using reverse transcription (RT-qPCR) can be used to detect GMOs given its sensitivity and dynamic range in detecting DNA. Alternatives such as DNA or protein analysis are usually less sensitive. Specific primers are used that amplify not the transgene but the promoter, terminator or even intermediate sequences used during the process of engineering the vector. As the process of creating a transgenic plant normally leads to the insertion of more than one copy of the transgene its quantity is also commonly assessed. This is often carried out by relative quantification using a control gene from the treated species that is only present as a single copy.[32][33]

Clinical quantification and genotyping

Viruses can be present in humans due to direct infection or co-infections. This makes diagnosis difficult using classical techniques and can result in an incorrect prognosis and treatment. The use of qPCR allows both the quantification and genotyping (characterization of the strain, carried out using melting curves) of a virus such as the Hepatitis B virus.[34] The degree of infection, quantified as the copies of the viral genome per unit of the patient’s tissue, is relevant in many cases; for example, the probability that the type 1 herpes simplex virus reactivates is related to the number of infected neurons in the ganglia.[35] This quantification is carried out either with reverse transcription or without it, as occurs if the virus becomes integrated in the human genome at any point in its cycle, such as happens in the case of HPV (human papillomavirus), where some of its variants are associated with the appearance of cervical cancer.[36]

References

From: Wikipedia, the free encyclopedia

  1. edited by Julie Logan, Kirstin Edwards, and Nick Saunders. (2009). Logan J, Edwards K, Saunders N, ed. Real-Time PCR: Current Technology and Applications. Caister Academic Press. ISBN978-1-904455-39-4.
  2. D. Watson; Baker, T. A.; Bell, S. P.; Gann, A.; Levine, M. et Losick, R (2004). Molecular Biology of the Gene (Fifth ed.). San Francisco: Benjamin Cummings. ISBN0-321-22368-3.  Cite uses deprecated parameter |coauthors= (help)
  3. ^ Jump up to: a b Michael W. Pfaff, Ales Tichopad, Christian Prgomet and Tanja P. Neuvians (2005). Determination of stable housekeeping genes, differentially regulated target genes and sample integrity: BestKeeper – Excel-based tool using pair-wise correlations Biotechnology Letters 26:509-515
  4. Pfaffl, MW; Horgan, GW; Dempfle, L (2002). “Relative Expression Software Tool (REST©) for group wise comparison and statistical analysis of relative expression results in real-time PCR”. Acids Res. 30: e36.
  5. Vandesompele, J; De Preter, K; Pattyn, F; Poppe, B; Van Roy, N; De Paepe, A; Speleman, F (2002). “Accurate normalisation of real-time quantitative RT-PCR data by geometric averaging of multiple internal control genes”. Biol. 3: 1–12.
  6. Rychlik W, Spencer WJ, Rhoads RE (1990). “Optimization of the annealing temperature for DNA amplification in vitro. Nucl Acids Res 18 (21): 6409–6412. doi:1093/nar/18.21.6409. PMC332522. PMID 2243783.
  7. Joseph Sambrook and David W. Russel (2001). Molecular Cloning: A Laboratory Manual (3rd ed.). Cold Spring Harbor, N.Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN0-87969-576-5.
  8. Zipper et al. (2004). “Investigations on DNA intercalation and surface binding by SYBR Green I, its structure determination and methodological implications”. Nucleic Acids Res 32 (12): e103. doi:1093/nar/gnh101. PMC484200. PMID 15249599.  CS1 maint: Explicit use of et al. (link)
  9. Ponchel F, Toomes C, Bransfield K, Leong F.T, Douglas S.H, Field S.L, Bell S.M, Combaret V, Puisieux A, Mighell A.J (2003). “Real-time PCR based on SYBR-Green I fluorescence: An alternative to the TaqMan assay for a relative quantification of gene rearrangements, gene amplifications and micro gene deletions” (W). BMC Biotechnol 3: 18. doi:1186/1472-6750-3-18.
  10. Ririe K.M, Rasmussen R.P, Wittwer C.T. (1997). “Product Differentiation by Analysis of DNA Melting Curves during the Polymerase Chain Reaction” (PDF). Analytical Biochemistry 245 (2): 154–160. doi:1006/abio.1996.9916. PMID9056205.
  11. Bruce Gelerter. “PEMF For Treatment Of Corneal Disorders”.
  12. Dhanasekaran,T. Mark Doherty, John Kenneth and TB Trials Study Group. (Mar 2010). “Comparison of different standards for real-time PCR-based absolute quantification”. Immunol Methods. 354 (1–2): 34–9. doi:10.1016/j.jim.2010.01.004. PMID20109462.
  13. Brunner, AM; Yakovlev, IA; Strauss, SH (2004). “Validating internal controls for quantitative plant gene expression studies”. BMC Plant Biol 4: 14.
  14. Czechowski, T; Stitt, M; Altmann, T; Udvardi, MK; Scheible, WR (2005). “Genome-wide identification and testing of superior reference genes for transcript normalization in Arabidopsis”. Plant Physiol 139: 5–17. doi:1104/pp.105.063743.
  15. Thellin, O; Zorzi, W; Lakaye, B; De Borman, B; Coumans, B; Henne, G; Grisar, T; Igout, A; Heinen, E (1999). “Housekeeping genes as internal standards: use and limits”. J Biotechnol 75: 197–200.
  16. Radonic, A; Thulke, S; Mackay, IM; Landt, O; Siegert, W; Nitsche, A (2004). “Guideline for reference gene selection for quantitative real-time PCR”. Biochem Biophys Res Commun 313: 856–862. doi:1016/j.bbrc.2003.11.177.
  17. Dheda, K; Huggett, JF; Bustin, SA; Johnson, MA; Rook, G; Zumla, A (2004). “Validation of housekeeping genes for normalizing RNA expression in real-time PCR”. Biotechniques 37: 112–119.
  18. Vandesompele J, De Preter K, Pattyn F, Poppe B, Van Roy N, De Paepe A, Speleman F (2002) Accurate normalization of real-time quantitative RT-PCR data by geometric averaging of multiple internal control genes” Genome Biol 37: RESEARCH0034
  19. Pfaffl, MW; Tichopad, A; Prgomet, C; Neuvians, TP (2004). “Determination of stable housekeeping genes, differentially regulated target genes and sample integrity: BestKeeper—Excel-based tool using pair-wise correlations”. Biotechnol Lett 26: 509–515. doi:1023/b:bile.0000019559.84305.47.
  20. Stephen A. Bustin, Vladimir Benes, Jeremy A. Garson, Jan Hellemans, Jim Huggett, Mikael Kubista, Reinhold Mueller, Tania Nolan, Michael W. Pfaffl, Gregory L. Shipley, Jo Vandesompele, and Carl T. Wittwer. (Apr 2009). “The MIQE Guidelines: Minimum Information for Publication of Quantitative Real-Time PCR Experiments”. Clin Chem. 55 (4): :611–22. doi:1373/clinchem.2008.112797. PMID19246619.
  21. Carr, A. C.; Moore, S. D. (2012). Lucia, Alejandro, ed. “Robust Quantification of Polymerase Chain Reactions Using Global Fitting”. PLoS ONE 7 (5): e37640. doi:1371/journal.pone.0037640. PMC3365123. PMID 22701526edit
  22. Schefe JH, Lehmann KE, Buschmann IR, Unger T, Funke-Kaiser H (2006). “Quantitative real-time RT-PCR data analysis: current concepts and the novel “gene expression’s CT difference” formula”. J Mol Med 84 (11): 901–10. doi:1007/s00109-006-0097-6. PMID16972087.
  23. Nailis H, Coenye T, Van Nieuwerburgh F, Deforce D, Nelis HJ (2006). “Development and evaluation of different normalization strategies for gene expression studies in Candida albicans biofilms by real-time PCR”. BMC Mol Biol. 7 (1): 25. doi:1186/1471-2199-7-25. PMC1557526. PMID 16889665.
  24. Nolan T, Hands RE, Bustin SA (2006). “Quantification of mRNA using real-time RT-PCR”. Protoc. 1 (3): 1559–1582. doi:10.1038/nprot.2006.236. PMID17406449.
  25. Boggy G, Woolf PJ (2010). Ravasi, Timothy, ed. “A Mechanistic Model of PCR for Accurate Quantification of Quantitative PCR Data”. PLOS One 5 (8): e12355. doi:1371/journal.pone.0012355. PMC2930010. PMID 20814578.
  26. Sails AD (2009). “Applications in Clinical Microbiology”. Real-Time PCR: Current Technology and Applications. Caister Academic Press. ISBN978-1-904455-39-4.
  27. FDA Authorizes Emergency Use of Influenza Medicines, Diagnostic Test in Response to Swine Flu Outbreak in Humans. FDA News, April 27, 2009.
  28. Filion, M (editor) (2012). Quantitative Real-time PCR in Applied Microbiology. Caister Academic Press. ISBN978-1-908230-01-0.
  29. Ericksen B, Wu Z, Lu W, Lehrer RI. (2005). “Antibacterial Activity and Specificity of the Six Human α-Defensins”. Antimicrob Agents Chemother. 49 (1): 269–75. doi:1128/AAC.49.1.269-275.2005. PMC538877. PMID 15616305.
  30. Baldwin, B.G. (1992). “Phylogenetic utility of the internal transcribed spacers of nuclear ribosomal DNA in plants: An example from the Compositaogy”. Molecular Phylogenetics and Evolution 1 (1): 3–16. doi:1016/1055-7903(92)90030-K. PMID1342921.
  31. Tomlinson, J. A.; Barker, I.; Boonham, N. (2007). “Faster, Simpler, More-Specific Methods for Improved Molecular Detection of Phytophthora ramorum in the Field”. Applied and Environmental Microbiology 73 (12): 4040–4047. doi:1128/AEM.00161-07. PMC1932743. PMID 17449689.
  32. Holst-jensen A, R{o}nning S.B, L{o}vseth A, Berdal K.G. (2003). “PCR technology for screening and quantification of genetically modified organisms (GMOs)” (PDF). Analytical and Bioanalytical Chemistry 375 (8): 985–993. doi:1007/s00216-003-1767-7.
  33. Brodmann P.D, Ilg E.C, Berthoud H, Herrmann A. (2002). “… -Time Quantitative Polymerase Chain Reaction Methods for Four Genetically Modified Maize Varieties …”. Journal of AOAC International 85 (3): 646–653. doi:5555/jaoi.2002.85.3.646. PMID12083257.
  34. Yeh S.H. Tsai C.Y. Kao J.H. Liu C.J. Kuo T.J. Lin M.W. Huang W.L. Lu S.F. Jih J. Chen D.S. Others (2004). “Quantification and genotyping of hepatitis B virus in a single reaction by real-time PCR and melting …”. Journal of Hepatology 41 (4): 659–666. doi:1016/j.jhep.2004.06.031. PMID15464248.
  35. Sawtell N.M. (1998). “The Probability of in Vivo Reactivation of Herpes Simplex Virus Type 1 Increases with the Number of Latently Infected Neurons in the Ganglia”. Journal of Virology 72 (8): 6888–6892. PMC109900. PMID 9658140.
  36. Peter M. Rosty C. Couturier J. Radvanyi F. Teshima H. Sastre-garau X. (2006). “MYC activation associated with the integration of HPV DNA at the MYC locus in genital tumours” (W). Oncogene 25 (44): 5985–5993. doi:1038/sj.onc.1209625. PMID16682952.

Bibliography

  • Elyse; Houde, Alain (2002). “La PCR en temps réel: principes et applications” (PDF). Reviews in Biology and Biotechnology 2 (2): 2–11.
  • Bustin, SA (2000). “Absolute quantification of mRNA using real-time reverse transcription polymerase chain reaction assays”. J Mol Endocrinol 25 (2): 169–93. doi:10.1677/jme.0.0250169. PMID 11013345.
  • Higuchi, R.; Dollinger, G.; Walsh, P.S.; Griffith, R. (1992). “Simultaneous amplification and detection of specific DNA-sequences”. Bio-Technology 10 (4): 413–417. doi:10.1038/nbt0492-413.
  • Holland, P.M.; Abramson, R.D.; Watson, R.; Gelfand, D.H. (1991). “Detection of specific polymerase chain reaction product by utilizing the 50 !30 exonuclease activity of Thermus aquaticus DNA polymerase”. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88 (16): 7276–7280. JSTOR 2357665.
  • Kubista, M; Andrade, JM; Bengtsson, M; Forootan, A; Jonak, J; Lind, K; Sindelka, R; Sjoback, R; Sjogreen, B; Strombom, L; Stahlberg, A; Zoric, N (2006). “The real-time polymerase chain reaction”. Mol Aspects Med. 27 (2-3): 95–125. doi:10.1016/j.mam.2005.12.007. PMID 16460794.
  • Higuchi, R.; Fockler, C.; Dollinger, G.; Watson, R. (1993). “Kinetic PCR: Real time monitoring of DNA amplification reactions”. Biotechnology 11: 1026–1030. doi:10.1038/nbt0993-1026.
  • Filion, M. (2012). “Quantitative Real-time PCR in Applied Microbiology.” Caister Academic Press. ISBN 978-1-908230-01-0
  • Wawrik, B; Paul, JH; Tabita, FR (2002). “Real-time PCR quantification of rbcL (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) mRNA in diatoms and pelagophytes”. Appl. Environ. Microbiol 68: 3771–3779. doi:10.1128/aem.68.8.3771-3779.2002.
  • Logan J, Edwards K, Saunders N (editors) (2009). Real-Time PCR: Current Technology and Applications. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-39-4.

External links

نظر دهید
دیدگاه‌ها برای Real-time PCR بسته هستند

PCR

16 مارس 10

واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR)

در بیولوژی مولکولی، واکنش زنجیره ای پلی مراز یا PCR، بمنظور تکثیر یک قطعه DNA مورد استفاده قرار میگیرد. تکنیک PCR در سال 1984 توسط کری مولیس (Kary Mullis) ارائه شده است. در این تکنیک، یک مولکول DNA میلیونها بار تکثیر میشود. در روش PCR سیکل های دمایی (Cycle) ایجاد میشود. در ابتدا با ایجاد حرارت و رساندن  دمای محلول  به نقطه ذوب DNA، دو رشته DNA از هم جدا میشوند. در مرحله بعد با کاهش دما یک آنزیم DNA پلیمراز فعال شده، عمل همانند سازی (Replication) را انجام میدهد. DNA پلیمراز آنزیمی است که با استفاده از نوکلئوتیدها (مصالح ساختمانیDNA)،  رشته الگو(DNAی مورد مطالعه) و یک قطعه پرایمر قادر به همانند سازی است. صحت نتایج PCR بستگی به انتخاب پرایمر مناسب دارد. پرایمرها قطعات کوچک پلی نوکلئوتیدی هستند و در آزمایشگاه به گونه ای طراحی و سنتز شده اند که دارای سکانس نوکلئوتیدی مکمل با ناحیه َ3 در  مولکول DNAی مورد نظر هستند. بنابر این بطور اختصاصی فقط به این مولکولها متصل شوند. چون آنزیم DNA پلیمراز به قطعات پرایمر متصل میشود، در نتیجه فقط مولکول DNAی هدف همانند سازی و تکثیر میگردد. با اعمال تغییرات دمایی بطور متوالی و برنامه ریزی شده، روند PCR تکرار گردیده و در هر مرحله DNA دو برابر میشود. بنابر این تعداد مولکولهای DNA بصورت تصاعدی و به نسبت n2 افزایش می یابد که n  تعداد سیکل های دمایی است. مثلا یک مولکول DNA، پس از 20 سیکل به 1.047.586 مولکول تکثیر میشود. در مرحله همانند سازی، برای جدا نگهداشتن دو رشته DNA، باید دمای محلول بالا باشد. بنابر این از یک نوع آنزیم DNA پلیمراز مقاوم به حرارت استفاده میشود. اولین آنزیمی که بدین منظور مورد استفاده قرار گرفت Taq polymerase بود که از باکتری ترموس آکواتیکوس(Thermus aquaticus) بدست می آید.

امروزه PCR بعنوان یک ابزار مهم در فعالیتهای تحقیقاتی و بالینی محسوب میشود. بعضی از کاربردهای PCR عبارتند از: کلونینگ DNA بمنظور تعیین توالی، فیلوژنی بر اساس DNA (آنالیزعملکردی ژنها)، تشخیص بیماریهای ارثی، انگشت نگاری ژنتیکی (در تعیین والدین و جرم شناسی) و تشخیص بیماریهای عفونی. در سال 1993 به پاس ابداع تکنیک PCR، جایزه نوبل به کری مولیس اهداء گردید.

PCR برای تکثیر بخشهای خاصی از مولکول DNA مورد استفاده قرار میگیرد. این بخشها ممکن است یک ژن کامل، قسمتی از یک ژن یا سکانسهای بین ژنها باشند. در بسیاری از روشهای PCR، قطعات DNAی هدف حداکثر 10 کیلو جفت باز(kb) دارند. اگرچه در بعضی از روشهای خاص، قطعات بزرگتر حتی تا kb40 را هم میتوان تکثیر کرد. محلول PCR معمولا حاوی مواد زیر است:

1.  DNAی الگو: شامل DNAی هدف است که تکثیر میگردد.

2.  پرایمرهای Forward و Reverse: به گونه ای طراحی شده اند که هر یک مکمل ناحیه َ3 در یکی از رشته های DNA باشد.

3.  Taq polymerase یا DNA پلیمراز دیگری که دمای بهینه اش در حدود 70 درجه سانتیگراد باشد.

4.  دزوکسی نوکلئوزید تری فسفاتها (dNTPs): مصالح ساختمانی که توسط DNA پلیمراز برای ساختن رشته های DNAی جدید بکار میروند.

5.  محلول بافر: شرایط محیطی مناسبی را از نظر pH و یونهای مختلف ایجاد میکند تا پایداری DNA پلیمراز و فعالیت بهینه آن تامین شود.

6.  کاتیونهای دو ظرفیتی: یونهای منیزیم یا منگنز

7.  کاتیون یک ظرفیتی: یون پتاسیم

محلولPCR  معمولا به حجم 10 تا 200 میکرولیتر در لوله های کوچک 0.2 تا 0.5 میلی لیتر تهیه میشود. این لوله هل در بلوکهای مخصوصی در دستگاه ترموسایکلر قرار داده میشوند. ترمو سایکلر، طبق برنامه ریزی انجام شده، دمای لوله ها را در زمانهای مشخصی افزایش و کاهش میدهد تا مراحل مختلف PCR انجام شود. برای جلوگیری از تبخیر محلول (و در نتیجه افزایش غلظت در بخشهای بالائی محلول)، معمولا یک لایه روغن بر سطح محلول قرار داده مبشود. ولی در دستگاه های جدیدتر از درپوش های حرارتی استفاده میشود.

در روش PCR تغییرات دمائی(سیکل ها) بین 20 تا 40 بار تکرار میشود. تعداد سیکل ها با توجه به مقدار DNAی اولیه،  شرایط آزمایش و مقدار محصول مورد نیاز انتخاب میشود. دمای لوله ها و فواصل زمانی هم تابع عوامل مختلفی است از جمله: نقطه ذوب پرایمرها (Tm)، نوع DNA پلیمراز، غلظت یونهای دو ظرفیتی و غلظت dNTPها.

مراحل PCR:

1.  مرحله شروع (Initialization step): به مدت 1 تا 9 دقیقه دمای محلول به 94 تا 96 درجه (یا 98 درجه اگر پلیمرازها کاملا به حرارت مقاوم باشند) رسانیده میشود. این مرحله فقط برای DNA پلیمرازهایی ضروری است که نیازمند فعال شدن توسط حرارت در روشhot-start PCR هستند.

2.  مرحله واسرشت (Denaturation step): این مرحله اولین قسمت از سیکل های حرارتی منظم است و شامل حرارت دادن محلول به مدت 20 تا 30 ثانیه در دمای 94 تا 98 درجه است. در این مرحله بعلت گسستن پیوندهای هیدروژنی (بین نوکلئوتیدها)، DNAی الگو و پرایمرها از هم جدا میشوند و تک رشته های DNA حاصل میگردد.

3.  مرحله اتصال (Annealing step): دمای محلول به مدت 20 تا 40 ثانیه به 50 تا 65 درجه کاهش می یابد. در این مرحله پرایمرها به تک رشتهای DNAی الگو متصل میشوند. بطور طبیعی، دمای اتصال (Annealing temperature) در حدود 3 الی 5 درجه پائین تر از نقطه ذوب پرایمرها است. پیوندهای هیدروژنی پایدار فقط زمانی شکل میگیرد که سکانس پرایمر و رشته الگو مکمل یکدیگر باشند. آنزیم پلیمراز پس از اتصال به هیبرید پرایمر-الگو، همانند سازی DNA را آغاز میکند.

4.  مرحله طویل شدن (Extension/elongation step): دمای محلول در این مرحله باید متناسب با نوع DNA پلیمراز مورد استفاده باشد. دمای اپتیمم برای آنزیم Taq polymerase حدود 75 الی 80 درجه است که معمولا دمای 72 درجه انتخاب میشود. در این مرحله آنزیمDNA پلیمراز با استفاده از dNTP های موجود در محلول، یک رشته DNAی جدید را در جهت َ5 به َ3 و در مقابل رشته های الگو میسازد.مدت زمان این مرحله نیز باید متناسب با نوع DNA پلیمراز و طول رشته DNA باشد. در دمای بهینه، DNA پلیمراز در هر دقیقه، یک هزار باز را پلیمریزه مینماید. در مرحله طویل شدن در صورت وجود سوبسترای کافی و تامین شرایط بهینه، مقدار DNA در محلول PCR دو برابر میشود. بنابر این در هر سیکل PCR، غلظت DNA بصورت تصاعدی افزایش می یابد.

5.  مرحله طویل شدن نهایی (Final elongation): این مرحله، پس از آخرین سیکل PCR، به مدت 5 الی 15 دقیقه در دمای 70 الی 74 درجه انجام میشود، تا اطمینان حاصل شود که همه تک رشته های DNA همانند سازی شده اند.

6.  نگهداری نهایی (Final hold): در این مرحله، محلول نهایی به مدت کوتاهی در دمای 4 الی 15 درجه قابل نگهداری است.

7.  الکتروفورز در ژل آگارز: نهایتا میتوان محصولات PCR را بر روی ژل آگارز و همراه با مارکر وزن مولکولی(DNA lader که حاوی قطعات DNA با اندازه های مشجص است) الکتروفورز نمود، تا صحت انجام PCR بررسی شود.

کاربردهای PCR

1.  تشخیص بیماریها: از روش PCR برای بررسی بسیاری از بیماریها استفاده میشود. مثلا در تشخیص بدخیمی هایی نظیر لوسمی (leukemia) و لنفوم (lymphomas)، سنجش PCR مستقیما بر روی DNAی ژنومی انجام میشود تا تغییر در بیان ژنها بررسی گردد. حساسیت این روش ده هزار برابر روشهای معمول است. PCR را میتوان بمنظور شناسائی میکروارگانیسمهایی بکار برد که قابل کشت نیستند و یا سرعت رشد آنها در محیط کشت خیلی کند است از جمله میکوباکتریها (mycobacteria)، باکتریهای غیر هوازی (anaerobic bacteria) و ویروسها (viruses). در مطالعات میکروبیولوژی از روش PCR برای شناسائی عوامل عفونت زا و تشخیص گونه های پاتوژن از غیر پاتوژن نیز استفاده میشود. بدین منظور ژنهای خاصی رهگیری و تعیین مقدار میشوند. بدلیل حساسیت بالای PCR، میتوان بلافاصله پس از عفونت و قبل از ظهور بیماری، وجود میکروارگانیسمها را بررسی و اقدامات درمانی را آغاز کرد.

2.  تحقیقات جنایی (forensic analysis): در صحنه جرم، معمولا مقدار DNA بسیار کم است. بنابر این با روش PCR میتوان تکثیر DNA را انجام داد تا مقادیر کافی از مولکولهای ژنتیکی بدست آید. سپس ماهیت DNA بررسی میشود.

3.  انگشت نگاری ژنتیک (genetic fingerprinting): با روش PCR میتوان با توجه به ماهیت DNA به هویت اشخاص پی برد. بعنوان مثال والدین را شناسائی کرد و یا رابطه ژنتیکی افراد را بررسی نمود. همچنین رابطه تکاملی موجودات زنده نیز با روش انگشت نگاری ژنتیکی قابل مطالعه است.

4.   بررسی DNA قدیمی (ancient DNA): با روش PCR، مولکولهای DNA بسیار قدیمی حتی متعلق به ده ها هزار سال قبل مورد  مطالعه قرار گرفته است. مثلا DNA یک ماموت از چهل هزار سال قبل، مومیایی های مصری و تزار روسیه با این تکنیک بررسی شده است.

5.   جداسازی DNAی ژنومی: با روش PCR میتوان بخشهایی از DNAی ژنومی را انتخاب و پس از جداسازی تکثیر نمود. مثلا برای کلونینگ DNA و یا تولید شاخصهای دورگه سازی (hybridization probes) در روشهای Southern و Northern، مقادیر زیادی از DNA مورد نیاز است که با روش PCR قابل تهیه است. همجنین در مواردی که حجم نمونه اولیه بسیار کم باشد، با روش PCR میتوان DNAی موجود را تکثیر کرد و سپس مورد مطالعه قرار داد.

6.   تعیین توالی DNA (DNA sequencing): پس از تکثیر DNA با روش PCR، میتوان توالی نوکلئوتیدی را تععیین کرد و در صورت لزوم به پلاسمید باکتری یا DNAی کروموزومی در یوکاریوتها الحاق نمود و بدین ترتیب DNAی نوترکیب (recombinant DNA) ایجاد کرد. حتی در مرحله بعد میتوان سریعا با استفاده از PCR، کلنی های باکتری را از نظر وجود این DNAی نوترکیب مورد بررسی قرار داد.

انواع PCR

با ایجاد تغییراتی در تکنیک PCR، زمینه های کاربرد وسیعی ایجاد شده است. بعضی از انواع PCR بطور خلاصه بشرح زیر است:

1.  Allele-specific PCR: بمنظور بررسی تغییر در فقط یک نوکلئوتید (single-nucleotide polymorphisms) در تشخیص بیماریها و کلونینگ DNA بکار میرود.

2.  Assembly PCR یا (Polymerase Cycling Assembly:PCA): یک روش آزمایشگاهی برای سنتز مولکولهای DNAی بزرگ  است. بدین منظور از الیگونوکلئوتیدهایی استفاده میشود که همپوشانی دارند.

3.  Asymmetric PCR: در این روش فقط یکی از دو رشته DNA تکثیر میشود. پلی نوکلئوتیدهای حاصل بمنظور تعیین توالی یا تولید شاخص های دو رگه مورد استفاده قرار میگیرند.

4.  Helicase-dependent amplification: در این تکنیک برای جدا کردن دو رشته DNA، بجای حرارت از آنزیم هلیکاز      (DNA Helicase) استفاده میشود.

5.  Hot-start PCR: برای جلوگیری از تکثیر DNAهای ناخواسته مخصوصا در مراحل اولیه PCR استفاده میشود. بدین منظور قبل از افزودن پلیمراز، دمای محلول به نقطه ذوب (مثلا 95 درجه) رسانده میشود.

6.  Intersequence-specific PCR: برای انگشت نگاری DNA از طریق تکثیر مناطق بین سکانسهای تکراری بکار میرود.

7.  Inverse PCR: کاربرد این تکنیک زمانی است که فقط یک سکانس داخلی شناسایی شده است.

8.  Ligation-mediated PCR: در این روش از DNAهای رابط کوچک (small DNA linkers)  که به DNAی مورد نظر متصل شده اند، استفاده میشود. کاربرد این روش در تعیین توالی DNA (DNA sequencinggenome walking و DNA footprinting است.

9.  Methylation-specific PCR: این تکنیک توسط Stephen Baylin  وJim Herman در دانشکده پزشکی دانشگاه جان هاپکینز ابداع شده است و بمنظور بررسی متیلاسیون در قطعات CpG (CpG islands) در DNAی ژنومیک بکار میرود.

10.     Miniprimer PCR: در این روش از یک نوع پلیمراز جدید بنام(S-Tbr)  استفاده میشود که قادر است به پرایمرهای کوچک 9 یا 10 نوکلئوتیدی(smalligos) متصل شود. در حالیکه Taq به پرایمرهای بزرگتری متصل میشود که حدود 20 نوکلئوتید دارند. بنابر این با استفاده از S-Tbr، پرایمرهای کوچکتری را میتوان طراحی کرد.

11.     Multiplex Ligation-dependent Probe Amplification: در این روش با استفاده از یک جفت پرایمر، میتوان چند نوع DNAی مختلف را تکثیر کرد.

12.     Multiplex-PCR: در این تکنیک از چند پرایمر در یک محلول PCR استفاده میشود و آمپلیکونهایی (amplicons) تهیه میشود که اندازه های متفاوتی دارند و مختص DNAهای مختلفی هستند. با هدف قرار دادن چندین ژن در یک محلول PCR، میتوان با آزمایشات کمتر و زمان کوتاهتر، اطلاعات بیشتری جمع آوری کرد.

13.     Nested PCR: در این روش از تکثیر DNAی ناخواسته جلوگیری شده اثرات زمینه ای کم میشود. بدین ترتیب در فرآیند تکثیر DNAی هدف، اختصاصی بودن (specificity) افزایش می یابد.

14.     Quantitative PCR : این تکنیک برای بررسی وجود DNA، cDNA یا RNA و همچنین تعیین غلظت آنها یکار میرود. یکی از شاخه های مهم این تکنیک Quantitative real-time PCR است که از نظر صحت (accuracy) در بالاترین سطح قرار دارد و در آزمایشگاه های تشخیص بالینی کاربرد وسیعی یافته است. در روش Q-PCR برای تعیین غلظت DNA از رنگهای فلورسانس (نظیر Sybr Green) یا شاخصهای DNAی فلورسانس (نظیر TaqMan) استفاده میشود.

15.     RT-PCR: این نوع از PCR بمنظور شناسایی، استخراج یا تکثیر RNA از نمونه های سلول یا بافت مورد استفاده قرار میگیرد. در این تکنیک از ترانس کریپتاز معکوس (reverse transcriptase) برای تبدیل RNA به cDNA استفاده میشود.

16.     TAIL-PCR: برای جداسازی سکانس های ناشناخته ای بکار میرود که متصل به یک سکانس شناخته شده اند.

17.     Touchdown PCR: یک نوع تغییر یافته از PCR است که موجب کاهش اثرات زمینه ای و غیر اختصاصی میشود. در این روش برنامه PCR به گونه ای طراحی میگردد که در طی سیکل های متوالی، بتدریج دمای مرحله اتصال (Annealing step) کاهش می یابد. بدین ترتیب که در سیکل های ابتدائی، دما در حدود 3 الی 5 درجه بالاتر از Tm پرایمر و در سیکلهای انتهایی در حدود 3 تا 5 درجه پائینتر از Tm پرایمر تنظیم میشود.

18.     PAN-AC: در این تکنیک، سلولهای زنده مورد مطالعه قرار میگیرند. به همین دلیل تکثیر DNA در دمای ثابت انجام میشود.

کیتهای PCR

در سایت PrimerDesign کیتهای متعددی برای تشخیص عوامل پاتوژن به روش real-time PCR،  به شرح زیر معرفی شده است:

Acinetobacter baumannii

Adenovirus Type B

Adenovirus Type C

Adenovirus Type F and G

Aggregatibacter actinomycetemcomitans

Aspergillus all pathogenic subtypes

Avian adenovirus: Egg Drop Syndrome

Avian influenza: H5N1

Bacteria Hemorrhagic Septicemia

Bifidobacterium

Bordetella pertussis

Botrytis cinerea

Bovine herpesvirus 1

Bovine leukemia virus

C.fetus-venerialis

Campylobacter Coli

Campylobacter fetus

Campylobacter jejuni

Candida albicans

Klebsiella pneumoniae

Chikungunya

Chlamydia

Chlamydophila pneumoniae

Clostridium difficile

Corynebacterium diphtheriae

Crimean Congo Haemorragic Fever Virus

Cryptosporidium

Dengue Virus subtypes 1,2 3 and 4

Enterococcus faecalis

Enterococcus faecium

Enterovirus

Human Influenza A virus

Escherichia coli

Eubacteria

Sin Nombre

Gardia lamblia

Gonorrhoeae

Grass Carp Reovirus

Haemophilus influenzae

Helicobacter Pylori

Hepatitis A Virus

Hepatitis B Virus

Hepatitis C Virus

Hepatitis Delta Virus

Human Herpes Virus 1: Herpes simplex type 1

Human Herpes Virus 2: Herpes simplex type 2

Human Herpes Virus 3: Varicella-Zoster

Human Herpes Virus 4:Epstein Barr

Human Herpes Virus 5: Cytomegalovirus

Human Herpes Virus 6

Human Herpes Virus 8: Kaposi Sarcoma

Human Immunodeficiency Virus type 1

Human Immunodeficiency Virus type 2

Human influenza A virus: subtype H1

Human influenza A virus: subtype H3

Human influenza A virus: subtype H6

Human influenza A virus: subtype H7

Human influenza A virus: subtype H9

Human influenza B virus

Human Metapneumovirus

Human Papillomavirus 11

Human Papillomavirus 16

Human Papillomavirus 18

Human Papillomavirus 33

Human Papillomavirus 52 and 52b

Human Papillomavirus 58

Human Papillomavirus 6

Human Parainfluenza virus type 1

Human Parainfluenza virus type 2

Human Parainfluenza virus type 3

Human Parvovirus B19

Human Rhinovirus: all subtypes, generic

Human Rhinovirus subtype 16

Human Rhinovirus subtype 1B

Infectious Bursal Disease Virus

Japanese encephalitis virus

Legionella all species

Leishmania infantum

Leptospirosis

Listeria monocytogenes

Listeria monocytogenes

M. avium subsp. paratuberculosis

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus

Mycobacterium Tuberculosis

Mycoplasma pneumoniae

Neisseria meningitidis

Polyomavirus BK

Polyomavirus JC

Porphyromonas gingivalis

Pseudomonas aeruginosa

Respiratory Syncytial Virus type A

Respiratory Syncytial Virus type B

Salmonella enterica

Shigella

Legionella pneumophila

Spring Viremia of Carp Virus

Staphylococcus epidermidis

Streptococcus mutans

Streptococcus pneumoniae

Streptococcus pneumoniae

Streptococcus pyogenes

Swine flu Brucella

Toxoplasma gondii

Treponema pallidum

Trichomonas vaginalis

Tritrichomonas foetus

Vibrio cholerae