إنزيم المستحرة المائية: مفتاحك إلى اختبار PCR

اختبار تفاعل البوليميراز المتسلسل (اختصارًا PCR) هو طريقة لتضخيم تسلسل معين من الحمض النووي باستخدام إنزيم المستحرة المائية (taq polymerase). تم تطوير هذه التقنية لأول مرة في الثمانينيات، ومنذ ذلك الحين أحدثت ثورة في اختبارات الأحياء. قبل تفاعل البوليميراز المتسلسل، يمكن عزل كميات صغيرة فقط من الحمض النووي وتحليلها من العينات. ومع ذلك، يسمح تفاعل البوليميراز المتسلسل بتضخيم كميات دقيقة من الحمض النووي، مما يجعل من الممكن الحصول على نتائج دقيقة حتى من كميات ضئيلة من المادة الجينية.

إن بوليميراز المستحرة المائية هو إنزيم رئيسي في اختبار PCR الشهير، وهي تقنية قوية تستخدم لتضخيم الحمض النووي. يتميز بوليميراز المستحرة المائية بقدرته على تحمل درجات الحرارة العالية المطلوبة لإفساد الحمض النووي، ويمكنه بعد ذلك نسخ خيوط الحمض النووي النموذجي بكفاءة. تعتبر هذه المميزات أداة أساسية للتطبيقات القائمة على PCR مثل تسلسل الحمض النووي والطب الشرعي والهندسة الوراثية.

يستخدم بوليميراز المستحرة المائية في الأبحاث لدراسة وظيفة الجينات ولتطوير اختبارات تشخيصية وعلاجات جديدة للأمراض. كان لاكتشاف هذا الإنزيم ودوره في PCR تأثير عميق على العلم والمجتمع، ولا يزال أداة أساسية في التكنولوجيا الحيوية الحديثة.

بالإضافة إلى ذلك، يلعب بوليميراز المستحرة المائية دورًا مهمًا في ضمان دقة تكرار الحمض النووي. لذلك، فهو مكون حيوي في اختبار PCR ويلعب دورًا مهمًا في ضمان النتائج والتسبب في جعلها نتائج دقيقة وموثوقة. يعتبر بوليميراز المستحرة المائية أيضًا غير مكلف نسبيًا ويسهل الحصول عليه، مما يجعله خيارًا شائعًا للعديد من المختبرات.

بوليميراز المستحرة المائية: ما هو؟

بوليميراز المستحرة المائية هو إنزيم ثابت حراريًِا يستخدم في تفاعل البوليميراز المتسلسل. هذا الإنزيم قادر على الصمود أمام درجات الحرارة العالية، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في تفاعل البوليميراز المتسلسل PCR. حيث أنه هو المسؤول بشكل مباشر عن تضخيم قالب الحمض النووي. هذا الإنزيم ضروري لتطبيقات تفاعل البوليميراز المتسلسل٫ مثل: تسلسل الحمض النووي٫ والطب الشرعي والتشخيص.

يستخدم بوليميراز المستحرة المائية أيضًا في تقنيات البيولوجيا الجزيئية الأخرى، مثل:

  1. النسخ الكمي (qPCR)
  2. RT-PC (النسخ العكسي PCR)

إن بوليميراز المستحرة المائية هو إنزيم رئيسي في هذه التقنيات، لكونه يسمح بتضخيم قوالب الحمض النووي أو الحمض النووي الريبوزي. يتم إنتاجه بواسطة بكتيريا Thermus aquaticus، والتي توجد في الينابيع الساخنة. تم عزل هذا الإنزيم لأول مرة في عام ١٩٧٦، ومنذ ذلك الحين يستخدم على نطاق واسع في تطبيقات تفاعل البوليميراز المتسلسل.

التاريخ، وما يكمن وراء بوليميراز المستحرة المائية!

بوليميراز المستحرة المائية هو حمض نووي ثابت حرارياً سمي على اسم بكتيريا ترمس أكوا-تيكوس المحبة للحرارة والتي تم عزلها في الأصل بواسطة دكتور Thomas D. Brock في عام ١٩٦٥. تعد تقنية PCR هي تقنية يتم فيها تضخيم شرائح معينة من الحمض النووي، ويعد بوليميراز المستحرة المائية ضروريًا لهذه العملية. بواسطة المستحرة المائية في PCR، يتم استخدام امتدادات قصيرة من الحمض النووي تسمى الإشعال لبدء تخليق خيوط الحمض النووي الجديدة. ثم يقوم الإنزيم بتمديد هذه الخيوط، مما يؤدي إلى تضخيم التسلسل المستهدف.

تم تطوير PCR لأول مرة في أوائل الثمانينيات، ولعب بوليميراز المستحرة المائية دورًا رئيسيًا في نجاحه. بوليميراز المستحرة المائية هو إنزيم متحمل للحرارة، مما يعني أنه مستقر عند درجات الحرارة العالية. هذا مهم لـ pcr لأن العملية تتضمن تسخين وتبريد عينة الحمض النووي بشكل متكرر لتحقيق التضخيم المطلوب. بفضل هذه الخصائص، سرعان ما أصبح أحد أهم الأدوات في البيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة كما ذكرنا سابقًا.

لماذا يستخدم إنزيم بوليميراز المستحرة المائية في اختبار PCR؟

تتضمن عملية تفاعل البوليميراز المتسلسل دورات تسخين وتبريد لفصل قالب DNA مزدوج الشريطة، وتغيير طبيعة خيوط الحمض النووي. حيث تصلب البادئات إلى القالب، وتمدد البادئات باستخدام taq polymerase. ينشط بوليميراز المستحرة المائية على نطاق واسع من درجات الحرارة، من ٤٠-٧٥ درجة مئوية. تبلغ درجة الحرارة المثلى لنشاط الإنزيم حوالي ٧٢ درجة مئوية. يمكن أن يتحمل بوليميراز المستحرة المائية أيضًا درجات الحرارة العالية المستخدمة في عملية PCR، حتى ٩٥ درجة مئوية.

يحتوي بوليميراز المستحرة المائية على عدد من المميزات التي تجعله مثاليًا للاستخدام في اختبار الـ PCR. أولاً، يتمتع بدرجة عالية من التسامح في حالات عدم التطابق بين التمهيدي و DNA القالب. يعد هذا مهمًا لأن تفاعل البوليميراز المتسلسل يضخم الحمض النووي من كميات صغيرة جدًا من المادة البدائية، وقد لا تتطابق البادئات تمامًا مع قالب الحمض النووي. ثانيًا، يحتوي على نشاط تدقيق يمكّنه من تضخيم قوالب الحمض النووي بدون أخطاء. يعد هذا هامًا جدًا لأن تفاعل البوليميراز المتسلسل يضخم الحمض النووي إلى مستويات عالية للغاية، وأي أخطاء في منتج تفاعل البوليميراز المتسلسل يمكن أن تؤدي إلى مشاكل.

في اختبارات PCR: ما هي وظيفة انزيم بوليميراز المستحرة المائية؟

يستخدم بوليميراز المستحرة المائية بشكل روتيني في تفاعل البوليميراز المتسلسل، حيث يحفز تركيب خيوط الحمض النووي الجديدة عن طريق إضافة نيوكليوتيدات إلى 3′ نهاية من حبلا القالب. تُعرف هذه العملية باسم تكرار الحمض النووي. من أجل أن يقوم taq polymerase بتكرار القالب بدقة، يجب أولاً ربطه بضفيرة القالب. بمجرد الارتباط، يستخدم الإنزيم الاستقرار الحراري الخاص به لإطالة حبلا الحمض النووي عن طريق إضافة النيوكليوتيدات.

كما قلنا، يتكيف بوليميراز المستحرة المائية مع درجات الحرارة العالية. هذا مهم، لأن تفاعل البوليميراز المتسلسل يتطلب تكرار تسخين وتبريد خليط التفاعل. إذا لم يكن الإنزيم مستقرًا عند درجات حرارة عالية، فسيتم تغيير طبيعته ولن يعمل بشكل صحيح. بشكل عام، يعتبر إنزيم المستحرة المائية ضروريًا لاختبارات PCR حيث أن دقته العالية واستقراره الحراري يجعلانه مثاليًا لهذا الغرض، فبدون هذا الإنزيم، لن يكون اختبار الـ PCR ممكنًا!

استخدام إنزيم المستحرة المائية– البروتوكول الواجب اتباعه!

نظرًا لأن الإنزيم يظل نشطًا في درجات حرارة تفسد الحمض النووي مزدوج الشريطة، يتم استخدام taq polymerase بشكل متكرر في اختبار الـ PCR، مما يسمح بتضخيم مناطق معينة من الحمض النووي (أو cDNA). يصنع الحمض النووي باستخدام خيط القالب كأساس لتمديد الخيط التكميلي الجديد.

يحتوي الإنزيم على نشاط نوكلياز خارجي 5′-3، لكنه يفتقر إلى نشاط نوكلياز خارجي كبير 3′-5، مما يجعله غير مناسب للاستخدام في تفاعل البوليميراز المتسلسل طويل المدى أو للتطبيقات التي تتطلب نشاطًا تدقيقًا. على الرغم من هذه القيود، فقد تم استخدام الإنزيم بشكل فعال في مجموعة متنوعة من تطبيقات PCR.
بوليميراز المستحرة المائية هو عضو في عائلة الإنزيمات، والتي تشمل بوليميرات DNA أخرى قابلة للحرارة مثل Deep Vent و exo. هذه الإنزيمات الثلاثة مشتقة من أنواع Thermococcus، كان هذا أول بوليميراز DNA قابل للحرارة يتم تنقيته وتمييزه.

تعتمد ظروف التفاعل المثلى لـ PCR المحفز بـ بوليميراز المستحرة المائية على عدد من العوامل، بما في ذلك DNA القالب، والبادئات، و dNTPs.  بشكل عام، يتم إجراء التفاعلات عند ٩٤-٩٥ درجة مئوية للتمسخ، و ٥٠-٦٠ درجة مئوية للتلدين، و ٧٢ درجة مئوية للتمديد. غالبًا ما يستخدم أيون المغنيسيوم كعامل مساعد في تفاعلات تفاعل البوليميراز المتسلسل، ويمكن أن يختلف التركيز الأمثل لـ Mg+2 اعتمادًا على ظروف التفاعل.

عادة ما يتم إجراء تفاعلات PCR المحفزة بواسطة Taq polymerase بحجم 50-200 ميكرولتر.  تضاف المكونات التالية عادةً إلى خليط التفاعل:

  1. قالب DNA
  2. البادئات الأمامية والخلفية (١٠-٥٠ مول لكل منهما)
  3. dNTPs. حيث يأخذ كلًا منهما (٢٥٠-٣٠٠) ميكرومتر
  4. 10x PCR عازلة (١٠٠ ملي تريس- حمض الهيدروكلوريك، الرقم الهيدروجيني ٨.٣ عند ٢٥ درجة مئوية، ٥٠٠ ملي مول كلوريد، ١٥ ملي MgCl2)
  5. بوليميراز المستحرة المائية (٥-١٠ وحدة / تفاعل)

يختلف التركيب المحدد لخليط التفاعل اعتمادًا على التطبيق. على سبيل المثال، في حالة الرغبة في تضخيم تسلسل طويل، يمكن استخدام المزيد من قالب DNA والبادئة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام محاليل أو تركيبات إنزيمية مختلفة اعتمادًا على خصائص التفاعل.

بروتوكول استخدام إنزيم المستحرة المائية في PCR هو كما يلي:

  1. تفسد الحمض النووي للقالب عن طريق تسخينه إلى ٩٤-٩٦ درجة مئوية لمدة ٢-٥ دقائق.
  2. أضف Taq polymerase إلى خليط التفاعل ثم برد الخليط إلى ٥٠-٦٠° سلزيوس لمدة دقيقة واحدة.
  3. أضف التمهيدي إلى خليط التفاعل ثم برد الخليط إلى ٥٠-٦٠ درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة.
  4. قم بتمديد التمهيدي عن طريق تسخين الخليط إلى ٧٢ درجة مئوية لمدة ١-٢ دقيقة.
  5. كرر الخطوات من ٢-٤ لكل دورة من دورات التضخيم المطلوبة.
  6. يتم التمديد النهائي عن طريق تسخين الخليط إلى ٧٢ درجة مئوية لمدة ٧ دقائق.
  7. امسك التفاعل عند ٤ درجات مئوية حتى يصبح جاهزًا للاستخدام.
  8. يمكن تخزين Taq polymerase عند -٢٠ درجة مئوية للتخزين طويل الأجل.

كما يستخدم الإنزيم في تطبيقات أخرى بخلاف PCR، بما في ذلك تسلسل DNA، والطفرات الموجهة للموقع، وتوليف cDNA.

بوليميراز المستحرة المائية والطب الشرعي

استخدم بوليميراز المستحرة المائية في الطب الشرعي لأول مرة في عام ١٩٨٥، بعد بضع سنوات فقط من اكتشاف PCR. في الأيام الأولى لتحليل الحمض النووي في الطب الشرعي، تم استخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل لتضخيم تسلسل الجينوم الكامل. ومع ذلك، لم تكن هذه الطريقة حساسة للغاية ولا يمكنها اكتشاف كميات صغيرة جدًا من الحمض النووي. سمح الإنزيم بتطوير طرق أكثر حساسية لتضخيم الحمض النووي، مثل طريقة STR (التكرار الترادفي القصير). طريقة STR هي الآن أكثر الطرق استخدامًا لتحليل الحمض النووي في الطب الشرعي حيث يمكن من خلالها الكشف عن كميات صغيرة جدًا من الحمض النووي وهي حساسة للغاية.

تم استخدام إنزيم المستحرة المائية في مجالات أخرى من علم الطب الشرعي، مثل تحليل بصمات الأصابع. يمكن استخدامه لتضخيم الحمض النووي من بصمات الأصابع، والتي يمكن بعد ذلك تحليلها لمطابقتها مع بصمات الأصابع الأخرى. غالبًا ما يستخدم لتضخيم عينات الحمض النووي الباهتة أو المتدهورة، وهذا يجعل من الممكن الحصول على معلومات قابلة للاستخدام من العينات التي لولا ذلك ستكون غير قابلة للاستخدام.

تتمثل إحدى مزايا استخدام إنزيم المستحرة المائية في الطب الشرعي في أنه من السهل نسبيًا الحصول عليه واستخدامه، حيث أن هذا الإنزيم متاح تجاريًا ويمكن شراؤه من شركات التوريد العلمية المختلفة. يمكن أيضًا استخدام إنزيم المستحرة المائية لتضخيم الحمض النووي للميتوكوندريا، والذي يمكن أن يكون مفيدًا في الحالات التي يكون فيها الحمض النووي غير متوفر أو يتحلل. بالإضافة إلى ذلك، يعتبر إنزيم المستحرة المائية مستقرًا ويمكن تخزينه في درجة حرارة الغرفة لفترات طويلة من الزمن.

لا يمنع هذا وجود بعض العيوب لاستخدام إنزيم المستحرة المائية في الطب الشرعي. أحد العيوب هو أن هذا الإنزيم يمكنه أحيانًا تضخيم ملوثات الحمض النووي الموجودة في العينة، يمكن لهذا أن يؤدي إلى نتائج إيجابية خاطئة أو الحصول على معلومات غير صحيحة من العينة. بالإضافة إلى ذلك، لا يكون إنزيم المستحرة المائية فعالًا دائمًا في تضخيم جميع أنواع الحمض النووي، بما في ذلك أنواع معينة من الحمض النووي المتدهور.

على الرغم من العيوب، يظل إنزيم المستحرة المائية أداة قيمة لعلماء الطب الشرعي. يمكن استخدام هذا الإنزيم للحصول على معلومات قابلة للاستخدام من العينات التي قد تكون غير صالحة للاستعمال بخلاف ذلك. كان لإنزيم المستحرة المائية تأثير كبير على علم الطب الشرعي وسمح بتطوير طرق أكثر حساسية لتضخيم الحمض النووي وتحليله. ساعدت هذه الأساليب في حل العديد من الجرائم وأدت إلى إدانة العديد من المجرمين.

الأبحاث وإنزيم المستحرة المائية: عدد غزير من التطبيقات!

إنزيم بوليميراز المستحرة المائية هو إنزيم متعدد الاستخدامات ذا استخدامات عديدة في الأبحاث. يشيع استخدامه في دراسات تفاعل البوليميراز المتسلسل وتسلسل الحمض النووي والطفرات ودراسات التعبير الجيني. يستخدم تفاعل البوليميراز المتسلسل بشكل شائع في تطبيقات التشخيص مثل اكتشاف الطفرات المسببة للأمراض أو تحديد مسببات الأمراض، ويستخدم إنزيم المستحرة المائية أيضًا في تفاعلات تسلسل الحمض النووي. في هذه التفاعلات، يتم استخدام الإنزيم لإنشاء نسخ من قالب DNA يتم تسلسلها بعد ذلك، ويسمح هذا بتحديد ترتيب النيوكليوتيدات في تسلسل DNA معين.

تستخدم تجارب الطفرات إنزيم المستحرة المائية، حيث يتم استخدامه لإدخال طفرات في تسلسل DNA. يمكن القيام بذلك إما عن طريق الدمج العشوائي للنيوكليوتيدات في قالب الحمض النووي أو عن طريق الطفرات المستهدفة. الطفرات المستهدفة هي تقنية تسمح بإدخال طفرات معينة في تسلسل الحمض النووي، يمكن أن يكون هذا مفيدًا في الدراسات التي تبحث في آثار طفرات معينة على وظيفة الجينات.

أخيرًا، يستخدم إنزيم المستحرة المائية في دراسات التعبير الجيني. التعبير الجيني هو العملية التي يتم من خلالها استخدام تسلسل الحمض النووي للجين لإنتاج بروتين وظيفي. يمكن استخدام إنزيم المستحرة المائية لإنشاء نسخ متعددة من تسلسل DNA معين، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لدراسة التعبير الجيني. يمكن أن يكون هذا مفيدًا في فهم كيفية تنظيم الجينات وكيفية مساهمتها في وظيفة الخلية أو الكائن الحي. يعتبر هذا الإنزيم أداة أساسية في العديد من مجالات البحث وسيستمر استخدامه بطرق جديدة ومبتكرة.

المستقبل وإنزيم المستحرة المائية

ماذا يحمل لنا مستقبل المستحرة المائية؟ سيخبرنا الوقت بذلك، لكن يمكننا التأكد من أن هذا الإنزيم سيستمر في لعب دور مهم في مجال البيولوجيا الجزيئية. مع نمو فهمنا للحمض النووي، تزداد أهمية هذا الإنزيم كلما رغبنا في دراسة جزيء الحمض النووي ومعالجته. بفضل قدرته على نسخ أجزاء كبيرة من الحمض النووي بسرعة وبدقة، سيظل إنزيم المستحرة المائية أداة أساسية للعلماء في جميع أنحاء العالم.

انضم إلى معامل براكسيلابس مجانًا لمعرفة المزيد عن تجارب وتطبيقات هذا الإنزيم!

عن شروق بدر شحاته

شروق بدر شحاته، هي صانعة محتوى علمي وطالبة ماجستير متخصصة في الفيزياء النظرية. حصلت شروق على درجة البكالوريوس في الفيزياء والفلك من كلية العلوم بجامعة القاهرة، وعملت كمترجمة وصانعة محتوى علمي بدءًا من عام 2017، كما سبق ذلك عامان من التطوع في نفس المجال أيضًا. تضمن ذلك العمل مع مؤسسات مصرية وأجنبية ذات صيت ذائع في مجالي الترجمة والنشر العلمي، مثل: بيرسون الشرق الأوسط في الإمارات العربية المتحدة، وكتاب صوتي في السويد، وأنا أصدق العلم في لبنان، وعدة شركات مصرية على رأسها معامل براكسيلابس. تطمح شروق من خلال كتاباتها نحو تقديم محتوى علمي ثري وممتع، باللغتين العربية والإنجليزية، كما تهدف إلى تحسين جودة الكتابات العلمية، والحث على الاهتمام بتحصيل العلوم عامة، والعلوم الطبيعية خاصة، إيمانًا منها أن العلم والفن هما مفتاح تقدم الشعوب وارتقائهما.

شاهد أيضاً

ندوة-مجانية-براكسيلابس-من-الفلبين

ندوة رقمية ناجحة! كيف استفاد الطلاب والأساتذة في الفلبين من براكسيلابس

استضافت خديجة البدويهي – مؤسسة براكسيلابس – في الحادي والعشرين من سبتمبر ندوة افتراضية مثيرة …