دستگاه ترمال سایکلر و انواع آن

28/01/1402
ارسال توسط مریم عزیزی

دستگاه ترمال سایکلر چیست

کلمه ترمال سایکلر به دستگاهی اشاره می کند که یک چرخه تغییرات دمایی مشخص با برنامه تعیین شده را به صورت متناوب انجام می دهد. دستگاه ترمال سایکلر که با عنوان PCR نیز شناخته می شود، از مهم ترین تجهیزات آزمایشگاه ژنتیک است که جهت انجام واکنش های زنجیره ای پلیمراز (Polymerase Chain Reaction) استفاده می شود. همان طور که از نام این واکنش مشخص است، باعث تکثیر شدن و پلیمریزه شدن رشته های DNA می شود. در واقع PCR دستگاهی است که قابلیت بالا بردن و پایین آوردن دما در بازه ی زمانی بسیار کوتاه با دقت زیاد را دارد.

دستگاه ترمال سایکلر

مواد لازم جهت انجام واکنش PCR

اسید نوکلئیک ( RNAیا DNA) : رشته الگویی مورد نیاز برای تکثیر انبوه
آنزیم Tap Polymerase: آنزیم همانندساز DNA مقاوم به حرارت و جداسازی شده از باکتری Thermophilus Aquaticus
پرایمر Forward : قطعه نوکلئوتیدی کوتاه ضروری برای شروع فرآیند همانندسازی رشته الگویی اصلی
پرایمر Reverse : قطعه نوکلئوتیدی کوتاه ضروری برای شروع فرآیند همانندسازی رشته الگو مکمل رشته الگویی اصلی
مخلوط نوکلئوتیدهای تیمین، آدنین، سیتوزین و گوانین : نوکلئوتیدهای مورد نیاز جهت پلیمریزه نمودن رشته های کپی از رشته الگو
منیزیم کلرید (MgCl2) : ضروری برای فعالیت آنزیم پلی مراز و اتصال پرایمر به رشته الگو
بافر PCR : بافر مورد نیاز برای واکنش پی سی آر و تشکیل شده از Tris-HCL، پتاسیم کلرید (KCL) و منیزیم کلرید (MgCl2)
آب مخصوص واکنش PCR : خالص و کاملاً استریل

نحوه ی عمکرد دستگاه PCR

تکثیر رشته اسید نوکلئیک الگو (DNA و RNA) توسط دستگاه ترمال سایکلر در سه مرحله صورت می گیرد و این سه مرحله تا پایان تکثیر انبوه رشته مذکور به صورت متناوب تکرار می شود. هر مرحله با یک تغییر دمایی همراه است و پس از ثابت شدن دمای مذکور به مدت مشخص، دستگاه وارد مرحله بعدی شده و بلوک دمایی خود را به مقدار تعیین شده می رساند. در طی این مراحل برای رشته الگو اتفاقات مختلفی رخ می دهد.

به طور کلی در مرحله اول ابتدا محتویات میکروتیوب های حاوی مواد واکنش به دمایی حدود 97 درجه سانتی گراد رسیده، تقریبا 30 ثانیه در این دما باقی مانده و در این مرحله اسید نوکلئیک های الگو که به صورت دو رشته ای بوده از یکدیگر جدا می شوند. در مرحله ی بعد در مدت زمان حدود 30 ثانیه، دمای دستگاه به سرعت به دمای 50 تا 65 درجه ی سانتی گراد (مقدار دقیق آن به برنامه ی دستگاه که مرتبط با دمای ذوب پرایمرها است، متغیر می باشد) کاهش می یابد. در این مرحله پرایمرها به رشته اسید نوکلئیک الگو متصل شده که پس از آن دستگاه سریعا به دمای حدود 72 درجه ی سانتی گراد افزایش می یابد. در این دما آنزیم پلی مراز بهترین عملکرد خود را داشته و رشته اسید نوکلئیک تکثیر می شود.

در صورت در نظر گرفتن شرایط ایده آل، محصولات در هر چرخه واکنش نسبت به چرخه ی قبلی دو برابر می شوند. تمام این مراحل توسط آنزیم های مختلف درون سلول های زنده انجام شده که به دلیل دشوار بودن تنظیم اتصال و رهایش دقیق این آنزیم ها در محیط in-vitro، این مراحل با تغییرات دما توسط دستگاه PCR صورت می گیرد. هرچند بازده واکنش PCR هیچ گاه ایده آل نبوده و شرایط مختلفی از جمله قدرت دستگاه، کیفیت مواد مصرفی و مهارت کاربر پی سی آر در کاهش این بازدهی تاثیرگذارند، اما با حذف یا کاهش این مشکلات قطعاً می توان به نتایج بهتری دست یافت.

نحوه ی عملکرد دستگاه ترمال سایکلر

اجزای تشکیل دهنده ی دستگاه ترمال سایکلر

بدنه ی دستگاه
صفحه نمایشگر
دکمه های پنل کاربری (برای دستگاه هایی که صفحه ی نمایشگر لمسی ندارند)
بلوک حرارتی (محل قرار گرفتن میکروتیوب های واکنش پی سی آر)
درب دستگاه : در دستگاه های جدید، درب دستگاه نیز همزمان با بلوک حرارتی اصلی حاوی میکروتیوب ها، دما را تنظیم می کند.
کامپیوتر دستگاه : وظیفه ی برنامه پذیری، اعمال برنامه ها و در نهایت کنترل کلیه امور دستگاه را بر عهده دارد.
صفحات سرمایشی و گرمایشی ترمو الکتریک (Peltier) : عمل گرمایش و سرمایش را سریع و بدون نیاز به المنت حرارتی و کمپرسور یخچالی انجام می دهند.
هیت سینک : جهت انتقال سریع حرارت اضافه به خارج از دستگاه استفاده می شود.
فن های خنک کننده هیت سینک

انواع دستگاه پی سی آر

ترمال سایکلرها در اندازه و مدل های مختلفی در دسترس می باشند. به جای مدل های قدیمی، می توان مدل های کم حجم تر و کوچک تر طراحی شده برای صرفه جویی در فضای آزمایشگاه و مدل های Mini یا شخصی که بالای میز قرار می گیرند را انتخاب کرد. برای ظرفیت های بالا تعداد زیادی سیستم مورد استفاده قرار می گیرند که با یکدیگر لینک شده و همه ی این دستگاه ها توسط یک سیستم مرکزی کنترل می شوند. از سیستم های linked PCR machine در آزمایشگاه هایی که مایل به حداکثر رساندن توان خود می باشند، استفاده می شود. برخی از این دستگاه ها قابلیت اتصال به WiFi را داشته و می توان از طریق تلفن همراه به صورت بی سیم به آن ها وصل شد.

از دیگر دسته بندی های دستگاه ترمال سایکلر، حالت ساده و گرادیان می باشد. در حالت ترمال سایکلر ساده همزمان می توان به نمونه ها یک دمای مشخص داد، در حالی که در حالت گرادیان می توان چندین دما را به صورت همزمان اعمال نمود. انواع دستگاه های پی سی آر mini، گرادیان و … را می توان از سایت بی تو بی کالا تهیه نمود.

دستگاه ترمال سایکلر مینی

کاربرد های استفاده از دستگاه ترمال سایکلر

از ترمال سایکلر ها بیشتر در آزمایشگاه‌ های تحقیقاتی و مراکز بالینی برای تکثیر DNA استفاده می‌شود. به طور کلی کاربرد این دستگاه ها عبارتند از:

تحقیق بر روی DNA نمونه های باستانی یا گونه های منقرض شده
پزشکی قانونی
تعیین جنسیت جنین
انگشت نگاری ژنتیکی
تشخیص سرطان
کلونینگ ژن ها

نتیجه نهایی

به طور خلاصه، PCR (واکنش زنجیره ای پلیمراز) یک تکنیک بیوشیمیایی است که از ترمال سایکلینگ و آنزیم ها برای کپی سریع و مطمئن DNA استفاده می کند. امروزه روش PCR یک بخش جدا نشدنی از آزمایشگاه های مولکولی، ژنتیک و تحقیقاتی به حساب می آید. دستگاه پی سی آر از لحاظ سرعت در حال پیشرفت بوده و اندازه های آن ها روز به روز در حال کوچک شدن می باشند. در سال های اخیر با شیوع ویروس کرونا در جوامع جهانی، عموم مردم با این دستگاه آشنا شده و استفاده از عبارت تست PCR رواج یافته است.