داستان اختراع تست پی سی آرPCR
ُ
کری مولیس، بیوشیمیدان انقلابی، تست پی سی آرPCR را ، روشی که علم ژنتیک را بازتعریف کرد، در سال ۱۹۸۳ در حین رانندگی اختراع کرد. ولی این تنها شروع کار او بود.بیوشیمیدان کری مولیس می گوید که در سال ۱۹۸۳ در حال رانندگی از منطقه خلیج به سمت کابین خود در مندوسینو بود که ناگهان، مانند رعد و برقی از آسمان کالیفرنیا، راهی برای مشخص کردن بخش خاصی از DNA و تهیه مقدار زیادی کپی از آن را یافت.
ُ
مولیس در خاطرات خود با عنوان ” رقص برهنه در میدان ذهن” در سال ۱۹۹۸ می گوید: «این تکنیک ساده به همان اندازه که من می خواستم از هر توالی DNA که من انتخاب می کردم، کپی می کرد، و هر کسی روی زمین که به DNA اهمیت می داد، مایل بود از آن استفاده کند. “این تست در هر آزمایشگاه زیست شناسی در جهان گسترش می یابد. معروف می شدم من جایزه نوبل را دریافت خواهم کرد.»
ُ
مولیس در سال ۱۹۹۳ جایزه نوبل شیمی را برای اختراع واکنش زنجیره ای پلیمر یا PCR برنده شد. این سه حرف اخیراً در آگاهی عمومی قرار گرفته اند زیرا PCR اساس رایج ترین آزمایشات استاندارد طلایی برای ویروس SARS-CoV-2 است. اما این تنها یکی از روشهای استفاده ازپی سی آرPCR است. از زمان آغاز به کار، برای کارهای مختلف از کمک به رمزگشایی ژنوم انسان تا نجات صخره های مرجانی استفاده شده است.
اریک گرین، محقق پیشگام ژنومیک، می گوید: «اگر در حال انجام هر نوع مطالعات DNA هستید، PCR تنها کاری است که انجام می دهید. “تقریباً مانند این است که بگویید، چگونه از برق استفاده می کنید؟”
مولیس که در آگوست ۲۰۱۹ درگذشت، منشأ PCR را در خاطرات خود به عنوان داستان یک نابغه بزرگتر از زندگی بازگو می کند که به تنهایی پیش می رود و به تنهایی ابزاری را اختراع می کند که عصر جدیدی از زیست شناسی را آغاز می کند. درست است که مولیس ایده اصلی را پیدا کرد.اما در حقیقت در تاریخچه واقعی PCR دانشمندان زیادی مشارکت داشتند. از جمله دانشمندانی که علیرغم خلق و خوی تند مولیس،با او همکاری کرده و به شکل گیری آن به یک نیروگاه بیولوژیکی کمک کردند.
ُ
این مطلب ترجمه مقاله چاپ شده در سایت نشنال جئوگرافیک است.
ُ
واکنش زنجیره ای پلیمری
ُ
آغاز یک واکنش زنجیره‌ای
ُ
قبل از PCR، مطالعه DNA دشوار بود. اطلاعات ژنتیکی زیادی در مولکول‌های DNA جمع‌آوری می‌شد و جداسازی دقیق قطعه کوچک مناسب برای مطالعه مشکل بود. حتی اگر یک دانشمند بتواند بخش مورد علاقه را جدا کند، مقدار مواد اغلب آنقدر ناچیز بود که چیز زیادی برای آزمایش در دسترس نبود.
ُ
برای دور زدن این موضوع، پیشرفته ترین روش در دهه ۱۹۸۰ شبیه سازی DNA بود. در این فرآیند، دانشمندان توالی ژنتیکی مورد نظر خود را در ژنوم باکتری‌ها قرار می‌دهند، که سپس هم خودشان و هم کد ژنتیکی معرفی‌شده را تقسیم و تکثیر می‌کنند. این یک فرآیند قدرتمند اما پر زحمت است، به همین دلیل چیزی ساده‌تر و سریع‌تر نیاز بود.
ُ
پس از آن آخر هفته سرنوشت ساز در کابین خود، مولیس برای کار در شرکت Cetus در امریویل، کالیفرنیا بازگشت. Cetus یکی از اولین شرکت‌های بیوتکنولوژی در جهان بود و فرهنگ آن زمان به آنچه امروز در یک استارت‌آپ فناوری در سیلیکون ولی می‌توان یافت نزدیک‌تر بود. در آنجا، تیم‌های مختلف با ابزارهای جدید هیجان‌انگیز برای شبیه‌سازی ژن‌ها و بیان پروتئین‌هایی که می‌توان از آنها برای کاربردهای پزشکی استفاده کرد، بازی می‌کردند.
ُ
کار اصلی مولیس در Cetus ساختن نوارهای کوچکی از مواد ژنتیکی برای دانشمندان دیگر شرکت بود تا در آزمایشات خود از آنها استفاده کنند. در حالی که شخصیت وحشتناک او منجر به درگیری های شخصی با همکارانش از جمله مشت زدن به یکی از آنها شد، کار او برای Cetus مفید بود.پل رابینو، انسان شناس دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، و نویسنده کتاب ساختن PCR: داستانی از بیوتکنولوژی، می گوید: «گروهی غیرمعمول از دانشمندان جوان بودند و کاری بزرگ کردند».
ُ
در کتاب رابینو، مولیس ایده PCR را برای همکارانش به ارمغان آورد. این فرآیند زیبا و ساده بود: یک مولکول DNA را گرم کنید تا مارپیچ دوتایی را به دو رشته جدا کنید و از هر رشته به عنوان الگویی برای ساختن یک کپی استفاده کنید – بسیار شبیه به کاری که DNA خودش در سلول های ما می کند. سپس اجازه می دهید نمونه خنک شود. این معمولاً باعث می‌شود که دو رشته DNA به جای خود بازگردند، اما شما می‌توانید این فرآیند را با بخش‌های کوتاهی از DNA به نام پرایمرها ربوده باشید – دقیقاً همان نوع قطعات ژنتیکی که مولیس برای پروژه‌های دیگر با آنها کار می‌کرد.
ُ
این پرایمرها که به راحتی در آزمایشگاه سنتز می شوند، به گونه ای طراحی شده اند که بر روی قسمت مورد نظر DNA کلیک کرده و از بازگشت دو رشته اصلی به یکدیگر جلوگیری کنند. سپس مکان‌هایی روی رشته‌های DNA که پرایمرها به آن متصل می‌شوند، به‌عنوان سکوی فرود برای آنزیمی به نام DNA پلیمراز عمل می‌کنند. این رشته به سمت پایین حرکت می کند و بلوک های سازنده DNA معروف به نوکلئوتیدها را در موقعیت های صحیح برای بازسازی رشته های مکمل جاسازی میکند.
ُ
اگر فقط با یک قطعه DNA شروع کنید، پس از یک چرخه پی سی آرPCR دو نسخه از توالی هدف خود خواهید داشت. هر کپی را می توان دوباره باز کرد تا الگوهای بیشتری ساخته شود. تنها پس از ۳۰ چرخه، بیش از یک میلیارد نسخه خواهید داشت – همه از یک مولکول DNA.
ُ
مولیس به خاطر ایده‌های عجیب و غریبش معروف بود، بسیاری از آنها به گفته همکارانش اشتباهات اولیه زیست‌شناسی داشتند، بنابراین مردم در ابتدا یا فکر نمی‌کردند که کارساز باشد یا برایشان مهم نبود. اما مولیس به این ایده ادامه داد و سال بعد او توانست داده‌های تجربی را برای آنها به ارمغان بیاورد که به نظر می‌رسید واکنش زنجیره‌ای کارآمد است. این مورد توجه چندین همکار Cetus، به ویژه بیوشیمیدان توماس وایت را به خود جلب کرد.وایت می‌گوید: «من فکر کردم، خب، این هم می‌تواند مزخرف باشد و هم ممکن است واقعاً درست باشد. و اگر حق با او باشد، کاری را که ما در اینجا می‌خواهیم انجام دهیم تغییر خواهد داد.»
ُ
ُ
ُ
عملی کردن ایده پی سی آرPCR
ُ
وایت و مولیس از زمان تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد در دانشگاه کالیفرنیا برکلی با هم دوستان صمیمی شده بودند. مولیس به وایت کمک کرد تا موتور ماشین خود را بازسازی کند. وایت با ریاست بر مراسم عروسی مولیس با همسر دومش، لطف او را جبران کرد. وایت، مولیس را برای کار در Cetus استخدام کرده بود و در نهایت رئیس او شد. جایی که به آرام کردن تنش‌ها در زمانی که مولیس با همکارانش به مشکل می‌خورد کمک می‌کرد.
ُ
وایت از مولیس خواست که منحصراً بر روی کارکرد PCR تمرکز کند. در پایان سال ۱۹۸۴، وایت و دیگر رهبران شرکت هنوز فکر نمی‌کردند که او شواهد کافی داشته باشد، بنابراین شرکت به اضافه کردن دانشمندان تجربی به موازات تلاش‌های او ادامه داد. کار ماهرانه بسیاری از همکاران – به ویژه استفان شارف، فرد فالونا و راندال سایکی – سرانجام داده‌های قابل تکرار کافی برای اعلام موفقیت‌آمیز PCR به دست آورد.
ُ
با اثبات مفهوم واکنش زنجیره ای پلیمری، چاپ مقاله در یک نشریه و همچنین ثبت اختراع در اولویت اول قرار گرفت. اما مولیس نوشتن مقاله را به تعویق انداخت. وایت می گوید که مردم به او شک کرده بودند و تعلل روی کاغذ انتقام او بود. سایکی که از انتظار ناامید شده بود، مقاله ای در سال ۱۹۸۵ در مجله Science درباره آزمایشی برای کم خونی سلول داسی شکل نوشت که شامل اولین توصیف منتشر شده از PCR بود. با این حال، آن مقاله تنها به قدرت آن به عنوان یک تکنیک مستقل اشاره کرد.
ُ
وایت از مولیس درخواست کرد که مقاله‌اش را که در آن PCR با جزئیات توضیح می‌داد، تمام کند، و مولیس در نهایت این کار را انجام داد و آن را به نیچر ارائه کرد. رد شد. علم نیز از آن گذشت. در نهایت در سال ۱۹۸۷ در Methods in Enzymology منتشر شد.
ُ
در آن زمان، مولیس Cetus را ترک کرده بود، عمدتاً از این واقعیت که او اولین نویسنده در مقاله معتبرتر Science نبود. در هنگام جدایی، سیتوس چند ماه حقوق و ۱۰۰۰۰ دلار پاداش به مولیس پرداخت، که بزرگترین پاداشی بود که شرکت تا به حال به یک دانشمند برای اختراع داده بود. Cetus حقوق این فناوری را حفظ کرد و از آن به بعد، سهم مولیس در توسعه پی سی آرPCR عمدتاً محبوبیت آن – و خودش – در سخنرانی‌های دعوت شده و کنسرت‌های مشاوره بود.
ُ
مولیس در زمان حیات خود همچنین انکار کرد که اچ‌آی‌وی باعث ایدز می‌شود، تأثیر انسان بر تغییرات آب و هوا را زیر سؤال برد، سخنرانی‌هایی با تصاویر زنان برهنه انجام داد و سخنان جنسیتی برای روزنامه‌نگاران بیان کرد. وایت هنوز در مورد خلاقیت بی چون و چرا، هوش تیز، و شوخ طبعی خود به یاد می آورد – اما از اینکه چگونه اسطوره مرد را تسخیر کرد، ابراز تاسف می کند. او می گوید: «مولیس همه دوستان و همکاران سابق خود را رد کرد و ما را تحقیر کرد. “جایزه نوبل برای او زیادی بود.”
ُ
ُ
ُ
واکنش زنجیره ای ادامه دارد
ُ
محقق ژنومیک اریک گرین در حال پایان دادن به مدرک M.D.-Ph.D. در اواخر دهه ۱۹۸۰ در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس هنگامی که برای اولین بار در مورد فناوری PCR شنید. چند سال بعد، او متوجه شد که چگونه از PCR برای نقشه برداری از ژنوم انسان استفاده کند. او به زودی برای انجام این کار به عنوان بخشی از پروژه ژنوم انسانی تحت حمایت دولت انتخاب شد.
ُ
گرین که اکنون رئیس موسسه ملی تحقیقات ژنوم انسانی است، می‌گوید: «هیچ راهی وجود ندارد که پروژه ژنوم انسانی بدون PCR موفق باشد.و البته، بسیاری از آزمایش‌های COVID-19 که امروزه انجام می‌شوند، از PCR برای تقویت بیت‌هایی از کد ژنتیکی ویروس SARS-CoV-2 از نمونه‌های سواب شده استفاده می‌کنند و به آزمایش‌ها اجازه می‌دهد تا حضور آن را تشخیص دهند.
ُ
یک مسیر هیجان انگیز به جلو، ساده کردن سخت افزار است تا بتوان از پی سی آرPCR در خارج از آزمایشگاه استفاده کرد. Ezequiel Alvarez Saavedra، متخصص ژنتیک و متخصص قلع و قمع، می‌گوید: «این ماشین‌ها، در واقع تنها کاری که انجام می‌دهند، گرم کردن و خنک کردن نمونه است. “بنابراین من فکر کردم که مردم نیازی به پرداخت سه [هزار]، پنج هزار دلار یا حتی بیشتر برای دریافت این ندارند.”
ُ
آلوارز ساودرا به همراه سباستین کراووس، عصب شناس، شرکتی به نام miniPCR bio را راه اندازی کرد تا چیزی ساده تر و ارزان تر ایجاد کند. آلوارز ساودرا می‌گوید نوآوری کلیدی تغییر عنصر گرمایش از نیمه‌هادی‌های ترموالکتریک به سیم‌های مسی بود، مشابه خطوطی که شیشه جلوی خودرو را یخ‌زدایی می‌کنند. این امر کل ساخت و ساز را ساده تر و انرژی کارآمدتر کرد. اکنون می توانید یک دستگاه پی سی آرPCR را که در یک ظرف شفاف به اندازه یک جعبه دستمال کاغذی قرار دارد با کمتر از هزار دلار سفارش دهید.
ُ
آلوارز ساودرا می گوید که بسیاری از مشتریان او مربیانی هستند که می خواهند زیبایی زیست شناسی را به دانش آموزان نشان دهند. او می‌گوید PCR «بسیار ساده است، وقتی کسی آن را به شما نشان دهد». “این زیبایی است – درک آن بسیار آسان است.”
ُ
ایمی آپریل، اکولوژیست میکروبی دریایی در مؤسسه اقیانوس شناسی وودز هول، زمان زیادی را در جزایر ویرجین ایالات متحده صرف مطالعه بیماری از دست دادن بافت مرجانی سنگی می کند که اسکلت هایی شبیه صخره های مرجانی سفید شده را از خود به جای می گذارد. این بیماری ویرانگر اولین بار در سال ۲۰۱۴ در سواحل میامی شناسایی شد و از آن زمان به سرعت در دریای کارائیب گسترش یافته است. علت شناسایی نشده است، اما ممکن است نوعی باکتری باشد.
ُ
Apprill می‌گوید: «از آنجایی که ما به باکتری‌ها نگاه می‌کنیم، که جزء بسیار کوچکی از زیست توده را تشکیل می‌دهند، واقعاً باید به PCR تکیه کنیم. PCR به دلیل کمبود، فراوانی ایجاد می کند، و کوچک کردن دستگاه به Apprill اجازه می دهد تا برداشت میکروبی خود را در AirBnB در نزدیکی مطالعه کند.Apprill می‌گوید: «این همه آن را قابل حمل میکند، و برای ما این کلید است. “شما نمی توانید تمام آزمایشگاه خود را به همه پروژه های میدانی مختلف خود بفرستید.”
ُ
و در سال ۲۰۱۵، miniPCR bio با بوئینگ برای سازماندهی مسابقه ای همکاری کرد که به دانش آموزان اجازه می داد با استفاده از دستگاه PCR کوچک شده آزمایش DNA را در فضا انجام دهند. آنا سوفیا بوگورایف، که در آن زمان در دبیرستان تحصیل می کرد، وارد یک پروپوزال شد و برنده شد و اولین PCR اجرا شده در فضا را به عنوان اثبات مفهومی برای تحقیقات آینده راه اندازی کرد.بوگورایف که در حال حاضر در هاروارد/MIT M.D.-Ph.D است، می گوید: «از آن زمان، صدها بار از آن استفاده شده است. برنامه “عصر زیست شناسی مولکولی در فضا فقط شتاب گرفته است.”
ُ
ُ
ُ
ُ