ראשי > כללי > מותק, את ערה? נראה לי שעליתי על משהו! על הגברת DNA

מותק, את ערה? נראה לי שעליתי על משהו! על הגברת DNA

באחד מימי שישי של אביב 1983 נהג קארי ב. מאליס (Mullis), דוקטור לביוכימיה שהועסק במשרה אפורה למדי בחברת ביוטכנולוגיה, מכיוון ברקלי למחוז מנדוסינו בקליפורניה, שם היתה לו בקתה ביער. את הדרך בחר לעשות בשעת לילה, עם חברתו ג'ניפר שישנה במושב לידו.

באותה תקופה הוכנסו לחברה בה עבד מכונות אשר הפכו את עבודתו של מאליס להרבה יותר קלה וכך נותר לו זמן פנוי לעסוק ביוזמות משלו. למאליס היה רעיון לשיפור משמעותי בשיטה המקובלת לריצוף DNA (קביעת סוג הבסיסים המרכיבים קטע DNA נתון) והוא ניצל את זמן הנהיגה הארוך לחשוב.

מאליס לעולם לא יצליח לממש את הרעיון המקורי שלו לשיפור ריצוף DNA. אך בזמן אותה נהיגה ומתוך המחשבות איך לפצח את הבעיה עלה במוחו רעיון לדרך פשוטה להפליא לשכפול מאסיבי של מקטעי DNA. רעיון זה יוביל אותו לפיתוח שיטת ה-PCR (קיצור של Polymerase Chain Reaction) ולקבלת פרס הנובל בכימיה לשנת 1993 על התגלית.

מכשיר PCR מעבדתי. המקור: וויקיפדיה.

נתחיל מההתחלה: מהו DNA?

ה-DNA (קיצור של Deoxyribonucleic Acid) הוא מולקולה ענקית שנמצאת בכל תא ושמכילה את הקוד הגנטי, כלומר את המידע התורשתי והוראות היצירה והתפעול מרמת החלבון הבודד ועד האורגניזם השלם. ה-DNA מורכב מרצף ארוך של ארבעה סוגי נוקליאוטידים (סוג של תרכובות אורגניות) המסודרים בזוגות אלה מול אלה בצורת סליל כפול (ראו איור). אותם ארבעה נוקליאוטידים מסומנים באותיות A,T,C ו-G לפי האות הראשונה בשמם ודרך קשרים כימיים תמיד מסתדרים בזוגות A-T ו-C-G.

שיכפול DNA. המקור: וויקיפדיה.

בזמן חלוקת התא מתבצע שכפול של ה-DNA. ישנם כמה מנגנונים של חלוקת תא ושל שכפול DNA אך העיקרון הכללי דומה. אזור מסוים בסליל הכפול "נפתח", כלומר הנוקלאוטידים משני הצדדים נפרדים. אנזים הנקרא DNA polymerase 'נוסע' על הסליל הבודד ומשלים עליו נוקליאוטידים מתאימים מהסביבה הנוזלית בקרבתו (ראו איור). הפולימראז תמיד מתחיל את פעולתו מאזור בו יש מפגש בין סליל בודד לכפול ומשם 'נוסע' על הסליל הבודד ומשלימו לכפול.

אאוריקה!

בתקופה שקדמה לאותה נסיעה גורלית הועסק מאליס בחברת ביוטכנולוגיה בייצור פיסות DNA קטנות (אוליגונוקלאוטיד או פריימר) שאותן ניתן לקשור לסליל בודד ואז להשתמש בהן כנקודת התחלה עבור הפולימראז. כפי שהוזכר, היה לו רעיון כיצד לשפר את תהליך ריצוף ה-DNA. בזמן הנסיעה הוא ניסה לפתור בעיה שהטרידה אותו בפיתוח התהליך: נוקליאוטידים שהיו בתמיסה שבה מתבצע הריצוף היו עלולים להפריע לתהליך אותו ניסה לפתח.

הפתרון שלו היה להפריד את הסליל הכפול לשני סלילים בודדים על-ידי חימום, להוסיף לתמיסה פריימרים לשני הסלילים וגם כמות מסוימת של פולימראז. הפולימראז, שיפגוש את הסלילים הבודדים והפריימרים, יתחיל להשלים את הסלילים. לצורך זה הוא ישתמש בנואוקלודיטים שבתמיסה: ובתוך כך 'ינקה' אותה. ואז נדלקה נורה מעל ראשו ברגע של אאוריקה!

מאליס הבין שהתהליך שהוא מתאר בדמיונו יכול לשמש לשכפול מאסיבי של מקטע DNA מסוים. כדי להבין את המשמעות של מה שגילה מאליס ואיך זה עובד נעבור שלב אחרי שלב בתהליך ונבחן את תוצאותיו.

שיטת ה-PCR

מתחילים מסליל אחד כפול וארוך של DNA. מחממים את התמיסה (המכילה פריימרים ונוקליאוטידים ואת הסליל הכפול) לטמפרטורה של כ-95 מעלות צלזיוס בה הסליל הכפול מתפרק לשתי פיסות בודדות. מורידים את הטמפרטורה ל-50-65 מעלות והפריימרים ששמנו בתמיסה נקשרים למקומות המתאימים להם על גבי הפיסות. כעת משנים את הטמפרטורה לכזאת שמתאימה לפעולת הפולימראז שמשלים את הפיסות הבודדות לכפולות. לסליל ה-DNA יש כיווניות בצורה שבה הוא בנוי ומסיבה זאת הפולימראז ישלים את פיסת ה-DNA הבודדת תמיד לצד אחד ולאותו כיוון. זהו סוף הסיבוב הראשון (ראו איור). שימו לב כי לא חזרנו למצב הראשוני. שתי הפיסות הכפולות החדשות מכילות פיסה אחת קטועה.

איור סכמטי של שיטת ה-PCR: סיבוב ראשון.

כעת מבצעים שוב את אותו תהליך: פירוק, פריימרים והשלמה על ידי הפולימראז. בסוף הסיבוב השני, מהפיסות הבודדות הקטועות בצד אחד תיווצרנה פיסות בודדות הקטועות משני הצדדים (ראו איור). בסיבוב השלישי נקבל מפיסה בודדת הקטועה משני צידיה פיסה כפולה הקטועה משני צידיה (ראו איור). הפיסה הזאת היא החלק ב-DNA המקורי שתחום בין שני הפריימרים. בכל שלב נוסף פיסה כפולה המורכבת משתי פיסות קטועות תשוכפל ולכן כל שלב נוסף יכפיל את מספר הפיסות האלו פי שתיים. זה אומר שמספרם יגדל באופן מעריכי וכמות הפיסות מהסוגים האחרים בתמיסה יהפך בטל בשישים.


איור סכמטי של שיטת ה-PCR: סיבוב שני שלישי וכל השאר.

סוף דבר

מה שהתקבל בתמיסה זה מקטע DNA שהוגדר מראש על ידי הפריימרים ושוכפל בכמויות אסטרונומיות כרצוננו. גם אם היו בתמיסה המקורית פיסות DNA לא רצויות (אולי זיהום) הן לא יוגברו. לכן ניתן לקחת במעבדה כמות זעירה של DNA ולהגדיל אותה לרמה שאותה יכולים המכשירים במעבדה לזהות. השיטה קידמה מאוד את המחקר בתחום מדעי-החיים והרפואה. בנוסף ניתן לאסוף דגימות מזעריות של DNA מזירת פשע ולהגביר אותן לשם זיהוי. ולבסוף, ה-PCR משמש גם לזיהוי מחלות מסוימות.

במשך הזמן הוכנסו שיפורים לשיטה כגון שימוש בפולימראז המופק מבקטריה הנקראת Thermus aquaticus שנמצאה במעיינות חמים והיא חסינה לטמפרטורות גבוהות. פולימראז זה אינו מתפרק בתמיסה בגלל החום (כפי שהיה קורה בעבר) ולכן אין צורך לחדש את המלאי שלו תוך כדי התהליך.

מאליס היה 'טיפוס' (במלעיל) ובאוטוביוגרפיה שלו מ-1998 הביע חוסר הסכמה עם הקונצנזוס המדעי בקשר לאיידס, התחממות גלובלית ואפילו אסטרולוגיה, וטען לקונספירציות כאלו ואחרות. אני מעדיף לחשוב עליו כממציא שיטת ה-PCR וכאדם שתמיד יגרום למדענים בני זמנו לשאול: מי זה המאליס הזה ואיך אני לא חשבתי על זה קודם? הרי הכול כבר היה שם!

לקריאה נוספת:

ההרצאה שנתן מאליס בטקס קבלת פרס הנובל

הסבר קצר על PCR באתר של מכון דוידסון הכולל שני סרטוני Youtube מתורגמים לעברית.

מודעות פרסומת
  1. גל
    26/02/2012 בשעה 9:45 pm

    שכחת את החלק הכי חשוב בתהליך:
    תפילה לאלוהי ה-PCR שהריאקציה תצלח ויתקבל תוצר.

    וברצינות – אין ספק שה-PCR (על כל שכלוליו השונים, כגון RT-PCR ו-qPCR אם להזכיר רק שניים) שינו לחלוטין את כל תחום מדעי החיים, הרפואה והזיהוי הפלילי.
    אם לציין רק משהו קטן – פעם אנשים היו משקיעים דוקטורט שלם על מנת לשבט גן בודד.
    היום, בעזרת PCR אתה יכול לשבט גן באחר צהרים אחד.

  1. 25/10/2013 בשעה 1:30 pm

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: