مقدمة
ما هو استخراج الأحماض النووية؟
بأبسط العبارات، استخلاص الأحماض النووية هو إزالة الحمض النووي الريبوزي (RNA) و/أو الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) من العينة، بالإضافة إلى كل الفائض غير الضروري. تعزل عملية الاستخلاص الأحماض النووية من العينة، وتُنتجها على شكل مستخلص مُركّز، خالٍ من المخففات والملوثات التي قد تؤثر على أي تطبيقات لاحقة.
تطبيقات استخلاص الأحماض النووية
تُستخدم الأحماض النووية المنقاة في تطبيقات متنوعة، تشمل قطاعات صناعية متعددة. ولعلّ الرعاية الصحية هي المجال الأكثر استخدامًا لها، حيث تُستخدم الأحماض النووية المنقاة (RNA) والحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) لأغراض اختبار متنوعة.
تتضمن تطبيقات استخلاص الأحماض النووية في الرعاية الصحية ما يلي:
- تضخيم تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) وتفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR)
- تسلسل الجيل التالي (NGS)
- تحديد النمط الجيني لـ SNP القائم على التضخيم
- التنميط الجيني القائم على المصفوفة
- هضم إنزيم التقييد
- التحليلات باستخدام الإنزيمات المعدلة (مثل الربط والاستنساخ)
هناك أيضًا مجالات أخرى خارج الرعاية الصحية حيث يتم استخدام استخراج الأحماض النووية، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر اختبار الأبوة والطب الشرعي وعلم الجينوم.
نبذة تاريخية عن استخلاص الأحماض النووية
استخراج الحمض النووييعود تاريخ هذا الاكتشاف إلى زمن بعيد، حيث أجرى الطبيب السويسري فريدريش ميشر أول عملية عزل معروفة عام ١٨٦٩. كان ميشر يأمل في كشف أساسيات الحياة من خلال تحديد التركيب الكيميائي للخلايا. بعد فشله في اختبار الخلايا الليمفاوية، تمكن من الحصول على راسب خام من الحمض النووي من كريات الدم البيضاء الموجودة في صديد على ضمادات مُهملة. وقد فعل ذلك بإضافة حمض ثم قلوي إلى الخلية لإخراجها من سيتوبلازمها، ثم وضع بروتوكولًا لفصل الحمض النووي عن البروتينات الأخرى.
بعد أبحاث ميشر الرائدة، واصل العديد من العلماء الآخرين تطوير تقنيات لعزل الحمض النووي وتنقيته. طوّر إدوين جوزيف كوهن، عالم البروتينات، العديد من التقنيات لتنقية البروتينات خلال الحرب العالمية الثانية. وكان مسؤولاً عن عزل جزء ألبومين المصل من بلازما الدم، وهو عنصر مهم في الحفاظ على الضغط الأسموزي في الأوعية الدموية. وكان هذا العنصر حاسماً في الحفاظ على حياة الجنود.
في عام ١٩٥٣، حدد فرانسيس كريك، بالتعاون مع روزاليند فرانكلين وجيمس واتسون، بنية الحمض النووي (DNA)، موضحين أنه يتكون من سلسلتين طويلتين من نيوكليوتيدات الأحماض النووية. مهد هذا الاكتشاف الرائد الطريق لميسلسون وستال، اللذين تمكنا من تطوير بروتوكول طرد مركزي لتدرج الكثافة لعزل الحمض النووي من بكتيريا الإشريكية القولونية، حيث أثبتا التكاثر شبه المحافظ للحمض النووي خلال تجربتهما عام ١٩٥٨.
تقنيات استخلاص الأحماض النووية
ما هي المراحل الأربع لاستخراج الحمض النووي؟
تتلخص جميع طرق الاستخراج في نفس الخطوات الأساسية.
تمزق الخلاياتتضمن هذه المرحلة، المعروفة أيضًا باسم تحلل الخلايا، تحطيم جدار الخلية و/أو غشاء الخلية، من أجل إطلاق السوائل داخل الخلايا التي تحتوي على الأحماض النووية ذات الصلة.
إزالة الحطام غير المرغوب فيه. يشمل ذلك الدهون الغشائية والبروتينات والأحماض النووية غير المرغوب فيها الأخرى التي قد تؤثر على التطبيقات اللاحقة.
العزل. هناك عدة طرق مختلفة لعزل الأحماض النووية المطلوبة من المحلول المُنقّى الذي أنشأته، والتي تندرج ضمن فئتين رئيسيتين: العزل القائم على المحلول أو العزل في الحالة الصلبة (انظر القسم التالي).
التركيز. بعد عزل الأحماض النووية عن جميع الملوثات والمخففات الأخرى، تُقدّم في مُستخلص عالي التركيز.
نوعان من الاستخراج
هناك نوعان من استخلاص الأحماض النووية: الطرق القائمة على المحلول وطرق الحالة الصلبة. تُعرف الطريقة القائمة على المحلول أيضًا باسم طريقة الاستخلاص الكيميائي، حيث تتضمن استخدام مواد كيميائية لتفكيك الخلية والوصول إلى المادة النووية. يمكن استخدام المركبات العضوية مثل الفينول والكلوروفورم، أو المركبات غير العضوية الأقل ضررًا، وبالتالي الأكثر استخدامًا، مثل بروتيناز ك أو هلام السيليكا.
تتضمن أمثلة طرق الاستخلاص الكيميائية المختلفة لتفكيك الخلية ما يلي:
- تمزق الغشاء الأسموزي
- الهضم الأنزيمي لجدار الخلية
- إذابة الغشاء
- مع المنظفات
- مع المعالجة القلوية
تتضمن تقنيات الحالة الصلبة، المعروفة أيضًا بالطرق الميكانيكية، استغلال كيفية تفاعل الحمض النووي (DNA) مع ركيزة صلبة. باختيار حبة أو جزيء يرتبط به الحمض النووي (DNA) دون ارتباطه بالمحلل، يُمكن فصلهما. من أمثلة تقنيات الاستخلاص في الطور الصلب استخدام السيليكا والخرز المغناطيسي.
شرح استخراج الخرز المغناطيسي
طريقة استخراج الخرز المغناطيسي
أُدركت إمكانية الاستخلاص باستخدام الخرز المغناطيسي لأول مرة في براءة اختراع أمريكية قدّمها تريفور هوكينز، لمؤسسة وايت هيد البحثية. أقرّت هذه البراءة بإمكانية استخلاص المادة الوراثية بربطها بحامل دعم صلب، قد يكون خرزًا مغناطيسيًا. يقوم المبدأ على استخدام خرز مغناطيسي عالي الأداء، تلتصق به المادة الوراثية، ويمكن بعد ذلك فصله عن السائل العلوي بتطبيق قوة مغناطيسية على الجزء الخارجي من الوعاء الذي يحمل العينة.
لماذا تستخدم استخراج الخرز المغناطيسي؟
تزداد تقنية استخلاص الحبيبات المغناطيسية انتشارًا بفضل إمكاناتها لإجراءات استخلاص سريعة وفعالة. في الآونة الأخيرة، طُوّرت حبيبات مغناطيسية عالية الأداء مزودة بأنظمة عازلة مناسبة، مما أتاح أتمتة استخلاص الأحماض النووية وسير عمل سهل الاستخدام وفعال من حيث التكلفة. كما أن طرق استخلاص الحبيبات المغناطيسية لا تتضمن خطوات الطرد المركزي التي قد تُسبب قوى قص تُفتّت أجزاء الحمض النووي الأطول. هذا يعني أن خيوط الحمض النووي الأطول تبقى سليمة، وهو أمر مهم في اختبارات الجينوم.
وقت النشر: ٢٥ نوفمبر ٢٠٢٢