Współczesna medycyna opiera się na coraz bardziej zaawansowanych metodach diagnostycznych, a jednym z najważniejszych narzędzi, które zrewolucjonizowały naukę i medycynę, jest test PCR (Polymerase Chain Reaction – reakcja łańcuchowa polimerazy). Technika ta umożliwia precyzyjne powielanie nawet niewielkich ilości materiału genetycznego, co znajduje zastosowanie nie tylko w diagnostyce chorób, ale także w kryminalistyce, biologii ewolucyjnej, inżynierii genetycznej czy badaniach nad organizmami kopalnymi. W artykule przybliżymy, czym jest badanie PCR, na czym polega ta metoda, jak przebiega oraz w jak wielu dziedzinach nauki i medycyny jest wykorzystywana.
Spis treści:
- PCR – co to za badanie?
- Na czym polega metoda PCR?
- Zastosowanie badania PCR w diagnostyce medycznej
- Kiedy wykonuje się badanie PCR?
PCR – co to za badanie?
Badanie PCR jest jednym z najważniejszych narzędzi wykorzystywanych w diagnostyce molekularnej. Jest to technika umożliwiająca wykrywanie specyficznych fragmentów DNA w próbce biologicznej. Nazwa „reakcja łańcuchowa polimerazy” pochodzi od kluczowego enzymu, jakim jest polimeraza, która odgrywa główną rolę w kopiowaniu DNA.
Polimeraza to białko, które działa jak „fabryka” – tworzy nowe nici DNA, korzystając z pojedynczych cząsteczek zwanych nukleotydami. W PCR, polimeraza DNA pracuje tak, że „czyta” istniejącą nić DNA i na jej podstawie tworzy nową, dokładnie odwzorowaną nić. Dzięki temu, po wielu cyklach reakcji, otrzymujemy miliony kopii danego fragmentu DNA. To pozwala na dokładną analizę nawet bardzo małych ilości materiału genetycznego.
| Warto wiedzieć Twórca metody PCR, Kary Mullis, opracował tę przełomową technikę w 1983 roku. Co ciekawe, jego inspiracja przyszła w czasie, gdy był pod wpływem LSD, co miało wpływ na sposób, w jaki myślał o rozwiązywaniu problemów naukowych. W 1993 roku za swoje odkrycie otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. |
Na czym polega metoda PCR?
Metoda PCR polega na cyklicznym przeprowadzaniu serii reakcji chemicznych, które prowadzą do kopiowania określonych sekwencji kwasów nukleinowych. Jako materiał do badań może posłużyć różnorodny materiał biologiczny, w tym krew, ślina, mocz, a także próbki biopsyjne.
Etapy badania PCR
Badanie PCR przebiega w kilku etapach, które są kluczowe dla uzyskania odpowiedniej ilości i jakości materiału do dalszych badań:
Pobranie próbki oraz izolacja DNA: pierwszym krokiem jest uzyskanie materiału genetycznego, który ma zostać zbadany. Z próbki biologicznej izolowane jest DNA, a proces ten obejmuje m.in. oddzielenie kwasów nukleinowych od innych składników komórkowych, takich jak białka czy lipidy, w celu uzyskania czystego materiału genetycznego do analizy.
Denaturacja: w kolejnym etapie próbka DNA jest poddawana denaturacji, czyli podgrzewaniu do wysokiej temperatury (około 94-98°C). Denaturacja prowadzi do rozdzielenia dwóch nici DNA, umożliwiając dostęp do pojedynczych łańcuchów.
Przyłączanie primerów: po denaturacji obniża się temperaturę, co pozwala na przyłączenie specyficznych krótkich fragmentów DNA, zwanych primerami bądź starterami, które są zaprojektowane do wiązania się z określonymi sekwencjami docelowymi w badanym materiale. Primer to istotny element, ponieważ wyznacza początek i koniec regionu, który będzie amplifikowany.
Amplifikacja: po przyłączeniu primerów, polimeraza zaczyna tworzyć nowe kopie wybranego fragmentu. Czynność ta powtarza się wielokrotnie, co prowadzi do znacznego powielania określonej sekwencji DNA. Każdy cykl amplifikacji pozwala na podwojenie liczby kopii DNA, a po kilkudziesięciu cyklach liczba kopii wzrasta do miliardów.
Analiza: ostatni etap polega na analizie uzyskanych wyników. Można to zrobić za pomocą różnych metod, takich jak elektroforeza, sekwencjonowanie DNA, czy inne techniki umożliwiające wykrycie obecności pożądanej sekwencji genetycznej w próbce.
| Czy wiesz że? PCR ma ponad 40 różnych wariantów. Każdy z nich jest dostosowany do specyficznych zastosowań, takich jak reakcja łańcuchowa polimerazy z odwrotną transkrypcją (RT-PCR), która umożliwia analizę RNA, czy reakcja łańcuchowa polimerazy w czasie rzeczywistym (qPCR), która pozwala na precyzyjne określenie ilości DNA w próbce. Dzięki tej różnorodności technika PCR znalazła szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki. |
Zastosowanie badania PCR w diagnostyce medycznej
PCR znajduje szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej, umożliwiając dokładne wykrywanie materiału genetycznego patogenów i innych nieprawidłowości w organizmach. Najważniejsze zastosowania PCR obejmują:
- Diagnostyka chorób zakaźnych – wykrywanie materiału genetycznego wirusów (np. SARS-CoV-2, HIV, HPV), bakterii (np. gruźlica, borelioza) i grzybów, nawet przy minimalnej ilości patogenu.
- Wykrywanie zakażeń oportunistycznych – u pacjentów z osłabionym układem odpornościowym (np. osoby po przeszczepach, pacjenci onkologiczni, osoby z HIV/AIDS), narażonych na infekcje oportunistyczne, które mogą być trudne do wykrycia tradycyjnymi metodami.
- Onkologia – identyfikacja mutacji genetycznych związanych z nowotworami, co pomaga w dokładnej diagnostyce podtypu nowotworu i doborze terapii celowanej.
- Choroby dziedziczne – wykrywanie mutacji odpowiedzialnych za wrodzone schorzenia genetyczne.
- Diagnostyka prenatalna – analiza DNA płodu w celu wykrycia wad genetycznych na wczesnym etapie ciąży.
- Medycyna sądowa – identyfikacja osób na podstawie analizy DNA oraz określenie pokrewieństwa.
- Kontrola terapii i monitorowanie leczenia – ocena skuteczności leczenia, np. w zakażeniach wirusowych i chorobach nowotworowych; wykrywanie minimalnej choroby resztkowej (MRD) za pomocą modyfikacji PCR – real-time PCR (qPCR), co pozwala na precyzyjną ocenę ilości pozostałych komórek nowotworowych, prognozowanie nawrotu i dostosowanie terapii.
- Ocena skuteczności przeszczepów – w monitorowaniu reakcji organizmu na przeszczepione narządy i wczesnym wykrywaniu odrzutu.
- Identyfikacja lekooporności – wykrywanie mutacji odpowiedzialnych za oporność patogenów na antybiotyki czy leki przeciwwirusowe.
Kiedy wykonuje się badanie PCR?
PCR to nie tylko metoda diagnostyczna, ale również fundament współczesnej inżynierii genetycznej. Dzięki tej technice możliwe jest powielanie określonych fragmentów DNA, co jest niezbędne w wielu eksperymentach badawczych. PCR znajduje zastosowanie w klonowaniu genów, tworzeniu bibliotek DNA, analizie różnorodności genetycznej organizmów czy produkcji rekombinowanych białek. Jest także nieocenione w badaniach nad ewolucją i filogenezą organizmów, pozwalając na porównanie sekwencji genetycznych różnych gatunków.
PCR ma również ogromne znaczenie w kryminalistyce, gdzie jest stosowane do identyfikacji osób na podstawie materiału genetycznego pozostawionego na miejscu zbrodni. Ponadto, znajduje zastosowanie w badaniach paleontologicznych, gdzie izoluje się materiał genetyczny ze skamielin, szczątków czy innych zachowanych resztek organizmów, umożliwiając naukowcom badanie dawnych form życia.
Metoda PCR odgrywa również kluczową rolę w epidemiologii, umożliwiając monitorowanie rozprzestrzeniania się patogenów, wykrywanie nowych szczepów bakterii i wirusów, a także ocenę oporności na leki. W rolnictwie jest wykorzystywane do identyfikacji patogenów roślinnych i zwierzęcych, diagnostyki chorób upraw oraz kontroli jakości nasion i produktów spożywczych. PCR znajduje również zastosowanie w diagnostyce in vitro, gdzie umożliwia wykrywanie genetycznych nieprawidłowości zarodków, a także w tworzeniu technologii związanych z terapią genową i reprodukcją komórkową.
Badanie PCR to niezwykle wszechstronna i precyzyjna technika, która znalazła szerokie zastosowanie nie tylko w medycynie, ale także w wielu innych dziedzinach nauki. Dzięki swojej zdolności do dokładnego wykrywania i powielania nawet najmniejszych ilości materiału genetycznego, PCR stało się fundamentem współczesnej diagnostyki, inżynierii genetycznej, kryminalistyki oraz wielu innych obszarów badań. Z każdym dniem rozwój tej technologii otwiera nowe możliwości, w tym szybsze i dokładniejsze diagnozowanie chorób, skuteczniejsze monitorowanie terapii oraz nowatorskie podejścia w terapii genowej i badaniach nad ewolucją organizmów. PCR to nie tylko narzędzie diagnostyczne, ale także klucz do dalszego rozwoju nauki i medycyny.
Bibliografia
- Khehra N, Padda IS, Swift CJ. Polymerase Chain Reaction (PCR) [Updated 2023 Mar 6]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2025 Jan-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK589663/
- https://www.genome.gov/genetics-glossary/Polymerase-Chain-Reaction-PCR
- Valones MA, Guimarães RL, Brandão LA. et al. Principles and applications of polymerase chain reaction in medical diagnostic fields: a review. Braz J Microbiol. 2009 Jan;40(1):1-11.
- https://www.mp.pl/podrecznik/pediatria/chapter/B42.71.3.7.3.
