सदस्यः:2441214Devika

पॉलिमरेज़्-शृङ्खला-प्रतिक्रिया (PCR) तथा तस्याः अनुप्रयोगाः

पॉलिमरेज़्-शृङ्खला-प्रतिक्रिया (PCR) आधुनिक-अणुजीवविज्ञानस्य अत्यन्तं क्रान्तिकारी-तन्त्रेषु प्रमुखा अस्ति। अस्याः साहाय्येन विशिष्ट-DNA-अनुक्रमस्य अत्यधि-कुशीलतया, संवेदनशीलतया, शीघ्रतया च बहुगुणनं कर्तुं शक्यते। 1983 तमे वर्षे Kary Mullis इति विज्ञानेन एषा पद्धतिः विकसिताः, येन लक्षित-DNA-अनुक्रमस्य अणुमात्रात् अपि सहस्रशः, लाखशः प्रतिलिपयः प्राप्तुं सम्भवम् अभवत। अस्याः आविष्कारस्य प्रभावः आनुवंशिकी, न्यायवैज्ञानिक-विज्ञानम्, चिकित्सीय-निदानम्, कृषि-विज्ञानम्, सूक्ष्मजीवविज्ञानम्, जैवतन्त्रज्ञानम् इत्यादिषु बहुषु क्षेत्रेषु विस्तृतः अस्ति। सूक्ष्मदर्शिकायाः आविष्कारवत् PCR इत्यस्य विकासः अपि विज्ञानस्य इतिहासे महत्त्वपूर्णं मीलस्तम्भरूपेण मन्यते, यतः एतेन वंशपरम्परायाः अध्ययनम्, रोगनिदानम्, आनुवंशिक-द्रव्यस्य विन्यासः च नूतनया मार्गेण सम्भवितम्।

PCR इत्यस्य सिद्धान्तः

PCR-प्रक्रिया जीविषु यस्मिन् प्रकारेण DNA-प्रजनि (replication) भवति, तस्य अनुकरणेन कार्यं करोति। एषा प्रक्रिया परस्परानुरूप-आधार-युग्मन-नियमस्य (A–T, C–G) उपरि आधृता अस्ति। सामान्यतया PCR-मिश्रे चारि मुख्य-अङ्गानि सन्ति—

1. टेम्पलेट्-DNA (लक्षित-अनुक्रमयुक्तम्),

2. कृत्रिम-ओलिगोन्यूक्लियोटाइड्-प्राइमर-द्वयम्,

3. डिऑक्सीन्यूक्लियोटाइड्-ट्राइफॉस्फेट्स् (dNTPs),

4. ऊष्मासह-DNA-पॉलिमरेज़्-एन्ज़ाइम्।

एषा प्रक्रिया थर्मल्-सायक्लर् इति विशेष-यन्त्रे सम्पन्ना भवति, यत् तापमानं चक्रीयरूपेण परिवर्तयति तथा प्रत्येक-चरणस्य अनुकूलावस्था निर्मीयते।

PCR-द्वारा DNA-बहुगुणनं त्रिभिः प्रमुखैः चरणैः सम्पन्नं भवति—विघटनम् (Denaturation), संलग्ननम् (Annealing), विस्तारः (Extension)।

1. विघटनम् (94–98°C):

उच्चतापनेन द्विसूत्रीय-DNA युग्मबन्धं विघट्य द्वौ एकसूत्रीय-DNA-अंशौ भवतः।

2. संलग्ननम् (45–65°C):

प्राइमराः एकसूत्रीय-DNA-मात्रिकायाः अनुकूल-भागेषु सम्बध्यन्ते। संलग्नन-तापमानं प्राइमर-दीर्घता-न्यूक्लियोटाइड्-संयोजनं च आश्रित्य भवति।

3. विस्तारः (72°C):

ऊष्मासह-DNA-पॉलिमरेज़् (Taq polymerase इति प्रसिद्धः) प्राइमरान् दीर्घीकुरुते, नवीनं DNA-सूत्रं 5′→3′ दिशि संयोजयन् निर्माणं करोति।

एते त्रयः चरणाः मिलित्वा एकः PCR-चक्रः भवन्ति। एते चक्राः 25–40 वारं यावत् पुनरावर्तिताः सति लक्षित-DNA-अनुक्रमस्य दशलक्षाधिकानि प्रतिलिपयः उत्पद्यन्ते। अस्य बहुगुणन-क्षमतया अल्पमात्रकः अपि DNA स्पष्टतया ज्ञातुं विश्लेषितुं च शक्यते, अतः PCR अत्यन्तं शक्तिशाली-तकनीकिरूपेण प्रसिद्धम्।

PCR इत्यस्य प्रकाराः

कालनुगुणं PCR-तन्त्रस्य अनेकाः रूपान्तराः विकसिताः, ये विशिष्ट-वैज्ञानिक–चिकित्सीय–अनुसन्धान-आवश्यकतानुसारं प्रयुज्यन्ते।

1. पारम्परिक-PCR (Conventional PCR)

अस्यां पद्धत्यां बहुगुणित-DNA-अंशाः अग्रोज़्-जलिका (agarose gel) मध्ये विद्युत्संश्लेषणेन दृश्यमाना भवन्ति। एषा सामान्यतया DNA-अनुक्रमस्य साधारण-बहुगुणनार्थं प्रयुज्यते।

2. रियल्-टाइम् PCR (qPCR)

अस्यां पद्धत्यां DNA-बहुगुणनं यथाकालम् (real time) द्योतक-दीप्त-सूत्रैः (fluorescent dyes) वा विशिष्ट-प्रोब्-द्वारा परिमीयते। एषा पद्धतिः रोगनिदाने, जीन-अभिव्यक्तिः-अध्ययने, विषाणु-भारस्य (viral load) मापनं च कर्तुं अत्यन्तं उपयोगी।

3. रिवर्स्-ट्रान्सक्रिप्शन-PCR (RT-PCR)

अस्यां पूर्वं RNA अणवः cDNA इत्याख्यं पूरक-DNA-रूपं परिवर्त्यन्ते। एषा पद्धतिः RNA-विषाणूनां निदाने, जीन-अभिव्यक्तेः अध्ययनं चार्थं आवश्यकः अस्ति।

4. मल्टिप्लेक्स् PCR (Multiplex PCR)

अत्र बहवः प्राइमर-युग्माः एकस्मिन् एव अभिकर्मणे प्रयुज्यन्ते, ये अनेकान् लक्षित-अनुक्रमान् एककाले बहुगुणयन्ति। एषा रोगकारकानां शीघ्र-निदानार्थं, आनुवंशिक-रोग-जाँचायाम् च उपयोगी।

5. नेस्टेड्-PCR (Nested PCR)

अत्र द्वौ भिन्नौ प्राइमर-समुच्चयौ क्रमशः प्रयुज्येते। एतेन असङ्गत-बहुगुणनस्य (non-specific amplification) सम्भावना न्यूनत्वं गच्छति तथा संवेदनशीलता वर्धते।

6. डिजिटाल्-PCR (Digital PCR)

अत्र नमूना-सङ्ख्या सहस्रशः लघु-उपविभागेषु विभज्यते, येन DNA-परिमाणस्य अविकलं (absolute) मापनं सम्भवति। एषा पद्धतिः qPCR-तुल्यं अधिकं सूक्ष्मम्।

7. उच्च-निष्ठता-PCR, टच्डाउन-PCR, हॉट्-स्टार्ट-PCR च

एते परिवर्तित-रूपाणि विशिष्टता-वृद्धये, त्रुटि-न्यूनता-हेतवे, कार्यक्षमता-वर्धनार्थं च प्रयुज्यन्ते। विशेषतः उच्च-निष्ठता-PCR पठनार्थं (sequencing), क्लोनिंगार्थं च प्रयुक्ता, यतः एतेन त्रुटि-अवसरः न्यूनः भवति।

PCR इत्यस्य अनुप्रयोगाः

PCR-तन्त्रस्य बहुउपयोगित्वात् एतत् अनुसन्धानं, चिकित्साशास्त्रं, अपराध-विज्ञानम्, कृषि-विज्ञानम्, पर्यावरण-विज्ञानम्, जैवतन्त्रज्ञानम् इत्यादिषु अनिवार्यं साधनं जातम्।

1. चिकित्सीय-निदान-क्षेत्रे

PCR आधुनिक-चिकित्सायाम् रोगनिदान-प्रणालीनाम् स्वरूपं पूर्णतया परिवर्तितवती।

रोगकारकानां शीघ्र-निदानम्

PCR-द्वारा जीवाणु-विषाणु-कवक-परजीवी-प्रभृतयः सूक्ष्मजीवाः अत्यल्पेऽपि मात्रायां ज्ञातुं शक्यन्ते। HIV, हेपेटाइटिस्-B, हेपेटाइटिस्-C, तपेदिक् (TB), SARS-CoV-2, इन्फ्लुएन्जा, लैङ्गिक-रोगाः च PCR-परीक्षणेन शीघ्रं सूच्यन्ते। पारम्परिक-जीवाणुपोषण-तन्त्रं यत्र दिनानि सप्ताहानि वा यावत् कालः अपेक्षितः, तत्र PCR-कर्मणा केवलं कतिपय-घण्टासु परिणामः लभ्यते।

आनुवंशिक-रोगाणां निदानम्

सिकल्-सेल्-एनीमिया, थॅलेसीमिया, सिस्टिक्-फाइब्रोसिस्, BRCA1/BRCA2-परिवर्तनानि, हन्टिङ्टन-रोगः इत्यादीनां आनुवंशिक-व्याधीनां निदानार्थं PCR अनिवार्यं साधनम्। गर्भावस्थायां अपि भ्रूणस्य आनुवंशिक-दोषाः (जैसे Down Syndrome) PCR-आधारित-परीक्षया ज्ञातुं शक्यन्ते।

कर्कटरोग-निदानम्

PCR द्वारा कर्कट-कोशानां जीन-परिवर्तनानि, गुणसूत्र-विचलनानि, लघु-अवशिष्ट-रोगः (MRD) इत्यादीनां निरीक्षणं शक्यते। qPCR कर्कटरोग-चिकित्सायाम् उपयोग्यं, यतः एतेन ट्यूमर-सूचयितृ-पदार्थानां मात्रां मीयते।

2. न्यायवैज्ञानिक-विज्ञानम् (Forensic Science)

अपराध-अन्वेषणे PCR-अत्यल्प-DNA-नमूनानामपि विश्लेषणं करणीयं करोति। रक्तबिन्दोः, रोमकूपात्, त्वक्-कणात् वा लब्धम् अत्यल्पं DNA बहुगुण्यते, यत् अपराध-निदाने अत्यन्तम् उपकारकम्।

DNA-अङ्गुलिचिह्ननिर्माणम् (DNA Fingerprinting)

PCR-द्वारा STRs (Short Tandem Repeats) नामकाः विशिष्टाः पुनरावृत्त-अनुक्रमाः विविधेषु लोकिनि बहुगुण्यन्ते। एतेन प्रत्येकस्य व्यक्ति-विशिष्टो DNA-प्रोफ़ाइल् निर्मीयते।

एते प्रोफ़ाइल्–

अपराधिनः परिचये,

जनकत्व-परिक्षणे,

अपहृत-व्यक्तीनां निर्णयार्थं

बहु उपयोगाः भवन्ति।

अपकृष्ट-पुरातन-नमूनानां विश्लेषणम्

यद्यपि DNA नष्टावस्था अस्ति अथवा प्राचीनः, तथापि PCR तस्य बहुगुणनं कर्तुं शक्नोति। अतः आपत्तिक्षेत्रात्, विदीर्ण-अवशेषेभ्यः, पुरातत्त्वीय-अवशेषेभ्यः च लब्धं DNA अपि विश्लेषणीयं भवति।

3. आनुवंशिक-अभियांत्रिकी एवं आणविक-जीवविज्ञानम्

PCR आनुवंशिक-अभियांत्रिक्यां मुख्यतया प्रयुज्यते, यतः जीन-अंशस्य विशिष्टं बहुगुणनं, संशोधनं च शक्यते।

जीन-क्लोनिंग् (Gene Cloning)

प्रयोगशालासु इच्छित-जीन-अंशः PCR-द्वारा बहुगुण्यते तथा प्लास्मिड्-वेक्टरादिषु आरोप्य जीवाणु, वनस्पति, प्राणि-कोशेषु च प्रविष्टुं शक्नोति।

साइट्–डाइरेक्टेड्–म्यूटाजेनेसिस्

PCR-द्वारा DNA-अनुक्रमे इच्छिताः परिवर्तनाः कर्तुं शक्यन्ते—

नवीन-प्रतिबन्ध-स्थलस्य आरोपणम्,

बिन्दु-परिवर्तनानि,

फ्रेम्-शिफ्ट् उत्पत्तिः,

इत्यादयः।

एतेन प्रोटीन-कार्यस्य अध्ययनम्, जीन-नियमनस्य बोधः च साध्यते।

सिंथेटिक-बायोलॉजी (Synthetic Biology)

कृत्रिम-जैविक-व्यूहानां निर्माणे, जैनेटिक-सर्किट्-विन्यासे, नवीन-विशिष्टतायुक्त-जीवस्य निर्माणे च PCR अत्यावश्यकं साधनम्।

4. उत्क्रान्तिविज्ञानम् तथा मानव–इतिहास-अध्ययनम्

PCR उत्क्रान्ति-अध्ययने, प्राचीन-मानव-इतिहासे, जनसंख्या-विविधता-अनुसन्धाने च महत्त्वपूर्णं योगदानं करोति।

प्राचीन-DNA-अध्ययनम् (Ancient DNA Studies)

पुरातन-अवशेषेभ्यः, जीवाश्मेभ्यः, सङ्ग्रहालय-संग्रहात् च लब्धं DNA PCR-द्वारा अतीव सूक्ष्मतया बहुगुण्यते।

एतेन—

निअँडरथल्-मानवानां जीनोम-अध्ययनम्,

प्रारम्भिक-मानव-प्रवास-मार्गाः,

विलुप्त-प्रजातीनां अध्ययनम्

कृतम्।

जनसंख्या-आनुवंशिकी (Population Genetics)

PCR-द्वारा विशिष्टाः आनुवंशिक-सूचकाः (markers) बहुगुण्यन्ते, येन—

प्रजातिविविधता

प्राकृतिक-चयनः

नवीन-प्रजाति-उद्भवः

इत्यादीनां अध्ययनं शक्यते।

5. कृषि-विज्ञानं एवं अन्न-प्रयुक्तिः

PCR कृषि-क्षेत्रे, विशेषतः फसल-विकासे, रोग-नियन्त्रणम्, खाद्य-सुरक्षा इत्यादिषु महत्त्वपूर्णं साधनम्।

GM-फसलानां परीक्षणम् (Detection of GMOs)

Bt-विषम्, तृणनाशक-प्रतिरोधः, इत्यादीनां आनुवंशिक-परिवर्तनानां उपस्थिति PCR-द्वारा सूच्यते। अनेक-राष्ट्रे GM-अन्नस्य लेबलिङ्ग्-नियन्त्रणाय PCR–विश्लेषणं आवश्यकम्।

वनस्पति-रोग-निदानम्

PCR द्वारा कृषि-भूमौ विद्यमानाः वनस्पति-विषाणवः, जीवाणवः, कवकाः च शीघ्रं ज्ञातुं शक्यन्ते। प्रारम्भिकावस्थायाम् रोगज्ञानं फसलहानिं न्यूनं करोति।

मार्कर-सहायत-चयनम् (Marker-Assisted Selection)

PCR–साधित–आनुवंशिक-सूचकैः (genetic markers) इष्टगुणयुक्ताः वनस्पति-प्राणीभ्यां चयनं शीघ्रं साध्यते।

एतेन प्रजनन-प्रक्रिया (breeding) द्रुतगत्या अनुकूलतया च प्रवर्तते।

6.पर्यावरण-अध्ययनम्

PCR पर्यावरण-विज्ञाने अपि अत्यन्तं उपयोगी अस्ति। जल, मृदा, वायुः इत्यादिषु विद्यमानानां सूक्ष्मजीवानां (microorganisms) उपस्थितिः PCR-द्वारा ज्ञायते।

एतेन पर्यावरण-प्रदूषणस्य स्रोतः, जैव-विविधता, तथा पारिस्थितिक-परिवर्तनानि अपि अध्ययनं कर्तुं शक्यन्ते। विशेषतः दुर्लभ-जीवानां अन्वेषणे PCR महत्त्वपूर्णं साधनम् अस्ति।

7. न्याय-विज्ञानम् (Forensic Science)

PCR न्याय-विज्ञाने अपराध-अन्वेषणे अत्यन्तं उपयोगी अस्ति। अल्पमात्रायां प्राप्तं रक्तम्, केशः, त्वक्-कोशिकाः इत्यादिभ्यः DNA बहुगुण्य कृत्वा व्यक्तिविशेषस्य परिचयः ज्ञायते।

एतेन अपराधिनः निश्चितीकरणं, पितृत्व-परीक्षणम् (paternity test), तथा आपदास्थले मृत-देह-परिचयः अपि सुलभतया साध्यते।