A questo punto, potremmo facilmente chiederci cosa c'entri un alimentatore con la PCR, ma dietro le quinte, l'industria degli alimentatori e le più recenti tecnologie di alimentazione digitale hanno contribuito in modo significativo a rendere il processo di PCR efficiente e preciso. Prima di svelare come, facciamo un passo indietro nel tempo, all'inizio di tutto

Leggere all'interno della doppia elica:
Tutti abbiamo imparato a scuola cos'è il materiale ereditario umano noto come acido desossiribonucleico, o DNA, che contiene tutte le informazioni genetiche e le istruzioni necessarie agli organismi per svilupparsi, crescere, sopravvivere e riprodursi. Scoperto originariamente nel 1866 da Gregor Mendel, noto come il "padre della genetica", ci sono voluti molti anni prima che gli scienziati capissero come decifrare il codice segreto del DNA e come potesse essere utilizzato al meglio per il bene dell'umanità.

Figura 01: Struttura a doppia elica del DNA (per gentile concessione del National Human Genome Research Institute)

Nel 1953, una pietra miliare fu raggiunta quando James Dewey Watson e Francis Harry Compton Crick pubblicarono le loro scoperte sulla struttura a doppia elica del DNA, che si attorciglia a formare la tipica struttura a scala che tutti vediamo in molte forme rappresentative (Figura 1). Il loro lavoro fu premiato nel 1962 con il Premio Nobel per la Medicina, che condivisero con Maurice Hugh Frederick Wilkins per le loro scoperte riguardanti la struttura molecolare degli acidi nucleici e la loro importanza nel trasferimento di informazioni nella materia vivente.

La composizione del DNA è come le singole lettere dell'alfabeto. Combinate in un ordine specifico, formano parole, frasi e storie. Leggere il libro e comprenderne il contenuto ha richiesto un'intensa ricerca, e solo nel marzo del 2022 gli scienziati sono finalmente riusciti a creare la prima mappa completa del genoma umano, composta da oltre 3 miliardi di paia di basi. È difficile visualizzare cosa rappresenti, ma tradotto in qualcosa di più tangibile, sarebbe l'equivalente di un libro di un milione di pagine: una bella lettura prima di andare a dormire.

Il completamento del genoma umano è stato reso possibile da un gran numero di innovazioni tecnologiche. Ad esempio, il metodo di sequenziamento del DNA Oxford Nanopore, in grado di sequenziare fino a un milione di lettere di DNA alla volta, seppur con alcuni errori, e il metodo di sequenziamento del DNA PacBio HiFi, capace di leggere 20.000 lettere con una precisione del 99,9%. Si tratta di risultati straordinari, ma entrambi non sarebbero stati possibili senza le scoperte di inventori pionieristici.

Figura 02 Dott. Kary Banks Mullis

La comprensione del DNA è stata un'area di ricerca di fondamentale importanza e uno strumento in continua evoluzione per decifrarlo; è il sogno di ogni biochimico, ed è opportuno menzionare Kary Banks Mullis che nel 1983 inventò la PCR, che ha contribuito a dare impulso alla ricerca e ad accelerare la comprensione approfondita del DNA (Figura 02).

Nasce la macchina per la copiatura del DNA
. Leggenda metropolitana o realtà? Si narra che nel 1983, mentre guidava dalla Bay Area verso la sua baita a Mendocino, il dottor Kary Banks Mullis, come un fulmine a ciel sereno, abbia avuto l'intuizione di un modo per individuare uno specifico segmento di DNA e sintetizzarne un gran numero di copie. All'epoca, Mullis lavorava per l'azienda Cetus e si concentrava sulla trasformazione della sua visione in un processo concreto.

Dopo molti alti e bassi, nel 1987 Mullis presentò alla rivista Nature un articolo intitolato "Methods in Enzymology", che diede il via allo sviluppo della PCR. Nel 1993, ricevette il Premio Nobel per la Chimica per l'invenzione della reazione a catena della polimerasi (PCR). Il processo, ideato da Mullis nel 1983, è considerato una delle tecniche scientifiche più importanti del XX secolo.

Figura 03: Processo e cicli del PRC (per gentile concessione dell'Istituto Nazionale per la Ricerca sul Genoma Umano)

Cos'è la PCR e come funziona?
La reazione a catena della polimerasi (abbreviata in PCR) è una tecnica di laboratorio per produrre (amplificare) rapidamente milioni o miliardi di copie di uno specifico segmento di DNA, che può poi essere studiato in modo più dettagliato. La PCR prevede l'utilizzo di brevi frammenti di DNA sintetico chiamati primer per selezionare un segmento del genoma da amplificare, e quindi più cicli di sintesi del DNA per amplificare quel segmento (Figura 03). Questo processo specifico richiede che i campioni vengano inseriti in provette ed esposti a un termociclaggio molto preciso: ed è qui che il cibo incontra il DNA!

Questo processo comprende diverse fasi, ma tre sono le più critiche (denaturazione, annealing, estensione) e vengono ripetute più volte per creare copie dei segmenti di DNA (Figura 4). Senza entrare troppo nei dettagli, possiamo riassumere le tre fasi critiche qui di seguito:

Primo passaggio - Denaturazione.
Il preparato contenuto nella provetta viene riscaldato ad almeno 94 °C. Il calore rompe i legami idrogeno del campione di DNA originale e separa il DNA in singoli filamenti.

Secondo passaggio – Ricottura:
La temperatura viene ridotta a circa 5 °C al di sotto della temperatura di fusione dei primer, tra 50 e 60 °C, consentendo ai primer di DNA e all'enzima DNA polimerasi di legarsi ai singoli filamenti di DNA che sono stati separati dal calore. A questo punto, i nucleotidi (A, T, C, G) della soluzione di miscelazione aggiunta si appaiaranno ai singoli filamenti di DNA separati risultanti dal processo di riscaldamento.

Terzo passaggio: estensione.
Successivamente, la temperatura viene aumentata a 72 °C per avviare il processo di estensione. Una volta uniti i segmenti, si forma un nuovo filamento di DNA complementare. Da ciascuno dei singoli filamenti della molecola campione originale si è formata una nuova molecola di DNA a doppio filamento, duplicata. Una volta completata la sequenza, la temperatura viene aumentata per iniziare un nuovo ciclo.

Le fasi da uno a tre vengono ripetute da 30 a 40 volte, ripetendo automaticamente i cicli di riscaldamento e raffreddamento del processo. In questo modo, la sequenza del DNA viene duplicata ogni volta che viene eseguito il ciclo di riscaldamento/raffreddamento. Al termine del processo, si ottengono milioni di copie del campione originale.

Quarto passaggio: estensione finale e conservazione.
È necessario un passaggio di estensione finale per consentire la corretta sintesi di tutti i prodotti della PCR, in genere a 72 °C per 10 minuti. Infine, la temperatura deve essere ridotta a 4 °C per conservare il prodotto della PCR fino all'analisi.

A seconda dell'obiettivo finale, dei tempi o del livello di accuratezza richiesto, vengono spesso utilizzate varianti di questo processo, ad esempio la PCR quantitativa in tempo reale (qPCR), la PCR a trascrizione inversa (RT-PCR), la PCR a trascrizione inversa quantitativa (RT-qPCR), la PCR digitale (dPCR), la PCR a gocce digitali (ddPCR) e la PCR microfluidica.

Figura 05: Apparecchiature tipiche per PCR da laboratorio (PRBX/ Natatravel/Shutterstock)

Alimentatori per PCR efficiente:
molte applicazioni mediche richiedono il controllo termico, come le incubatrici neonatali, il riscaldamento del sangue per l'emolisi e le camere di incubazione da laboratorio. La maggior parte di queste applicazioni richiede una regolazione termica precisa e la maggior parte degli alimentatori medicali con controllo della tensione di uscita sono adatti. Tuttavia, le apparecchiature per PCR (Figura 5), ​​con i loro specifici cicli termici che richiedono elevata precisione e sequenze ripetitive, necessitano di una soluzione di alimentazione dedicata. Questi sistemi adottano spesso un approccio modulare, con il gruppo di alimentazione e il controllo integrati nel circuito di controllo termico della PCR.

Come illustrato nella Figura 4, i cicli termici sono piuttosto brevi, richiedendo all'elemento riscaldante di regolare la propria temperatura tra +95 °C (valore massimo), +50 °C (valore minimo), +72 °C (valore di plateau) e di nuovo +95 °C dopo quattro minuti. Questo ciclo si ripete tra 30 e 40 volte, con un livello di precisione molto elevato.

Esistono diversi metodi per generare e controllare la temperatura nei termociclatori, ma molti utilizzano elementi Peltier. Sebbene l'applicazione principale dell'effetto Peltier sia il raffreddamento, può essere utilizzato anche per il riscaldamento o il controllo della temperatura. Potrebbe inoltre essere combinato con un altro elemento riscaldante e quindi, tramite isteresi controllata, utilizzato per raffreddare la camera termica.

Figura06: Alimentatore convenzionale con controllo e monitoraggio digitali tramite ingresso digitale, ad esempio PMBus (PRBX)

I produttori di termociclatori per PCR hanno sviluppato algoritmi molto complessi per regolare e controllare con precisione il livello di temperatura. Con l'introduzione del controllo e della gestione digitale dell'energia, è diventato più semplice interconnettere la CPU del termociclatore con lo stadio di commutazione e controllare la tensione e la corrente tramite un'interfaccia digitale, come PMBus, per alimentare gli elementi riscaldanti/raffreddanti (Figura 06).

In alcuni casi, il segnale PWM viene generato dal controllore del termociclatore e iniettato nello stadio di commutazione dell'alimentatore per controllare rigorosamente i parametri senza passaggi aggiuntivi (Figura 07).

Poiché lo stadio di potenza è fortemente integrato nel circuito di controllo termico, spesso ne diventa parte integrante, e i progettisti di sistemi di potenza devono collaborare strettamente con i programmatori per ottenere il tempo di risposta più ottimizzato a una specifica esigenza. Questo è un aspetto molto interessante e, di fatto, piuttosto diverso dai metodi di lavoro più convenzionali nella progettazione di soluzioni di potenza.

In conclusione:
dalla sua scoperta da parte del Dr. Kary Banks Mullis nel 1983 alla sua ampia applicazione nel rilevamento della presenza del virus SARS-CoV-2 in miliardi di campioni, la tecnologia PCR ha svolto un ruolo cruciale nella ricerca medica e nella salute pubblica. Si è inoltre rivelata un campo di grande interesse per gli ingegneri dell'elettronica di potenza, che hanno progettato soluzioni di alimentazione (Figura 8) in stretta collaborazione con l'industria medica per sviluppare alimentatori altamente specifici con un elevato livello di programmabilità e integrazione di sistema.

Chi ha detto che il mondo degli alimentatori è noioso?

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Riferimenti:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

Dott.ssa Kary Banks Mullis
https://www.karymullis.com/

La sequenza completa del genoma umano
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6987

Istituto Nazionale per la Ricerca sul Genoma Umano
https://www.genome.gov/

Per ulteriori informazioni
, visita www.prbx.com.
Contatta Patrick Le Fèvre, Direttore Marketing e Comunicazione,
al numero +46 (0)158 703 00.

Riferimento: PRBX-A-051-ES

Informazioni sull'autore:
Patrick Le Fèvre, Direttore Marketing e Comunicazione di Powerbox, è un esperto di marketing e ingegnere qualificato con 40 anni di esperienza nell'elettronica di potenza. È stato un pioniere nella commercializzazione di nuove tecnologie come l'energia digitale e nelle iniziative tecniche per ridurre il consumo energetico. Le Fèvre ha scritto e presentato numerosi white paper e articoli alle principali conferenze internazionali sull'elettronica di potenza. Questi sono stati pubblicati oltre 450 volte da testate giornalistiche di tutto il mondo. Partecipa inoltre a diversi forum ambientali, condividendo la sua esperienza e conoscenza sulle energie pulite.
Patrick Le Fèvre,
Direttore Marketing e Comunicazione, Powerbox