На этом этапе легко может возникнуть вопрос, какое отношение блок питания имеет к ПЦР, но за кулисами индустрия блоков питания и новейшие цифровые технологии электропитания внесли огромный вклад в повышение эффективности и точности процесса ПЦР. Прежде чем раскрыть, как именно, давайте вернемся к истокам всего этого
Чтение о внутренней структуре двойной спирали ДНК:
Все мы в школе изучали наследственный материал человека, известный как дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, которая содержит всю генетическую информацию и инструкции, необходимые организмам для развития, роста, выживания и размножения. Впервые открытая в 1866 году Грегором Менделем, известным как «отец генетики», ДНК потребовала многих лет, чтобы ученые смогли расшифровать ее секретный код и понять, как лучше всего использовать ее на благо человечества.
Рисунок 01: Структура двойной спирали ДНК (предоставлено Национальным институтом исследований генома человека)
В 1953 году был достигнут краеугольный камень в изучении структуры двойной спирали ДНК, которую Джеймс Дьюи Уотсон и Фрэнсис Гарри Комптон Крик опубликовали свои открытия (рис. 1), посвященные этой теме. Их работа была отмечена в 1962 году Нобелевской премией по медицине, которую они разделили с Морисом Хью Фредериком Уилкинсом за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их важности в передаче информации в живой материи.
Состав ДНК подобен отдельным буквам алфавита. При соединении в определенном порядке они образуют слова, предложения и истории. Для понимания этой книги и её содержания потребовались интенсивные исследования, и только в марте 2022 года учёные наконец создали первую полную карту генома человека, состоящую из более чем 3 миллиардов пар оснований. Трудно представить, что это собой представляет, но в более наглядном виде это было бы эквивалентно книге объёмом в миллион страниц: много чтения перед сном.
Расшифровка генома человека стала возможной благодаря множеству технологических инноваций. Например, метод секвенирования ДНК Oxford Nanopore, позволяющий секвенировать до миллиона букв ДНК за раз, хотя и с некоторыми ошибками, и метод секвенирования ДНК PacBio HiFi, позволяющий считывать 20 000 букв с точностью 99,9%. Это замечательные достижения, но ни одно из них не было бы возможно без открытий новаторов-первопроходцев.
Рисунок 02 Доктор Кэри Бэнкс Маллис
Изучение ДНК всегда было очень важной областью исследований и развивающимся инструментом для ее расшифровки; это мечта каждого биохимика, и стоит упомянуть Кэри Бэнкса Муллиса, который в 1983 году изобрел ПЦР, что помогло ускорить исследования и ускорить углубленное изучение ДНК (Рисунок 02).
Машина для копирования ДНК родилась
. Городская легенда или реальность? Говорят, что в 1983 году, когда доктор Кэри Бэнкс Маллис ехал из района залива Сан-Франциско в свой домик в Мендосино, словно молния с калифорнийского неба, ему пришла в голову идея найти определенный сегмент ДНК и синтезировать огромное количество его копий. В то время Маллис работал в компании Cetus и сосредоточился на воплощении своей идеи в жизнь.
После многих взлетов и падений, в 1987 году Муллис опубликовал в журнале Nature статью «Методы энзимологии», которая положила начало развитию ПЦР. В 1993 году он получил Нобелевскую премию по химии за изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР). Процесс, концептуализированный Муллисом в 1983 году, считается одной из монументальных научных методик XX века.
Рисунок 03: Процессы и циклы КНР (Предоставлено Национальным институтом исследований генома человека)
Что такое ПЦР и как она работает?
Полимеразная цепная реакция (сокращенно ПЦР) — это лабораторный метод быстрого получения (амплификации) миллионов или миллиардов копий определенного сегмента ДНК, который затем можно изучать более подробно. ПЦР включает использование коротких синтетических фрагментов ДНК, называемых праймерами, для выбора сегмента генома, подлежащего амплификации, а затем несколько раундов синтеза ДНК для амплификации этого сегмента (Рисунок 03). Этот процесс является специфическим и требует помещения образцов в пробирки и их воздействия на них с помощью очень точного термоциклирования — и именно здесь пища встречается с ДНК!
Этот процесс включает в себя несколько этапов, но три из них являются наиболее важными (денатурация, отжиг, удлинение) и повторяются многократно для создания копий сегментов ДНК (рис. 4). Не вдаваясь в подробности, можно кратко описать три важнейших этапа:
Первый этап — денатурация.
Препарат, находящийся в пробирке, нагревают как минимум до 94 °C. Нагрев разрушает водородные связи исходного образца ДНК и разделяет ДНК на отдельные нити.
Второй этап – отжиг:
температура снижается примерно на 5 °C ниже температуры плавления праймеров, в пределах от 50 до 60 °C, что позволяет ДНК-праймерам и ферменту ДНК-полимеразе связываться с отдельными нитями ДНК, разделенными нагревом. На этом этапе нуклеотиды (A, T, C, G) из добавленного раствора будут образовывать пары с отдельными нитями ДНК, образовавшимися в результате нагрева.
Третий этап – удлинение.
Затем температура повышается до 72°C, чтобы начать процесс удлинения. После соединения сегментов образуется новая комплементарная нить ДНК. Из каждой из одиночных нитей исходной молекулы образца образуется новая, дублированная, двухцепочечная молекула ДНК. После завершения последовательности температура повышается, чтобы начать новый цикл.
Этапы с первого по третий повторяются от 30 до 40 раз, автоматически повторяя циклы нагревания и охлаждения. Это приводит к дублированию последовательности ДНК при каждом цикле нагревания/охлаждения. В конце процесса получаются миллионы копий исходного образца.
Четвертый этап – заключительная стадия удлинения и хранение.
Заключительная стадия удлинения необходима для правильной синтеза всех продуктов ПЦР, обычно при 72°C в течение 10 минут. Наконец, температуру следует снизить до 4°C для хранения продукта ПЦР до анализа.
В зависимости от конечной цели, времени или требуемого уровня точности часто используются различные варианты этого процесса, например, количественная ПЦР в реальном времени (кПЦР), обратная транскрипционная ПЦР (ОТ-ПЦР), количественная обратная транскрипционная ПЦР (ОТ-кПЦР), цифровая ПЦР (дПЦР), цифровая капельная ПЦР (дДПЦР) и микрофлюидная ПЦР.
Рисунок 05: Типичное лабораторное оборудование для ПЦР (PRBX/ Natatravel/Shutterstock)
Источники питания для эффективной ПЦР:
Многие медицинские приложения требуют терморегулирования, например, инкубаторы для новорожденных, подогрев крови для гемолиза и лабораторные инкубационные камеры. Большинство из этих приложений требуют точной терморегуляции, и большинство медицинских источников питания с регулировкой выходного напряжения подходят для этих целей. Однако оборудование для ПЦР (рис. 5), с его специфическими тепловыми циклами, требующими высокой точности и повторяющихся последовательностей, требует специального решения для питания. В таких системах часто используется модульный подход, при котором силовая передача и управление интегрированы в контур терморегулирования ПЦР.
Как показано на рисунке 4, термические циклы довольно короткие, требующие от нагревательного элемента регулировки температуры в диапазоне от +95°C (высокая температура), +50°C (низкая температура), +72°C (плато) до +95°C через четыре минуты. Этот цикл повторяется от 30 до 40 раз с очень высокой точностью.
Существуют различные методы генерации и регулирования температуры в термоциклерах, но многие из них используют элементы Пельтье. Хотя основное применение эффекта Пельтье — охлаждение, его также можно использовать для нагрева или регулирования температуры. Его также можно комбинировать с другим нагревательным элементом и затем, посредством контролируемого гистерезиса, использовать для охлаждения термокамеры.
Рисунок06: Традиционный источник питания с цифровым управлением и мониторингом через цифровой вход, например, PMBus (PRBX).
Производители термоциклеров для ПЦР разработали сложные алгоритмы для точной регулировки и контроля уровня температуры. С внедрением цифрового управления питанием и энергопотреблением стало проще соединять процессор термоциклера с импульсным каскадом и управлять напряжением и током через цифровой интерфейс, такой как PMBus, для питания нагревательных/охлаждающих элементов (рис. 06).
В некоторых случаях ШИМ-сигнал генерируется контроллером термоциклера и подается на каскад переключения источника питания для строгого контроля параметров без дополнительных шагов (Рисунок 07).
Поскольку силовой каскад тесно интегрирован в контур терморегулирования, он часто становится его частью, и разработчикам силовых каскадов приходится тесно сотрудничать с программистами для обеспечения наиболее оптимального времени отклика на конкретные требования. Это очень интересно и, по сути, существенно отличается от более традиционных методов работы при проектировании силовых решений.
В заключение:
с момента открытия доктором Кэри Бэнксом Муллисом в 1983 году до широкого применения для обнаружения вируса SARS-CoV-2 в миллиардах образцов, технология ПЦР сыграла решающую роль в медицинских исследованиях и здравоохранении. Она также стала очень интересной областью для инженеров силовой электроники, позволяя разрабатывать решения для источников питания (рис. 8) в тесном сотрудничестве с медицинской промышленностью для создания высокоспецифичных источников питания с высоким уровнем программируемости и системной интеграции.
Кто сказал, что мир источников питания скучен?
-----------------------------------
Источники:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/
Доктор Кэри Бэнкс Маллис
https://www.karymullis.com/
Полная последовательность генома человека
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6987
Национальный институт исследований генома человека
https://www.genome.gov/
Для получения дополнительной информации
посетите сайт www.prbx.com.
Свяжитесь с Патриком Ле Февром, директором по маркетингу и коммуникациям,
по телефону +46 (0)158 703 00.
Артикул: PRBX-A-051-ES
Об авторе:
Патрик Ле Февр, директор по маркетингу и коммуникациям компании Powerbox, — эксперт в области маркетинга и квалифицированный инженер с 40-летним опытом работы в силовой электронике. Он является пионером в коммерциализации новых технологий, таких как цифровая энергетика, и в технических инициативах по снижению энергопотребления. Ле Февр написал и представил множество аналитических докладов и статей на ведущих международных конференциях по силовой электронике. Эти работы были опубликованы более 450 раз в средствах массовой информации по всему миру. Он также участвует в различных экологических форумах, делясь своим опытом и знаниями в области чистой энергетики.
Патрик Ле Февр,
директор по маркетингу и коммуникациям, Powerbox
