در پیاده‌روی‌هایم در اطراف شیکاگو، از ده‌ها سایت تست کووید-19 عبور می‌کنم که افراد را با ساندویچ‌بردهایی که روی آنها «تست PCR» نوشته شده است، به داخل می‌کشانم. اگرچه وضعیت ستاره طلایی PCR در تحقیقات علمی قبل از همه‌گیری به خوبی ثابت شده بود، اما از آن زمان از اصطلاح علمی به اصطلاح رایج تغییر کرده است.
انطباق پزشکی PCR با تست های غربالگری COVID-19 مسیری را که تحقیقات علمی می تواند طی کند را نشان می دهد. اکتشافات با پایه ای در تحقیقات بنیادی آغاز می شود، نوعی تحقیق که هدف آن کشف ویژگی های اساسی است که زندگی را ممکن می کند. هنگامی که این حقایق اساسی بهتر درک شدند، تحقیقات ترجمه ای از این اصول برای توسعه فناوری های جدید با هدف بهبود زندگی انسان استفاده می کند. برای ترویج نوآوری علمی، ما باید از تحقیقات بنیادی حمایت کنیم تا به گسترش دانش خود از جهان طبیعی ادامه دهیم.
PCR یا واکنش زنجیره ای پلیمراز، یک ابزار اولیه در تحقیقات بیولوژیکی است که فرآیند طبیعی ساخت کپی از مواد ژنتیکی را تقلید می کند، اما به جای اینکه در یک سلول اتفاق بیفتد، این فرآیند در یک لوله آزمایش انجام می شود. به طور خاص، PCR قطعات نسبتاً کوچکی از DNA را تقویت می کند. این یک اختراع انقلابی برای تحقیقات علمی بود، زیرا به دانشمندان اجازه می‌دهد تا مقادیر کمی از مواد ژنتیکی مورد علاقه را برای تولید مواد ژنتیکی کافی برای آزمایش‌های متعدد تقویت کنند.
آزمایش‌های COVID-19 تعیین می‌کنند که آیا ماده ژنتیکی خاصی از ویروس SARS-CoV2 در یک نمونه بیمار وجود دارد یا خیر. نمونه تحت فرآیندی قرار می گیرد که ماده ژنتیکی ویروس، RNA، را به یک توالی DNA منطبق تبدیل می کند. سپس نمونه مورد آزمایش PCR قرار می گیرد، که تشخیص می دهد آیا این DNA ویروسی وجود دارد یا خیر و به اندازه کافی کپی می کند تا آزمایش مثبت شود.
PCR از گرما برای باز کردن مارپیچ DNA دو رشته ای به یک رشته خطی از اسیدهای نوکلئیک استفاده می کند. نوکلئوتیدها، واحدهای سازنده DNA، در چهار نوع مختلف وجود دارند: سیستئین (C)، گوانین (G)، آدنوزین (A) و تیروزین (T). C و G پیوند دارند در حالی که A و T مرتبط هستند. در طی فرآیند PCR، اسیدهای نوکلئیک تک رشته ای به بلوک های سازنده اسید نوکلئیک مکمل خود متصل می شوند.
نوکلئیک اسیدها به تنهایی به آرامی به شرکای خود متصل می شوند. اما یک آنزیم، یک کاتالیزور بیولوژیکی معرفی کنید و سرعت واکنش ها افزایش می یابد. PCR از یک آنزیم مقاوم در برابر حرارت به نام Taq polymerase به عنوان یک بال مرد برای تطبیق اسیدهای نوکلئیک در امتداد الگوی تک رشته ای با شرکای اتصال آنها استفاده می کند و یک رشته جدید دو رشته ای از مواد ژنتیکی ایجاد می کند. مارپیچ دو رشته ای جدید را می توان دوباره با گرما جدا کرد و رشته های بیشتری را برای آنزیم ایجاد کرد تا با آن ارتباط برقرار کند. هنگامی که رشته مکمل توالی اصلی با اسیدهای نوکلئیک شریک خود مطابقت داده شود، رشته اصلی دوباره تولید می شود. این چرخه چندین بار ادامه می یابد و یک رشته به میلیون ها کپی می شود.
Taq polymerase، اسب کاری PCR، بیش از 50 سال پیش در مکانی بعید شناسایی شد. این آنزیم در سال 1969 توسط یک تیم تحقیقاتی در حال مطالعه باکتری های ساکن در آبفشان های داغ و حباب دار پارک ملی یلوستون کشف شد. در دماهای بالا، آنزیم‌هایی که واکنش‌های بیولوژیکی زندگی را فعال می‌کنند می‌توانند غیرفعال شوند، مانند اینکه چگونه سرخ کردن تخم‌مرغ پروتئین‌های موجود در سفیده تخم‌مرغ را غیرفعال می‌کند و آنها را از شفاف به سفید تبدیل می‌کند. محققان دریافتند که این باکتری‌های گرما دوست دارای آنزیم‌های ویژه‌ای هستند که حتی در دماهای بالا نیز فعال هستند و آنها را در فرآیندهایی که به گرما نیاز دارند، مانند باز کردن DNA، سازگار می‌کنند.
در سال 1983، دکتر کری مولیس PCR مدرن را با ترکیب دانش اولیه از خواص شناخته شده DNA با کشف آنزیم Taq polymerase مقاوم در برابر حرارت در یلوستون اختراع کرد. نزدیک به 10 سال بعد، مولیس جایزه نوبل شیمی را برای اختراع خود دریافت کرد. احتمالاً محققان یلوستون هرگز تصور نمی کردند که حفاری در اطراف آبفشان ها به چنین فناوری انقلابی منجر شود. تلاش تیم برای درک چگونگی امکان زندگی در دماهای بالا راه را برای کاربرد ترجمه مولیس هموار کرد.
برای تقویت تحقیقات ترجمه ای مداوم، باید به گسترش دانش بنیادی خود ادامه دهیم. به عنوان دکتری. من یک دانشجو در برنامه فارغ التحصیل زیست پزشکی Driskill در دانشگاه نورث وسترن، تحقیقات اساسی را برای تعیین چگونگی رشد و توسعه بافت اپیتلیال انجام می دهم. اپیتلیوم لایه نازکی از سلول ها است که اندام ها را می پوشاند و به عنوان یک مانع عمل می کند و بدن را تقسیم بندی می کند. پوست معروف ترین نمونه بافت اپیتلیال است که کل بدن را در بر می گیرد و از آن در برابر عوامل خارجی محافظت می کند.
من از پوست جنین های قورباغه در حال رشد برای مطالعه رشد اپیتلیال استفاده می کنم. پوست جنین قورباغه مانند اپیتلیومی است که ریه‌ها و لوله‌های فالوپ را می‌پوشاند، زیرا حاوی سلول‌های چندشکله (MCC) است. MCC ها سلول هایی هستند که دارای بیش از 100 زائده مو مانند به نام مژک هستند که مانند یک شقایق دریایی سورئال از سطح بیرون می آیند. در ریه ها، مژک ها مخاط را به عقب می راند تا از اندام های تنفسی ما محافظت کنند. در لوله های فالوپ، مژک ها تخم ها را به سمت پایین لوله ها هدایت می کنند.
MCC ها از طریق فرآیندی به نام شعاعی در اپیتلیوم ادغام می شوند. MCC ها در زیر سطح شروع به رشد می کنند و بین سلول های همسایه فشرده می شوند تا به اپیتلیوم بیرونی برسند، مانند Destiny’s Child’s Kelly و Michelle که از زیر صحنه بیرون می آیند تا به بیانسه در Superbowl بپیوندند.
برای ورود به اپیتلیوم، MCC ها باید مسیر مانعی را که از پروتئین های پیوندی محکم به هم متصل هستند، دور بزنند که مسئول ساختن اپیتلیوم یک مانع هستند. هدف تحقیق من درک ارتباط بین MCC ها و سلول های مجاور آنها است که به MCC ها اجازه دسترسی به اپیتلیوم را می دهد.
برنامه تحقیقاتی من به دلیل کاربردهای ترجمه ای آن در زمینه پزشکی با دانشکده پزشکی فاینبرگ در دانشگاه نورث وسترن مرتبط است. در حالی که ممکن است پیوند دادن مطالعه روی پوست قورباغه جنینی با پیشگیری از متاستاز سرطان یا توسعه اندام های مصنوعی دشوار به نظر برسد، اما دور از دسترس نیست. سلول های سرطانی نیز به صورت شعاعی بین سلول ها قرار می گیرند تا وارد جریان خون شده و در سراسر بدن پخش شوند. به همین ترتیب، درک چگونگی واکنش پروتئین‌های پیوندی به تنش در اپیتلیوم می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا ورقه‌های مسطح سلول‌های اپیتلیال را به اندام‌های کوچک سه بعدی که در آزمایشگاه برای پیوند اعضا در آینده رشد می‌کنند، شکل دهند.
تحقیقات بنیادی می تواند به عنوان علم برای علم ظاهر شود. با این حال، انبوه دانشی که می توان از این تحقیق به دست آورد، پتانسیل ایجاد پیشرفت های انقلابی را دارد که به طور قابل توجهی زندگی ما را بهبود می بخشد. گاهی اوقات سفری که با جستجوی حیات بیولوژیکی در یک آبفشان داغ آغاز می شود، می تواند به سایت های آزمایش COVID-19 مبتنی بر PCR در سراسر شیکاگو ختم شود.
اداره پست از آب‌فشان‌ها تا آزمایش‌های کووید: کمک‌های حیاتی تحقیقات بنیادی اول ظاهر شد شورای علمی ایلینوی.
