باکتری “ترموس اکواتیکوس” (Thermus aquaticus) ( با مخفف ت. اکواتیکوس ) در دریاچه های آب گرم پارک ملی “یلواستون” ( Yellow Stone National Park ) یافت می شود و درخشندگی رنگ زرد آب از این ماده می باشد. این باکتری نزدیک به 50 سال پیش کشف شد و اکنون بخشی کلیدی درغالب تست های COVID-19 را تشکیل می دهد.
آزمون تشخیص بسیاری از ویروس ها و از جمله ویروس کرونا، بر اساس روشی به نام واکنش زنجیره ئی پلیمراز ( Polymerase Chain Reaction ) (با مخفف PCR) بنا شده است. در روش PCR، نمونه مورد آزمون مانند سواب بینی شخصی که عوارض بیماری کوید-19 را نشان می دهد، به کرات در یک سیکل حرارتی، گرم و سرد می شود. به این ترتیب، تعداد مولکول های DNA که حاوی اطلاعات ژنتیکی میکروب است، با هرسیکل گرم و سرد شدن، دو برابر می شود و در نتیجه می توان انواع DNA های موجود در نمونه مورد آزمون را آسان تر تشخیص داد.
اما مواد ژنتیکی نسبت به گرما حساس هستند و چنانچه بیش از اندازه گرم شوند، دو نوار ساختاری مولکول DNA حل شده و بی مصرف می شود. اینجاست که باکتری ت. اکواتیکوس به کمک می آید. این باکتری در دریاچه هائی زیست می کند که حرارت آب آن به 190 درجه فارنهایت (83 درجه سانتیگراد) می رسد. آنزیمی که به کمک آن، این باکتری در دریاچه های آب گرم زنده می ماند، در آزمون واکنش زنجیره ئی پلیمراز (PCR) استفاده می شود تا از نابودی مواد ژنتیکی در اثر حرارت، جلوگیری کند.
کشف باکتری ترموس اکواتیکوس
استفاده از ویژگی باکتری ت. اکواتیکوس تا مدتی نزدیک به 20 سال پس از کشف آن تشخیص داده نشد. در اوائل دهه 1960 یک میکروب شناس به نام توماس بروک (Thomas Brock) در مورد باکتری های چشمه های آب گرم پارک یلواستون که توسط حرارت مرکز زمین گرم می شوند، کنجکاو شد. تا آن زمان تحقیقات مختصری در مورد این باکتری ها انجام شده بود و آقای بروک تصمیم به این کار گرفت.
وی در سال 1969 بهمراه یکی از دانشجویانش در سطح کارشناسی به نام هودسن فریز (Hudson Freeze) موفق به کشف باکتری ت. اکواتیکوس شد که پس از مدتی موجب تغییری شگرف در پیشرفت علم بیولوژی مولکولی شد.
آقای بروک می گوید “داستان جالبی ست که چگونه انجام یک پژوهش پایه ئی برای فهمیدن این که چه نوع جانوران عجیب و غریبی در آب های جوشان یلواستون زندگی می کنند، منتهی به کاربردهای عملی بسیار گسترده ئی شد”.
توسعه آزمون واکنش زنجیره ای پلیمر از (PCR)
حدود بیست سال بعد در دهه 1980 تکنولوژی آزمون PCR در شرف تکوین بود. هرچند روش های اولیه آن نتیجه بخش بود، اما در عین حال با مشکلاتی مواجه، و بسیار زمان بر نیز بود. هر سیکل گرمایش، به آنزیم پلیمراز مولکول DNA که در واقع حکم “ماشین کپی” برداری از مولکول های DNA را دارد و موجب دو برابر شدن تعداد مولکول های DNA در نمونه مورد آزمون می شود، صدمه وارد می کرد.
خوشبختانه آقای بروک کشف خود را در بانک اطلاعاتی ثبت کرده بود و در دسترس همه پژوهشگران قرار داشت. باکتری ترموس اکواتیکوس نه تنها می توانست درجه حرارت های بالا را تحمل کند بلکه آنزیم پلیمراز DNA مربوط به آن، بسیار دقیق و صحیح عمل می کرد که موجب ساده نمودن تست و سرعت بخشیدن به تست PCR شد.
تغییر و تبدیل های اضافی
آزمون واکنش زنجیره ای پلیمر از (PCR) را فقط می توان بر روی مولکول های DNA انجام داد. اما مواد ژنتیکی ویروس کرونا از نوع RNA است که اساسا مولکولی شبیه DNA و فقط دارای یک نوار ساختاری است. بنابراین، جهت تست PCR به روی نمونه های ویروس کرونا، در ابتدا باید مولکول RNA ویروس را تبدیل به DNA کرد و یک برچسب نورانی فلورسانس نیز به آن متصل نمود تا از سایر مواد ژنتیکی در نمونه مورد آزمون تشخیص داده شود. هر چه تعداد کپی برداری ها در آزمون PCR ویروس کرونا بیشتر انجام می شود، میزان نور صاتع شده از برچسب های فلورسانس نیز بیشتر می شود.
آقای بروک می گوید “آزمون PCR مدت مدیدی ست وجود داشته، اما پیوسته کاربردهای جدیدی پیدا کرده است، و تست ویروس کرونا یکی دیگر از آن موارد است. آن ها روش هائی را که سالیان زیاد استفاده شده بود با روش های جدید ادغام کردند و تستی بسیار حساس و دقیق را جهت تشخیص ویروس ها بوجود آوردند، که مسلما اکنون حائز اهمیت فراوانی ست”.
به قلم : آیوی انگل ( Ivy Engel )
نشریه Natural Resources & Energy، 20 آوریل 2020
برگردان : یوسف جلالی، دکترای مهندسی محیط زیست از دانشگاه میسوری (1984)، کلمبیا، میسوری.