PCR装置｜本当に分かりますか？

ノーベル賞を受賞したPCR技術

1993年にアメリカの科学者ムリスがノーベル化学賞を受賞しましたが、彼の功績はPCR技術の発明でした。PCR 技術の魅力は次のような特徴にあります。第一に、増幅される DNA の量が非常に少なく、理論的には 1 分子で増幅できます。第二に、増幅効率が高く、標的遺伝子の量が指数関数的に増加します。数時間で1000万倍以上の増幅。現在、PCR 装置はライフサイエンス研究やその他のさまざまな分野で広く使用されています。

サーマルサイクラーのモデルやメーカーが異なると、パフォーマンスや再現性も異なる場合があります。これらの違いは、PCR 効率だけでなく、得られるデータの精度と一貫性にも影響します。PCR 装置の機能を理解することは、実験の成功を最大限に高めるのに役立ちます。

加熱モジュール

サーマルサイクラーの温度の精度は、PCR の成功または失敗を決定する可能性があります。信頼性と再現性のある PCR 結果を得るには、加熱ブロック上のウェル間の温度の一貫性も重要です。

熱精度を確保する 1 つの方法は、温度検証キットを使用して頻繁にテストし、訓練を受けた専門家が必要に応じて再校正することです。温度検証テストは通常​​、次の目的で使用されます。

等温モードでの設定温度に対するウェル間の精度

温度変換後の設定温度に対するウェル間の精度

ヒートリッドの温度精度

プライマーアニーリング温度制御

グラジエント温度制御は、PCR におけるプライマー アニーリングの最適化を促進する PCR 機器の機能です。グラジエント設定の目的は、モジュール間で異なる温度を実現することであり、各カラム間で温度を 2°C 以上上下させることで、異なる温度を同時にテストして、最適なプライマー アニーリング温度を得ることができます。理論的には、真の勾配によりモジュール間の温度は直線になります。

ただし、従来のグラジエント サーマル サイクラーは通常、単一のサーマル ブロックを使用し、両端に配置された 2 つの加熱要素と冷却要素を通じて温度を制御するため、次のような制限が発生することがよくあります。

設定できる温度は 2 つだけです。プライマー アニーリングの高温と低温はサーマル モジュールの両端で設定され、モジュール間で他の温度を正確に設定することはできません。

異なるカラム間の熱交換により、モジュール上の異なる領域間の温度は、真の直線勾配ではなく、シグモイド曲線に従う可能性が高くなります。

サンプル温度

サーマルサイクラーがサンプル温度を制御できることは、PCR 結果の精度にとって非常に重要です。ランプレート、ホールドタイム、アルゴリズムなどの機器固有のパラメータは、サンプル温度を予測するために重要です。

PCR 装置の加熱および冷却の速度は、一定期間にわたって行われる PCR ステップ間の温度の変化を意味します。熱がモジュールからサンプルに伝わるにはある程度の時間がかかるため、サンプルの実際の加熱および冷却速度は遅くなります。したがって、温度変化速度の定義を区別して理解する必要があります。

最大またはピークモジュールランプレートは、モジュールがランプ中の非常に短い時間内に達成できる最速の温度変化を表します。

平均ブロック ランプ レートは、長期間にわたる温度変化のレートを表し、PCR マシンの速度のより代表的な尺度を提供します。

最大サンプル加熱および冷却速度と平均サンプル加熱および冷却速度は、サンプルによって得られた実際の温度を反映しています。サンプルの加熱と冷却の速度により、PCR 装置の性能と PCR 結果に対する潜在的な影響をより正確に比較できます。

サイクラー交換を実行する場合、交換を容易にし、PCR 再現性への影響を最小限に抑えるために、以前のモードをシミュレートするランプレート プログラムを備えた装置を使用することをお勧めします。

サーマルサイクラーは、サンプルが設定温度に達した後にのみ時間ステップを実行するように設計する必要があります。このようにして、サンプルが設定温度に維持される時間は、操作手順で必要な対応するサイクル条件でより正確に維持されます。

サーマルサイクラーは、多くの場合、サンプルが事前に設定されたプログラムに従って設定温度に迅速に到達できるようにするために、複雑な数学的アルゴリズムを使用します。反応システムの容積と使用される PCR プラスチックの厚さに基づいて、アルゴリズムはサンプルの温度と設定温度に到達するまでの時間を予測できます。これらのアルゴリズムに依存すると、サーマル サイクラーの加熱または冷却プロセス中に、ブロック温度は通常、サーマル ブロックのオーバーシュートまたはアンダーシュートと呼ばれるプロセスを通じて設定値を超えます。このようなセットアップにより、サンプル自体がオーバーシュートまたはアンダーシュートすることなく、サンプルができるだけ早く設定温度に到達することが保証されます。

実験スループット

サーマル サイクラーのスループットを向上させる要因には、ランプレート、サーマル ブロック構成、自動化プラットフォームの統合などがあります。

サーマルサイクラーの加熱および冷却速度は、設定温度に到達する速度を表します。温度の上昇と下降が速いほど、PCR の実行も速くなり、一定時間内により多くの実験を完了できることになります。さらに、より高速な DNA ポリメラーゼを使用することで実験を加速できます。

サーマルサイクラーモジュールの設計も PCR 実験にとって重要です。たとえば、交換可能なモジュールにより、実行ごとのサンプル数を柔軟に変更できます。さらに、個別に制御可能なモジュールを備えた加熱モジュールは、1 台のサーマル サイクラーで異なる PCR プログラムを同時に実行するのに最適です。

自動ハイスループット PCR の場合、ピペット操作システムを制御するソフトウェアはプログラム可能で互換性がある必要があります。自動化システムは、人間の介入をほとんど行わずに連続的に実行できるため、ハイスループット PCR 反応の実行に最適です。これにより、手動による実験セットアップに必要な時間を最小限に抑え、一定期間内の反応数を増やすことができます。

サーマルサイクラーの信頼性、耐久性、品質保証

PCR 装置は、パフォーマンスとスループットの能力に加えて、特定の繰り返し使用、環境ストレス、および輸送条件にも耐えることができる必要があります。一部のメーカーは、機器の信頼性と耐久性テストをどのように実行するかを報告する場合があります。対応する PCR 機器検出には以下が含まれます。

信頼性: 機械式リグを使用して、サーマルリッド、コントロールパネル/タッチスクリーン、温度サイクルモジュールなど、頻繁に使用される機器コンポーネントの繰り返しテストを実行します。

周囲圧力: 環境チャンバーを使用して、温度、湿度などの日常的な実験のさまざまな条件をシミュレートできます。

出荷テスト: 機器が損傷のない動作状態で到着することを確認するために、国際安全輸送協会の基準に従って激しい衝撃および振動テストを実行できます。

PCR装置の保証とメンテナンスのサービス

厳格な信頼性と耐久性のテストにもかかわらず、サーマルサイクラーには機器の寿命にわたって技術的な問題が避けられません。安心して機器を購入する場合は、メーカーの保証、サービス、メンテナンスを考慮する必要があります。

オンサイト/工場復帰保守、遠隔監視サービス、保守工程での機器交換などの柔軟なサービスにより、作業効率への影響を軽減します。

保証期間の長さ、サービスの所要時間、テクニカル サポートの利用しやすさ、専門のサポート担当者のスキル。

実験室および関連する規制要件を満たすための機器の設置、操作、協力、および検証の実現可能性。機器が対応するパラメータで適切に動作することを確認するために、温度検証、テスト、校正などのメンテナンス サービスを利用できます。

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