Linjär utjämning: Efter den exponentiella fasen slackar kurvan av och blir till slut stationär (inget mer DNA amplifieras). Reaktionen bromsas upp när

144

1) Separering (denaturering). Detta är det första steget i PCR-cykeln och innefattar upphettning av reaktionsblandningen. Värmen gör att DNA-strängarna i ursprungs-lösningen (templatet) separerar till enkelsträngade DNA-molekyler.

2) Hybridisering (annealing). Vid nästa steg sänks temperaturen, vilket gör att pri-merparet kan binda (hybridisera) till de enkelsträngade DNA-templaten (dels i 5’-änden och dels i 3’-5’-änden). Temperaturen är viktig för att primrarna ska fästa spe-cifikt till DNA:s olika ändar. Polymeras binder sedan till primer-templaten och bör-jar bilda nytt DNA genom att bygga in nukleotiderna adenin (A), tymin (T), guanin (G) och cytosin (C) från reaktionslösningen.

3) Förlängning (elongering). DNA-polymeraset tillverkar en ny DNA-sträng som är komplementär till templatet i riktning från 5'-änden till 3'-änden. När PCR fort-skrider används även nytillverkade DNA-sekvenser som templat för nästa cykel och en kedjereaktion inleds. Optimalt kommer antalet utvalda DNA-sekvenser att för-dubblas vid varje förlängningssteg (Fig. 66). Detta leder till en exponentiell ampli-fiering av den specifika DNA-sekvensen. Den slutliga mängden kopierat DNA be-gränsas av mängden tillgängliga substrat i reaktionslösningen.

Det går att rita upp en kurva för PCR-reaktionen där mängd DNA kan relateras till tid (Fig. 66). På så sätt kan reaktionen lättare visualiseras. Även här delas PCR upp i tre separata faser:

1) Exponentiell amplifiering: Under PCR så växer mängden DNA först exponen-tiellt, vilket man kan räkna på vid kvantitativ PCR (qPCR). Vid varje cykel fördubb-las mängden produkt (förutsatt att reaktionseffektiviteten är 100 %).

2) Linjär utjämning: Efter den exponentiella fasen slackar kurvan av och blir till

Figur 66. PCR kan delas in i tre olika faser: exponentiell, linjär och platå. Den exponentiella fasen går att kvantifiera, vilket görs för att beräkna tröskelvärdet Ct vid qPCR (illustration Teresa Soler, SLU).

Optimerade protokoll

Efter PCR eftersträvas en så ren DNA-produkt som möjligt. Om PCR-protokollet inte kontinuerligt testas och förbättras är risken istället att processen blir ineffektiv, med fler artefakter som följd. Dessa artefakter kan uppkomma i form av primer di-mers (då pridi-mers felaktigt fäster på varandra), felaktiga amplikon eller ineffektiv amplifiering (SantaLucia 2007). Varje ny PCR kommer sannolikt att kräva en viss optimering vid eDNA-analys. En justering av PCR innebär alltid en kompromiss mellan specificitet och effektivitet (Taberlet et al. 2018). Ett exempel på optimerade protokoll är touchdown-protokollet. PCR initieras med temperaturer lite över smält-punkten, sedan minskas successivt temperaturen i hybridiseringssteget under PCR-cykeln. De högre temperaturerna minskar bildandet av icke-specifika PCR-produk-ter samtidigt som amplifieringen av specifika sekvenser ökar (Roux 2009). Flera eDNA-studier visar att touchdown i kombination med störningshämmande lös-ningar (t.ex. BSA) och olika enzymsystem ytterligare ökar mängden amplifierat DNA (Adrian-Kalchhauser & Burkhardt-Holm 2016; Gyllenstrand 2016). Det finns även andra optimerade PCR-protokoll som används för vattenprover, t.ex. hot-start PCR och nested PCR.

Konventionell PCR börjar överges

Vid tidiga studier av eDNA i vattenprover (2008-2012) användes konventionell PCR (endpoint PCR) för att upptäcka närvaro/frånvaro av DNA från enstaka målar-ter (Ficetola et al. 2008; Jerde et al. 2011). Metoden har dock en hel del brismålar-ter (Taberlet et al. 2018). Andra varianter av PCR, som qPCR och ddPCR, både ökar precisionen och förbättrar kvantifieringen av eDNA från vattenprover (Nathan et al.

2014). Nathan och hans kollegor jämförde endpoint PCR med qPCR och ddPCR.

146

De kom bl.a. fram till att alla tre plattformar upptäckte närvaro av DNA, även vid mycket låg koncentration av målarts-DNA. De kvantitativa metoderna (qPCR och ddPCR) uppvisade liknande DNA-koncentrationer. Däremot var ddPCR betydligt snabbare och hälften så dyr i jämförelse med qPCR.

Användning av RNA

RNA används mycket sällan vid eDNA-analyser. Den största anledningen till detta är att det är betydligt mer instabilt än DNA. Trots det finns det vissa omständigheter då RNA kan användas (Pochon et al. 2017). En metod som kallas rtDNA-reverse transkriptas PCR används då. Mycket kortfattat utgår metoden från RNA-templat som görs om till komplementärt DNA (cDNA). cDNA kopieras sedan upp under PCR och kvantifieras på liknande sätt som vid vanlig PCR.

Att helt hoppa över PCR

Möjligheten att helt lämna PCR-steget har diskuterats flitigt inom eDNA-metodi-ken, pga. alla fel som kan uppkomma (Pavan-Kumar et al. 2015). ”Environmental Shotgun”-sekvensering (EES) har t.ex. föreslagits som en metod som skulle kunna ersätta PCR-steget vid eDNA-analyser i framtiden (Taberlet et al. 2018). EES är en komplex sekvenseringsmetod som slumpmässigt hackar upp DNA-sekvenser i mindre bitar och sedan läser dem. Efter sekvensering pusslas sekvenserna ihop med hjälp av datorprogram. EES används ofta för att läsa organismers hela genom (meta-genomics). Än så länge är metoden dock mycket kostsam och har dessutom svårt att upptäcka sällsynta arter. Shotgun-sekvensering är inte helt optimal för analys av eDNA från vattenprover eftersom metoden behöver större mängder DNA för att ge rättvisande resultat (Valentini et al. 2016).

20.2 qPCR: kvantifierar och ökar specificiteten

Kvantitativ PCR (qPCR) är både mer specifik och känsligare än endpoint PCR. Vid endpoint PCR mäts den amplifierade DNA-produkten (amplikon) först då PCR är helt klar och produkten har fått vandra i en gel, efter ca 2 timmar. Vid qPCR mäts istället mängden amplikon under tiden som PCR-reaktionen går vidare (Fig. 66).

Någon agarosgel behövs därför inte. Efter varje cykel kvantifieras mängden DNA genom att ett flourescerande ämne, som avger ljus, binds in vid varje reaktion. Ef-tersom mängden av det flourescerande ämnet ökar exponentiellt i takt med att DNA tillverkas så kan man kvantifiera DNA genom att mäta färgintensiteten. Detta kan göras med SybrGreen eller TaqMan-prober. Dessa två metoder skiljer sig ganska mycket från varandra men båda ökar specificiteten då eDNA analyseras, vilket är

att föredra framför endpoint PCR (Takahara et al. 2012; Thomsen et al. 2012b; Pill-lipod et al. 2013a; Wilcox et al. 2013; Tréguier et al. 2014; Wilcox et al. 2015;

Agersnap et al. 2017; Mauvisseau et al. 2017).

• SybrGreen fäster ospecificerat på allt dubbelsträngat DNA. Det innebär att även icke-målarts-DNA och felaktigheter (t.ex. primer dimers) färgas in och kvanti-fieras. SybrGreen kan endast användas för ett primerpar i taget (enarts-analyser), och inte vid multiplexing.

• TaqMan är både ett flourescerande och probbaserat system. Genom hydrolys (OH-binding) fästs en specifik prob till målartssekvensen, vilket sker samtidigt med primerparen. Proben är en kort oligonukleotidkedja som kan avge ljus och därmed kvantifieras. Endast de prober som binder till målarts-DNA:t avger ljus, vilket ger stora fördelar: hög specificitet, hög signal/brus-kvot och möjlighet att genomföra PCR för flera arter samtidigt (multiplexing).

Tillsammans kan DNA-extraktion och qPCR utföras inom några timmar. Det innebär att man snabbt kan detektera närvaron av eventuella målarter. Idag är det till och med möjligt att direkt i fält använda en handhållen qPCR (och få analyssvar inom en timme; se https://biomeme.com). Med multiplexing kan analyser dessutom utföras på flera arter samtidigt (se nedan).

20.3 ddPCR: förbättrad precision

ddPCR är en relativt nyutvecklad PCR-metod som skapar tusentals små droppar (ca 20 000 droppar per prov). Genom att sedan köra PCR på varje droppe jämnas even-tuella felaktigheter ut. ddPCR ger en betydligt mer precis kvantifiering av PCR-produkten än vid analog beräkning, som sker vid vanlig endpoint PCR. ddPCR (droplet digital PCR) är en både snabbare och billigare metod än qPCR, vilket inne-bär att analyser av flera kända arter kan avslutas på några få timmar (Nathan et al.

2014). Dessutom är ddPCR en känsligare metode med högre precision, trots att båda metoder använder samma typ av prob och primers (Robin et al. 2016). Tack vare att metoden är digital så har den flera fördelar jämtemot qPCR (Nakagaki et al. 2018):

• Absolut kvantifiering sker utan behov av standardanalys (standardkurvor)

• Inhibitorer påverkar inte analysen lika mycket

• Förbättrad reproducerbarhet av analyserna

Det går också att ytterligare öka sannolikheten att hitta DNA, samt att förbättra skattningen av mängden DNA, genom att öka antalet tekniska replikat. Detta görs med hjälp av flera parallella ”brunnar”, där varje brunn utgörs av 20 000 droppar.

148

20.4 PCR multiplexing analyserar fler arter

För några år sedan tog det lång tid då flera arter analyserades med qPCR eller ddPCR, eftersom det innebar flera PCR-körningar i följd. Idag kan flera olika pri-mers användas samtidigt, s.k. multiplexing. Metoden går ut på att flera primerpar och prober blandas samman i reaktionslösningen med ett templat. Det finns stora fördelar med att kunna analysera upp till 12 arter samtidigt:

• Du sparar tid, reagenser och prov

• Precisionen med en extra prob gör att primers fäster mer noggrant vid rätt se-kvens

• Du kan vid samma tillfälle göra jämförelser mellan flera olika amplikon

Men multiplexing tar också extra tid att utföra eftersom det ställer högre krav på utveckling av flera artspecifika primerpar. Samtliga primerpar i reaktionslösningen måste t.ex. ha liknande annealingtemperatur, och primers med komplementerande 3’ nukleotider måste undvikas (Apte & Daniel 2009). För att optimera processen testas först separata primerpar ut och sedan blandas kombinationer av flera primer-par successivt. Om multiplexing valideras kontinuerligt så ökar tidsvinsten vilket möjliggör stora fördelar då en snabb artidentifiering kan ske (Goldberg et al. 2016).

En variant av multiplexing är Combinatorial PCR, där flera templat används samti-digt (Apte & Daniel 2009).

Sekvensering kan ske på många olika sätt, och beroende på vilken plattform som används bereds dina prover olika (Goodwin et al. 2016). I detta kapitel beskrivs i generella drag hur proverna förbereds för Illumina MiSeq-sekvensering, den platt-form som är vanligast för eDNA-analyser av vattenprover (Deiner et al. 2017). Det är framförallt fyra steg som PCR:ade prover måste genomgå:

• Märkning

• Kvantifiering

• Spädning

• Sammanblandning

Dessa steg kallas gemensamt för att ”skapa bibliotek” inför sekvenseringen. Likt en bibliotekarie så måste sekvenseringsmaskinen sortera provernas olika sekvenser, för att sedan kunna läsa dem. Ett bibliotek innehåller alla sekvenser från ett prov och alla sekvenser i ett prov märks upp på samma sätt.

Märkning av prover (taggning)

Själva märkningen av eDNA-proverna görs med en specifik uppsättning av mycket korta nukleotider (adaptorer). Adaptorerna kopplas ofta på DNA-sekvenserna som

”svansar” och påverkar inte analyserna. Genom att märka upp samtliga prover vid en extra tillagd PCR får alla sekvenser från ett visst prov samma typ av märkning.

På detta sätt kan sekvenseringsmaskinen hålla reda på alla dina olika prover, trots att de blandas samman i sista steget innan sekvensering.

Kvantifiering av DNA-innehåll (koncentrationsmätning)

Efter utförd PCR-amplifiering innehåller proverna olika mängd DNA. Detta måste jämnas ut innan sekvensering. I annat fall uppkommer alltför stora skillnader i antal läsningar mellan de olika proverna, vilket gör dem svåra att jämföra. DNA-koncent-rationen mäts med en bioanalysator (Fig. 67). Denna maskin mäter mängden DNA