A Method for Rapid Design of High-quality Primers for PCR Experiments

Abstract

Polymerase chain reaction (PCR) is a molecular biological technique that attempts to detect a desired sequence by amplifying a desired part of DNA. In order to reduce false negatives and false positives in this technique, which is widely used in forensics, GMO identification and virus detection, it is one of the most im-portant factors to design a primer specific to the target DNA sequence. In this paper, we propose MRPrimerW2 and VPrimer, which are tools based on the MRPrimer technique that solve the problems of existing primer design tools.

MRPrimerW2 is an enhanced version of MRPrimerW. This tool solved the drawbacks of existing tool, expanded scalability, and added four functions (exon spanning, SNP avoiding, allowing FASTA sequence input, and designing multi-targeting primer). Using this web-based primer design tool, users can get primers and probes specific for a desired gene or sequence within a short time.

VPrimer is a primer-probe set design pipeline for virus detection. Through this pipeline, it is possible to get two primer-probe sets that are updated daily to detect the most mutations of target virus organism. In addition, I implemented VPrimerDB, a web-based tool using VPrimer. As a result of comparing the primer-probe sets for SARS-CoV-2 detection obtained through VPrimer with the sets designed by other institutions, it was confirmed that the most mutations could be detected by using the VPrimer shows. In addition, as a result of experiments 2 years and 4 months after the program was developed, it showed that the most mutations could be detected by using the VPrimer.

By using the primer design techniques proposed in this thesis, biology-related researchers will be able to obtain accurate PCR test results. Therefore, it is thought that it will have a positive effect on all fields where PCR is used.

중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)은 DNA의 원하는 부분을 증폭시킴을 통해 원하는 서열을 감지하고자 하는 분자생물학적 기술이다. 범죄수사학과 GMO 확인, 바이러스 검출 등 생물학과 관련된 분야에서 폭넓게 사용되는 이 기법에서 위음성과 위양성을 감소시키기 위해서는 목표로 하는 DNA 서열에 특이적인 프라이머를 설계하는 것이 가장 중요한 요소 중 하나이다. 본 논문에서는 기존의 프라이머 설계 도구들이 가진 문제점들을 해결한 MRPrimer 기법을 기반으로 하고 있는 도구인 MRPrimerW2와 VPrimer에 대해 제안한다. MRPrimerW2는 기존 연구인 MRPrimerW의 발전된 형태로, 기존 도구가 갖고 있던 문제점을 해결하였으며 확장성을 넓히고, 네 가지의 기능(엑손 스패닝, SNP 회피, FASTA 서열 입력, 멀티 타게팅 프라이머 설계)을 추가하였다. 본 웹-기반 프라이머 설계 도구를 활용하면 사용자가 짧은 시간 내에 원하는 유전자 혹은 서열에 대해 특이적인 프라이머 및 프로브를 획득 가능하다. VPrimer는 바이러스 발견을 위한 프라이머-프로브 쌍 설계 파이프라인이다. 본 파이프라인을 통해 가장 많은 변이를 검출 가능하도록 매일 새로 업데이트되는 두 개의 프라이머-프로브 쌍을 획득 가능하다. 또한, VPrimer를 사용해 웹-기반 도구인 VPrimerDB를 구현하여 배포하였다. VPrimer를 통해 획득한 SARS-CoV-2 검출용 프라이머-프로브 쌍을 다른 기관에서 설계한 쌍들과 비교한 결과 가장 많은 변이를 검출 가능함이 확인 가능했다. 추가로, 프로그램이 개발되고 2년 4개월 뒤 재확인한 결과 프라이머-프로브 쌍이 계속해서 업데이트되어야함을 확인했으며 VPrimer를 사용했을 때 항상 가장 많은 변이를 검출 가능함을 보였다. 본 학위논문에서 제안한 프라이머 설계 기법들을 사용함으로써 생물학 관련 연구자들이 정확한 PCR 실험 결과를 얻을 수 있을 것이며, 따라서 PCR이 활용되는 모든 분야에 긍정적인 영향을 줄 것으로 사료된다.