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  • 發布時間:2021-06-09 13:38 原文鏈接: PCR的起源

      聚合酶鏈式反應(英文:Polymerase chain reaction,縮寫:PCR,又稱多聚酶鏈式反應),是一項利用 DNA 雙鏈復制的原理,在生物體外復制特定 DNA 片段的核酸合成技術。這項技術可在短時間內大量擴增目的基因,而不必依賴大腸桿菌或酵母菌等生物體。

      諾貝爾化學獎得主凱利·穆利斯(Kary Mullis)于1983年開發出了聚合酶鏈式反應技術(PCR),它是一種簡單,廉價和可靠的復制 DNA 片段的方法,適用于現代生物學和相關科學的許多領域。PCR 可能是分子生物學中使用最廣泛的技術。這種技術也被用于生物醫學研究,犯罪取證和分子考古學。

      穆利斯的想法是,通過一種人工、和反復相同程序的方式,并利用一種特殊的酶——即 DNA 聚合酶來擴增特定的 DNA 片段。DNA 聚合酶天然存在于生物體內,在細胞分裂前進行 DNA 的復制。當 DNA 開始復制時,解旋酶將雙鏈的 DNA 分開成兩個單鏈。DNA 聚合酶便結合在兩條 DNA 單鏈上,生成互補鏈。

      在穆利斯最初的聚合酶鏈式反應中,DNA 聚合酶被用于體外試驗。但是,他沒有采用正常細胞常溫解旋的方法,而是把雙鏈 DNA 加熱到 96°C,使得雙鏈分離成為兩條單鏈。但是在這個溫度下,DNA 聚合酶會遭到破壞,因此在每個循環的加熱步驟后必須補充新的聚合酶。穆利斯的原始聚合酶鏈式反應效率極低,不僅需要大量時間和 DNA 聚合酶,并且整個聚合酶鏈式反應都需要人照看。

      后來,嗜熱細菌水生棲熱菌(Thermus aquaticus)體內產生的 DNA 聚合酶改善了這種低效的聚合酶鏈式反應。由于生活在溫度在50至80°C(122至176 °F)的間歇泉中,嗜熱細菌的 DNA 聚合酶具有耐熱性。在被用于聚合酶鏈式反應時,這種 DNA 聚合酶不會被高溫破壞,因此不需要不斷加入新的聚合酶,聚合酶鏈式反應由此變得簡單并且可以由機器操作。

      最初的具有耐熱性的 DNA 聚合酶來自于水生棲熱菌(Thermus aquaticus),它是1976年臺灣科學家錢嘉韻(Alice Chien)從黃石國家公園發現的,因此被稱為 Taq。Taq 酶被廣泛用于當前的聚合酶鏈式反應操作中,Taq 酶的缺點是它缺少3'→5'校正外切酶活性,因此在復制 DNA 時有時會出錯,造成 DNA 序列突變(錯誤)。而從古菌中獲得的 Pwo 酶及 Pfu 酶均被發現有校正機制,能夠大大降低聚合酶鏈式反應中的突變。將 Taq 與 Pfu 結合使用就可以保證真實準確地擴增 DNA。

      微生物復制是一個費時耗力的流程,首先要將 DNA 經限制酶剪裁,再利用連接酶(Ligase)加到運載體(Vector)中,之后利用瞬間電擊(Electroporation)或是熱休克(Heat Shock)的方式,送到大腸桿菌感受態細胞(competent cell)中,將此菌于培養皿中大量繁殖培養,再經過繁復的分離、純化過程,通常需要近一周才能大量復制片段。而僅需一小時的 PCR 能省去大量時間和繁復的操作,因此聚合酶鏈式反應技術被廣泛地運用在醫學和生物學的實驗室,例如被用于判斷檢體中是否會表現某遺傳疾病的圖譜、傳染病的診斷、基因復制,以及親子鑒定。

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