聚合酶链反应(PCR)使用酶大规模复制脱氧核糖核酸(DNA)链的一部分,以便于分析,例如寻找感兴趣的基因。与核链式反应一样,聚合酶链式反应是一个指数过程,只要维持反应的原材料可用,它就会继续进行。与自然界中的DNA复制不同,PCR只能复制相当小的DNA片段,上限约为2-3千碱基对(kb)。它使用无生命的酶来实现其复制效果,使其与其他使用活性生物体的复制方法不同。。
现代聚合酶链反应需要六个基本组成部分才能工作:要复制的DNA片段、界定片段的引物、进行复制的Taq聚合酶、用作原料的DNA核苷酸、化学缓冲环境和一台称为热循环器的机器。热循环器通常容纳多个带有多个PCR的试管,每个试管容纳15至100微升,数值略低于一立方毫米水。使用了大约100纳克的DNA碱基。
Taq聚合酶是聚合酶链反应的关键成分,从深海热喷口细菌Thermus aquaticus中提取。它可以很好地进行复制,但并不完美,大约每800万个碱基对就会产生一次错误。在Taq聚合酶出现之前,还使用过其他聚合酶,但其中许多酶在反应开始所需的温度下分解。加热循环很复杂,但包括几乎一直到沸点的温度,因此聚合酶的耐久性至关重要。。
PCR的基本步骤如下。所有成分在一个小瓶中混合,通常体积为200微克。这种混合物被加热到接近沸点,以破坏成对的DNA链中的氢键,产生易于复制的单链。这叫做变性。复制的链越长,变性过程持续的时间就越长。
聚合酶链反应的下一步叫做退火。这些引物是定制的短DNA链,专门设计用于连接待复制片段起始和末端的位点。如果引物设计不正确或这一阶段的温度错误,引物将随机结合到DNA上,导致错误的片段复制。大多数底漆的熔点约为沸点的三分之二,退火需要1-2分钟,温度低于沸点几度。。
PCR的最后一步称为延伸和最终延伸。这就是魔法发生的地方。聚合酶快速复制DNA片段,在短短几分钟内创造出数百万份拷贝。通常,一个循环包括所有之前的步骤,重复大约二十或三十次。
结果是一堆复制的DNA。聚合酶链反应有多种用途,包括亲子鉴定、确定是否存在遗传缺陷或病毒DNA、克隆基因、引入特定突变、分析灭绝物种或死者的DNA、“犯罪现场的基因指纹”等等。
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