什么是聚合酶链反应(PCR)?

如果没有PCR的发现，生命科学的有效研究和进步是不可能的。PCR做出了很大的贡献生物制药的创新，生物技术作物，还有工业生物技术．基因克隆、法医学、遗传分析等数百种技术的发展都是PCR的成果。

的复制或复制的想法DNA片段(或DNA复制)在实验室试管(通常发生在细胞中)的研究是由卡里·穆利斯于1983年提出的。这项发明最终使这位科学家获得了1993年诺贝尔化学奖(与Cetus公司共享)，并带来了一场革命生物科学的研究领域．

而Taq DNA聚合酶PCR在当时已经被发现，但它对分子生物学的影响没有得到充分的认识。聚合酶链反应使科学家能够在短短几个小时内用自动化设备而不是手工的DNA扩增方法扩增任何DNA序列。

聚合酶链反应(PCR)是不是又快又便宜在体外用于扩增DNA小片段拷贝的技术。这个过程可以快速有效地生成数十亿份拷贝。它有时也被称为“分子影印”。

PCR在医学和分子生物学领域有多种应用。其中一些例子如下:

选择性DNA隔离:PCR用于实验室通过扩增DNA的特定区域来分离特定的DNA片段。它可以用少量的DNA样本合成大量的纯DNA。PCR还有助于产生杂交探针所需的南方或北方印迹和DNA克隆。
医疗和诊断用途:PCR用于诊断疾病相关的基因突变，确定感染因子，以及产前基因检测。它可以识别胎儿的任何染色体异常或基因突变，检测父母是否携带任何疾病的基因，并用作胚胎植入前基因诊断工具，以筛选体外受精(IVF)程序中的胚胎。

PCR检测也被用于检测，诊断分析，以及病毒基因组测序。例如，的变体PCR (RT-PCR)被广泛应用测试COVID-19病人感染了SARS-CoV-2病毒基因组

传统上，这些测试依赖于抗体的存在，这些抗体需要几天才能在血液中出现。逆转录聚合酶链反应(real-time PCR)的发现使得在短短几个小时内就能检测出宿主体内哪怕是最少量的病毒基因组。

在RT-PCR中，逆转录酶以RNA为模板，将RNA逆转录成DNA分子，然后用PCR扩增。除了rt - pcr,一些其他类型的PCR包括:

遗传研究:PCR用于研究基因表达、评估基因转录本的存在或缺失、操纵基因序列、丰富测序样本和基因分型。它也广泛地参与了人类基因组计划(HGP)用于大多数映射过程。
DNA指纹分析:PCR是亲子鉴定和法医调查中寻找DNA样本来源的一项基准技术。
食品安全:PCR技术可用于检测食品和水中的病原体，确保食品安全。

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聚合酶链反应是如何工作的?

热循环器(或thermocycler)用于进行聚合酶链反应和扩增DNA序列在体外．它模仿细胞内DNA复制的过程。将装有聚合酶链反应试剂的反应混合物的试管放入机器中，机器会根据过程的各个阶段改变温度。在进行PCR之前，一个必要的要求是了解目标DNA的序列信息。

PCR反应在数小时内完成，需要5个关键试剂:

DNA模板:含有需要扩增的目标序列的DNA样本。DNA模板的来源可以是基因组DNA (gDNA)、cDNA或质粒DNA。
DNA聚合酶:聚合酶链反应需要DNA聚合酶可以在高温下工作。Taq聚合酶是PCR中最常用的聚合酶。这是从细菌中分离出来的耐高温DNA聚合酶水生栖热菌在温泉里发现的。
引物:引物是短片段的单链DNA(大约15-30个碱基对)，称为寡核苷酸。它启动了新的DNA链的形成。
Deoxynucleotide三磷酸(核苷酸):这四种DNA核苷酸是合成新DNA链的基本组成部分。
PCR缓冲:PCR缓冲液的主要成分是氯化镁(MgCl2)、三氯化氢(tris-HCl)和氯化钾(KCl)。它们需要在整个PCR反应过程中保持最佳条件。

在初始变性步骤之后，DNA被加热到95度几分钟(根据复杂程度可加热到10分钟)，下面的三个步骤被循环重复。

在这个阶段，模板化的DNA被加热到95°C长达一分钟。它通过破坏DNA螺旋之间的氢键产生两条DNA单链。这个过程叫做核酸变性。

在这个阶段，让反应混合物冷却30秒到1分钟。然后，引物结合或退火到每个单链DNA上。退火温度在50 - 65℃之间。根据PCR反应所用引物的长度和序列，准确温度为引物熔化温度以下5℃。

在此阶段，温度提高到约72°C-74°C，为Taq聚合酶的最佳温度，约1-2分钟。聚合酶与引物末端结合，利用dntp启动DNA合成。这导致了新的DNA链的形成。

在一个循环的末尾，四个单链DNA分子将出现在PCR管中。重复这个循环超过20-30次，就会产生数十亿份目标DNA序列的拷贝。

然后可以使用琼脂糖凝胶电泳分析PCR产物，并检查目标序列是否成功扩增。

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PCR的发现彻底改变了生物技术、制药、生物医学和其他生命科学领域的研究。今天，它是一种常用的工具研究实验室应用于病原体检测、法医研究、基因异常和食品安全。

热循环器利用聚合酶链反应(PCR)的原理将DNA样本扩增成数百万甚至数十亿份。它在涉及DNA变性、退火和伸长的每个扩增阶段调节最佳温度。

一个高科技PCR thermocycler价格可能高达2.5万美元。此外，其高昂的维护费用和维修费用使得购买PCR设备对小型生物技术实验室完全不切实际。

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