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第2楼2022/09/05
聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)是在体外酶促扩增特定DNA片段的技术,由美国Kary Mullis及其同事于1985年发明。热稳定性Taq DNA聚合酶的应用和自动化装置的发明与完善,使PCR技术进入实用阶段。该技术的发明和广泛应用,大大推动了分子生物学各相关学科的发展,发明者也因此获得了1993年的诺贝尔化学奖。
随着PCR技术的成熟,派生了不少相关技术。这类技术具有敏感、特异、快速和简单等优势,在微生物检验中的应用越来越广,不少国家将其纳入检验的标准方法;我国检验检疫领域对其应用也日益扩大,国家要求市级以上疾病预防控制中心具有PCR检测技术能力,用于突发公共卫生事件的快速检测和食品安全的有效监管等。
PCR技术的基本原理和DNA在体内天然复制过程相似,是在体外重复进行DNA模板解链、引物与模板DNA结合、DNA聚合酶催化形成新DNA链的过程,只是整个过程在体外进行,而且反应体系比体内更简单。
1.体系组成和基本过程
(1)体系组成
经典PCR以DNA为模板,体系组成包括原始模板、引物、原料、DNA聚合酶以及合适的盐、缓冲液以及温度循环参数等。原始模板是指长的双链DNA待扩增目的片段,微生物检验中往往是待测标本中的DNA。引物是两段单链寡核苷酸,其序列与待扩增片段的两端分别相同和互补。原料则是4种脱氧核苷三磷酸。
(2)基本过程
PCR基本过程分为变性、退火和延伸三个阶段,经过多次循环实现目的片段的扩增。
变性是指将反应体系混合物加热至93℃~95℃,维持较短的时间,一般30s,使待测的双链DNA在高温作用下变性,解链为2条单链DNA模板的过程。退火是指将反应体系混合物冷却至特定温度(也称退火温度)。延伸是指将反应体系的温度提高到72℃,在耐热DNA聚合酶作用下,以4种脱氧核苷三磷酸为原料,按碱基配对原则,合成与两条模板DNA互补的2条新的DNA链。
2.PCR技术的特点
PCR技术显著的特点,决定了其无论在生物学相关领域的研究,还是在微生物检验方面,都具有很重要的地位。
(1)高灵敏度:产物量以指数方式增加,能将皮克(pg=10-12)量级的起始待测模板扩增到微克(μg=10-6)水平,能从100万个细胞中检出一个靶细胞等等。
(2)高特异性:以碱基配对原则使引物与模板DNA特异正确的结合、DNA聚合酶合成反应具有高度的忠实性、靶基因DNA具有高度特异性和保守性。
(3)方法简便和快速:一次性加好反应液,于DNA扩增仪进行变性-退火-延伸,2~4h完成扩增反应;而且扩增产物易分析、无放射性污染、易推广。特别是实时荧光定量PCR的发明和推广,可以通过电脑实时监控反应进程,不需要再对产物进行检测,大大缩短了实验时间。
(4)对样本的纯度要求低及适用范围广:PCR技术对样本的纯度要求低,DNA粗制品可作为扩增模板;不一定需要分离病毒、细菌或培养细胞;可直接用临床血液、体腔液、洗漱液、毛发、细胞、活组织等样本的粗制DNA扩增检测。适用范围非常广泛,不仅适合于微生物的快速检测,还可用于临床和法医等各方面。
掌握PCR基本原理和特点,以及PCR技术在微生物检验中的应用,对疾病预防控制、突发公共卫生时间的处理等具有重要意义。