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DNA復(fù)制的藝術(shù)：PCR技術(shù)的演變史
發(fā)布時間： 2024-03-01 點擊次數(shù)： 1851次按照PCR技術(shù)的演進(jìn)，我們可以將PCR技術(shù)大致劃分為三代：傳統(tǒng)PCR技術(shù)，實時熒光定量PCR技術(shù)和數(shù)字PCR技術(shù)。
第一代：傳統(tǒng)PCR技術(shù)
聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的基本原理是利用DNA聚合酶在特定條件下復(fù)制特定DNA片段，通過反復(fù)的循環(huán)，這個特定的DNA片段可以被大量復(fù)制或放大。PCR過程主要包括以下三個步驟：
變性（Denaturation）：在高溫（通常為94-96°C）下，DNA雙鏈被分離成兩條單鏈。這是因為DNA雙鏈之間的氫鍵在高溫下會斷裂。
退火（Annealing）：降低溫度（通常在50-65°C），使得人工合成的、與目標(biāo)DNA序列互補的短DNA片段（即引物）能夠與分離后的DNA單鏈結(jié)合。
延伸（Extension）：升高溫度（通常為72°C），DNA聚合酶開始在引物的末端添加相應(yīng)的核苷酸，以此按照DNA的互補配對原則復(fù)制DNA。
這種“變性—退火—延伸"就是一個PCR循環(huán)，每個循環(huán)都會使目標(biāo) DNA 序列的數(shù)量翻倍。使得DNA片段在短時間內(nèi)能以2n倍進(jìn)行擴增，這樣就可以生成數(shù)百萬到數(shù)十億份的目標(biāo) DNA 序列。PCR的反應(yīng)流程大致如下：
傳統(tǒng)的PCR技術(shù)通常試管內(nèi)進(jìn)行，這個過程通常被反復(fù)進(jìn)行30-40次，每次循環(huán)都會使目標(biāo)DNA序列的數(shù)量翻倍。這樣，即使開始時只有極少量的目標(biāo)DNA，也可以在幾個小時內(nèi)得到足夠數(shù)量的DNA片段。并且需要人工改變每個循環(huán)的溫度變化，過程耗時且容易出錯。
然而，傳統(tǒng)的PCR技術(shù)也有一些局限性。例如，它不能提供關(guān)于目標(biāo)DNA數(shù)量的實時信息，也不能進(jìn)行精確的定量分析。
第二代：實時熒光定量PCR技術(shù)（qPCR）
傳統(tǒng)的PCR技術(shù)主要用于定性檢測，即判斷目標(biāo)DNA序列是否存在。但在許多研究和應(yīng)用中，人們需要知道目標(biāo)DNA的具體數(shù)量，例如在基因表達(dá)分析、病原體檢測、基因編輯效率評估等場景。因此傳統(tǒng)的PCR技術(shù)通常需要在反應(yīng)結(jié)束后通過電泳或其他方法來檢測和分析結(jié)果，這大大增加了實驗的復(fù)雜性和時間。為了解決這一問題，實時熒光PCR問世了。實時熒光PCR是一種革新性的DNA定量技術(shù)，其基本原理與傳統(tǒng)的PCR相同，都是通過熱循環(huán)引發(fā)DNA的去鏈和復(fù)制。然而，實時熒光PCR的特別之處在于，在PCR過程中，反應(yīng)體系中添加了能夠發(fā)射熒光信號的熒光標(biāo)記物，使得PCR的擴增過程能夠被實時監(jiān)測。
新一代的熒光標(biāo)記物如SYBR Green，其與雙鏈DNA（dsDNA）的結(jié)合能力遠(yuǎn)超過溴化乙二胺，能產(chǎn)生強烈的熒光信號。這種特性不僅提升了PCR檢測的靈敏度，而且有助于縮短PCR實驗的總體周期。在PCR過程中，每當(dāng)DNA分子被復(fù)制一次，SYBR Green就會與新產(chǎn)生的DNA分子結(jié)合，發(fā)射出熒光信號。因此，熒光信號的強度就可以直接反映出當(dāng)前擴增的DNA數(shù)量。
但SYBR Green又有新的問題，那就是無法區(qū)分不同的DNA序列。針對需要高特異性檢測的場合，研究者們開發(fā)了一系列與特定DNA序列結(jié)合的熒光探針，如雙標(biāo)記探針（TaqMan探針）、分子信標(biāo)、Scorpions探針和LightCycler探針等。這些探針的設(shè)計原理是，一端連接熒光染料（reporter），另一端連接猝滅劑（quencher）。在PCR反應(yīng)中，這些探針會與目標(biāo)DNA序列特異性結(jié)合，由于熒光染料和猝滅劑距離近，熒光會被猝滅。然而，當(dāng)DNA聚合酶在延伸新的DNA鏈時，它會分解探針，使熒光染料與猝滅劑之間的距離增大，從而產(chǎn)生熒光信號。
第三代：數(shù)字熒光PCR
數(shù)字PCR（DigitalPCR，dPCR）的發(fā)展源于對更準(zhǔn)確、更靈敏的分子檢測方法的需求。雖然實時定量PCR（qPCR）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于基因表達(dá)分析、病原體檢測等領(lǐng)域，但是它存在一些局限性，比如需要標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行定量，對樣本純度和PCR效率有較高的要求，而且對于罕見突變和低豐度目標(biāo)分子的檢測靈敏度不夠。
數(shù)字PCR（dPCR）是一種新型PCR技術(shù)，它通過將樣品稀釋并分配到數(shù)百到數(shù)百萬個微小的反應(yīng)室中，每個反應(yīng)室中包含零個或一個模板拷貝。然后在每個反應(yīng)室中獨立進(jìn)行PCR反應(yīng)，并通過檢測每個反應(yīng)室的熒光信號來確定是否存在目標(biāo)分子。這種方法可以直接計算出樣品中的目標(biāo)分子數(shù)量，而不需要像qPCR那樣依賴標(biāo)準(zhǔn)曲線。
數(shù)字PCR是一種精確且敏感的分子生物學(xué)技術(shù)，專門用于測量DNA或RNA的數(shù)量。其主要優(yōu)勢在于具有高精度和高靈敏度，能夠直接計算樣品中的目標(biāo)分子數(shù)量，并對低豐度的目標(biāo)分子進(jìn)行高效檢測。并且數(shù)字PCR不需要依賴標(biāo)準(zhǔn)曲線或參照基因，這減少了實驗偏差，使其能夠在復(fù)雜樣本中準(zhǔn)確地進(jìn)行定量。但數(shù)字PCR也有缺點，其中包括實驗操作的復(fù)雜性、設(shè)備成本高昂，以及相對較低的樣本處理能力。
小結(jié)
聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)自1983年發(fā)明以來，已逐漸成為生命科學(xué)研究和臨床分子診斷領(lǐng)域的核心技術(shù)。PCR技術(shù)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了傳統(tǒng)PCR、實時熒光定量PCR（qPCR）以及數(shù)字PCR（dPCR）三個重要階段，每個階段的技術(shù)突破和優(yōu)化都為DNA的檢測和分析提供了更準(zhǔn)確、更靈敏和更高效的解決方案。
PCR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不僅深刻地改變了生命科學(xué)研究的面貌，而且在臨床診斷、環(huán)境和食品安全監(jiān)測、藥物發(fā)現(xiàn)以及藥物療效監(jiān)測等領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，盡管PCR技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的成就，但在提升PCR技術(shù)的靈敏度、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以及降低PCR實驗的復(fù)雜性和成本等方面，我們?nèi)悦媾R著一些挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們正在進(jìn)行大量的研究工作，并已經(jīng)取得了一些重要的突破。我們有理由相信，隨著科技的進(jìn)步，PCR技術(shù)將在未來的生命科學(xué)研究和臨床應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用，為人類社會帶來更多可能性和福祉。
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