應(yīng)用廣泛的PCR技術(shù)

什么是PCR技術(shù)

1865年，美國第16任總統(tǒng)林肯遇刺身亡，時(shí)年才56歲。然而，一些研究人員聲稱，他即使不遇害，也將壽終正寢了。因?yàn)樗呀?jīng)患上了一種叫“馬方綜合癥”的疾病，患此病的人大多數(shù)只能活到這個(gè)年紀(jì)。

當(dāng)前，這種事后診斷的依據(jù)只能來自于對林肯DNA所進(jìn)行的遺傳分析。林肯死亡已100余年，漫長的歲月已使他的遺傳試樣變得很稀少，顯然這種分析是相當(dāng)困難的。

但是現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了一項(xiàng)新技術(shù)，它可對遺傳試樣進(jìn)行幾乎是無限的擴(kuò)增和復(fù)制，從而有可能獲得足夠多的林肯遺傳材料，來證實(shí)他們的猜測診斷。

這項(xiàng)由化學(xué)家莫利斯在1983年研究發(fā)現(xiàn)的新技術(shù)稱為聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)，即PCR技術(shù)。在此之前，幾乎沒有任何技術(shù)能像PCR技術(shù)那樣，拓寬該領(lǐng)域的研究范圍，它包括醫(yī)學(xué)研究、診斷學(xué)、法醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、生物進(jìn)化和工業(yè)技術(shù)。這些領(lǐng)域的大部分開發(fā)工作有賴于從DNA的細(xì)微圖形中獲取信息。

每一細(xì)胞中都可發(fā)現(xiàn)DNA，它載有決定某一生物體全部特征的遺傳密碼。DNA能影響到人類的一切特征：從眼睛顏色到是否對食用水生貝殼類動物過敏等。人體各部分都包含有其自身獨(dú)一無二的“DNA標(biāo)記”，當(dāng)某單一基因?qū)Πl(fā)生偏差時(shí)，疾病也隨之生成了。

如果研究時(shí)科學(xué)家所掌握的相關(guān)遺傳材料越多，那么該項(xiàng)研究就可進(jìn)行得既快又容易。然而復(fù)制DNA是一件相當(dāng)乏味、費(fèi)時(shí)和花錢多的事情。以最常用的方法無性繁殖為例，科學(xué)家先將DNA片段引入到活細(xì)菌內(nèi)，然后要等待幾天甚至幾星期，直到細(xì)菌生產(chǎn)出足夠量的基因材料復(fù)制品。

有了PCR技術(shù)，人們就不必再干這類令人厭煩的工作，科學(xué)家也不用像大海撈針那樣去探尋各類疾病的遺傳印記，或極為精密地確定細(xì)胞組織的方位了。需要時(shí)，甚至可利用PCR技術(shù)將某單一DNA片段復(fù)制擴(kuò)增為數(shù)百萬或數(shù)億萬DNA。

塞特斯生物技術(shù)公司將著手開發(fā)的一種稱為熱循環(huán)控制的裝置，能為給定的DNA片段自動進(jìn)行PCR技術(shù)處理，一名實(shí)驗(yàn)人員所做的全部工作僅僅是添加一些核甙酸混合物、引物和一些DNA聚合酶，在數(shù)小時(shí)內(nèi)，他即可采集到一千億份原始試樣的復(fù)制品。

這種方法是那么容易，循環(huán)控制裝置價(jià)格也相當(dāng)便宜，以致于各種小型實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在都能從事這類遺傳研究和診斷。目前，科學(xué)家已經(jīng)在下面一些領(lǐng)域的研究中應(yīng)用PCR技術(shù)。

人類基因圖

為了畫出人類基因圖，整個(gè)國際社會已經(jīng)花費(fèi)15年的時(shí)間和3億美元的巨資。

在發(fā)現(xiàn)PCR技術(shù)之前，科學(xué)家把測定過的DNA片段冷藏在液態(tài)氮中，如果某一個(gè)同事想要擴(kuò)增該片段，科學(xué)家必須將多余的試樣包裝起來，送往該同事的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。

現(xiàn)在，這些經(jīng)過測定的核甙酸序列信息已被輸入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫。如果某一研究人員想要探查一種特定基因的序列，他所做的一切僅僅是從計(jì)算機(jī)取出該片段的代碼，隨后就能制成必需的引物，接著將引物放人裝有整個(gè)DNA片段的PCR熱循環(huán)裝置內(nèi)，稍等片刻，他就能獲得所需特定DNA片段的許多復(fù)制品。

人類基因組由33億以上的核甙酸對組成，利用PCR，可使制作每一核甙酸結(jié)構(gòu)圖的費(fèi)用降低到5～10美元，這僅為過去費(fèi)用的三分之一或五分之一。它為確保人類基因圖的成功繪制創(chuàng)造了有利條件。

艾滋病檢查

要診斷某人是否感染了艾滋病毒，目前的辦法只有通過驗(yàn)血，即測定血中是否存在著能抵抗病毒的抗體。利用PCR技術(shù)就能直接擴(kuò)增和探查到艾滋病毒的基因。

這項(xiàng)技術(shù)具有驚人的靈敏度，能在15萬細(xì)胞體中揭示出15個(gè)病毒性DNA，這意味著對艾滋病人能進(jìn)行早期診斷和治療。

以PCR檢測為依據(jù)，還能為感染艾滋病毒的母親們解疑釋難，對她們生下的嬰兒進(jìn)行正確診斷。

DNA“指紋”識別

上世紀(jì)80年代中期，刑偵科學(xué)已將DNA技術(shù)用于破案定罪，這是基于每個(gè)人的DNA都有不同的密碼。

這種密碼可在所有活細(xì)胞內(nèi)找到，從罪犯在現(xiàn)場遺留下來的頭發(fā)、體液和皮屑中，都可獲得他的遺傳信息。但是，如果某一細(xì)胞組織的試樣太小或腐敗變質(zhì)，就不可能獲取可靠的DNA配對。

采用PCR技術(shù)，專家們就能擴(kuò)增某單一成分的DNA，并能作出正確鑒定。

遺傳診斷學(xué)

對鐮形血球性貧血癥、慢性膀胱炎、脊髓病性肌肉萎縮、亨廷頓舞蹈病和現(xiàn)在快速增長起來的各類遺傳疾病，現(xiàn)在醫(yī)生可以給病人作出比以往早得多的診斷。

在某些情況下，醫(yī)生采用PCR技術(shù)，通過檢測取之于微小細(xì)胞內(nèi)的遺傳材料來進(jìn)行產(chǎn)前診斷，這種微小細(xì)胞是在胚胎由雙細(xì)胞變?yōu)?細(xì)胞時(shí)被遺棄下來的。

基因治療

醫(yī)生給病人注入經(jīng)遺傳工程處理過的細(xì)胞，渴望治愈各種少見的遺傳疾病、癌癥、心臟病和艾滋病。

在治療期間，醫(yī)生用PCR精確測定病人體內(nèi)是否開始再生出可控制的、擺脫病毒侵害的細(xì)胞，并擴(kuò)增病人血液中的DNA，以核實(shí)所需要的基因。

生物進(jìn)化

美國加利福尼亞大學(xué)的分子生物學(xué)家帕博把在佛羅里達(dá)州泥炭沼里發(fā)現(xiàn)的已埋藏了7千年的木乃伊人腦的DNA，與現(xiàn)代亞洲人的遺傳材料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)他們二者是相似的，這為早期人類是渡越白令海峽遷徙到北美去的理論提供了新依據(jù)。

另一位分子生物學(xué)家維爾遜也借助PCR，再次證實(shí)了其早期的研究成果，即現(xiàn)代人為20萬年前非洲單一古老人群體的后裔。

工業(yè)應(yīng)用

政府和商業(yè)部門常需要一種能監(jiān)督工業(yè)或生物技術(shù)產(chǎn)品的有效手段。塞特斯公司的生物物理學(xué)家多林格已建議，讓DNA發(fā)揮類似于顯微鏡的識別鑒定作用。

首先，將DNA核甙酸以某種方式排列，使其形成一種可識別的“密碼”，據(jù)此探查燃油或炸藥類易燃易爆產(chǎn)品。例如，調(diào)查人員在分離和擴(kuò)增DNA后，就能識別其中的密碼標(biāo)記，以追查對不封口油料泄漏負(fù)有責(zé)任的油船，和把炸藥制成恐怖分子手中炸彈的國家。

同樣可將這類密碼標(biāo)記添加到各種特許專賣生物技術(shù)制品中，借此保護(hù)專利產(chǎn)品和打擊黑市銷售的偽劣產(chǎn)品。