2008/1/17

PCR之一:不簡單的簡單


有一個分子生物實驗的操作步驟與程序比煮菜還要簡單:

1 ul DNA        
1 ul 10 uM 寡核甘酸#1 
1 ul 10 uM 寡核甘酸#2
5 ul 10倍濃度緩衝溶液
4 ul 25 mM 氯化鎂水溶液
1 ul 10 mM 去氧核甘三磷酸混合物
36.5 ul 水
0.5 ul 酵素

把上面這些東西在小管子裡混合均勻,放到一個可以設定時間與溫度的機器裡進行反應。比方說:設定在攝氏94度加熱維持三十秒,然後立即把溫度調降到50度持續三十秒,接著再把溫度略為升高到72度保持一分鐘;再重複這在94度加熱、降溫至50度、升溫至72度等同樣的三個步驟二十五至三十次,整個實驗反應就完成了。簡單吧,只要會加東西會按按鈕,連小學生都會做。

這個操作程序雖然看來貌不驚人,但發明這套系統的科學家就因此而拿到諾貝爾化學獎(註),大概沒有哪一個現代分子生物學實驗室會不用到這套實驗系統。沒有了它,法醫要從一小塊骨骸來鑑識被害者身分或是由少許體液來使嫌犯定罪,就幾乎是不可能的任務;沒有了它,多疑的先生就別寄望偷偷地拿兒子與老婆的頭髮去做DNA親子鑑定分析會有結果﹔沒有了它,要想少量的血液樣品中快速地篩檢出AIDS或病毒性肝炎等疾病的精確度就大大減低。甚至可以大膽地說,《侏儸紀公園》中恐龍重生的科學幻想如果終有一日真能實現,也一定要靠這個實驗程序不可。這個操作方法就是聚合脢連鎖反應(polymerase chain reaction),簡稱為PCR。

PCR其實說穿了就是一種可以專一地擴增某一段DNA的方法。DNA的構造像麻花一樣,有兩股互補的長鍊交纏在一起。要複製DNA,首先必須把兩股分開來,所以先用高溫加熱,破壞使兩股相互連接的微弱作用鍵結。打開DNA的兩股之後立即降溫,是要使寡核甘酸黏上去。寡核甘酸其實就是短短的單股DNA,我們能夠設計成特定的密碼序列,所以可以有選擇性、很專一地黏到互補相對應的DNA區域上。這寡核甘酸的小小單股DNA片段黏上去之後就提供了一個讓DNA 的聚合酵素可以作用的位點,成為被複製DNA的前驅引子,所以最後一步驟把溫度提高到一個利於聚合酵素能夠高效率工作的溫度,聚合酵素就以DNA為模版,以去氧核甘三磷酸(dNTP)混合物當原料,把短短的寡核甘酸DNA聚合延伸,補回雙股,形成我們所要的DNA產物。然後同樣的步驟週期重複一次,兩股 DNA再度打開、黏附引子到特定的區域上、聚合延伸,產物就增加為原來的兩倍;重複了三十次,產物就拷貝拷貝再拷貝...,大量複製成原來的二的三十次方倍,換算一下大約是原來的1000000000倍。正因為可以藉由PCR程序的大量擴增,所以只要有一小根附有毛囊的毛髮或是琥珀中被固結昆蟲的微量 DNA,就有機會在最終拿到足量的材料,來進行分析與研究。

把兩股DNA打開、黏附引子、聚合延伸的PCR三部曲不是科學家的獨創,實際上是抄襲活體細胞複製自身DNA的作用機轉。不過你我體內的細胞要把雙股 DNA解開,是藉由許多蛋白質的交互作用與酵素水解高能分子所提供的化學能;此外,一般細胞的DNA在每一個細胞週期只複製一次,所以DNA只會變成兩倍,不會以等比級數的方式大量擴增。為了要簡化成適用在小離心管中操作,我們不可能模擬出細胞內那般複雜又有效率的蛋白質酵素系統,所以用了高溫加熱的替代方法打開雙股DNA;而且因為想大量擴增材料,所以要重複同樣的步驟週期好幾十次。但是問題來了--DNA的聚合酵素是一種蛋白質,就像把生雞蛋煎成荷包蛋,一般的蛋白質在高溫加熱後就變性失去活性了,怎麼能把聚合酵素加熱高溫,而且還要重複同樣的步驟好幾十次?PCR的應用關鍵就在於使用了一種特殊的 Taq聚合酵素。Taq酵素是一種生長在溫泉裡的細菌 Thermus aquaticus 體內用來複製DNA的聚合酵素,這種細菌活在燒滾滾的燙人溫泉熱液中,早已演化出耐高溫的性質,體內的酵素也跟一般生物有所不同,可以抗拒高溫引發的結構破壞。這正好符合PCR的需要。

所以說,PCR的原理是模仿自然界DNA複製的機制而來的,大家早就知道了,原則很簡單;PCR的機器就是個能夠定時定溫的小玩意兒,相對於其他繁雜精密的笨重傢伙,設計也是很簡單;而基本PCR程序的實作步驟只是加加樣品試藥跟按按機器面板的按鍵而已,五分鐘就搞定,更是簡單得不能再簡單了。但是當初能有那個點子把一連串的簡單通通連起來放在一起,其實還真是不簡單。更何況這麼簡單的實驗也不見得每次都做得出來,其中的技巧與學問還是挺大的。偉大與平庸、單純與複雜、成事與錯失,分隔或在一線之間,但是距離卻是天高地遠。


(註)Kary Mullis,是一九九三年諾貝爾化學獎得主,靠著PCR的專利權名利雙收。今天我們在實驗室裡進行PCR其實都是要經過授權的才合法的。他是一個爭議性極大的人物,不是一般人印象中傳統典型的學者。有興趣多認識他,可以閱讀他的自傳《迷幻藥,外星人,還有一個化學家》(大塊文化)。

(完成於 2002年12月9日,張貼在個人新聞台。圖片取自Wikipedia,請參見http://en.wikipedia.org/wiki/Image:PCR.svg)

5 個意見:

Blogger scipao 提到...

PCR 之歌:
http://bio-rad.cnpg.com/lsca/videos/ScientistsForBetterPCR/

2008/1/17 上午11:43  
Blogger 纖毛蟲 提到...

scipao:
謝謝!手腳真快喔,我的第二篇都還來不及貼好,馬上留言就來啦!

2008/1/17 上午11:57  
Anonymous  提到...

我本來要寫一篇我愛pcr 的文章說,後來因為自幾其時是討厭pcr 的所以根本寫不出來。

這麼簡單的實驗我卻常常搞砸呀。

2008/1/17 下午1:08  
Anonymous Lucky 提到...

原來 denature 翻譯成 "變性" XD

2008/1/17 下午1:39  
Blogger 纖毛蟲 提到...

雪:
唉唉,大家都一樣.又愛又恨喔.
有一次我就聽到人家說:PCR只有兩種:閉著眼睛亂做都做得出來的,以及不管怎麼做都做不出來的.

lucky:
學長別笑啦,大概是這樣翻的吧.否則叫做「去性」,好像還是怪怪的--看來問題不在那個"de",而是後面那個"-nature"要叫什麼....

2008/1/20 上午1:20  

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