DNA扩增技术：PCR的诞生

科学家的性格特点就是“创造“。 利用自然界的物质条件来创造从未有过的新生事物，是所有科学家的共同“爱好”。 在发现了DNA复制过程的奥秘以后，科学家们就想利用这些奥秘来人工合成DNA。 既然细胞核能制造DNA，那为什么不能在人工的条件下，按照人的意愿来制造出和细胞里的DNA一样的DNA呢？

当然，科学家不能抛开自然界来另搞一套，科学家的创造是要站在大自然这个巨人的肩膀上才能完成的。 那么，自然界可以利用来合成DNA的“原材料”有哪些呢？ DNA聚合酶；然后，必须有DNA的“模板”和引物。 注意，引物的作用是在DNA的需要被扩增的位置建立部分双链，因此它既可以是RNA，也可以是DNA。 此外，还要有DNA聚合酶需要的核苷三磷酸。 有了这些原材料，就可以来尝试照天然“模板”的样子人工合成DNA了。

20世纪后半叶，科学家们已经注意到：DNA聚合酶加引物就可能把一段DNA复制几次。 有几个大学教授就用普通的DNA聚合酶和一对引物，在通常的DNA聚合酶反应中，把一小段DNA扩增了4倍。 这可以说是走向用DNA聚合酶在无细胞条件下合成DNA的第一次尝试［1］。

那时，美国有一家生物化学公司叫希特斯（Cetus）。 希特斯公司的产品都是些生物化学试剂，是卖给科研单位的。 公司里有个研究人员叫莫里斯（K.Mullis），他的工作是合成小分子的DNA。 莫里斯是个思想活跃的人，他常常想怎样合成分子量更大的DNA、怎样按照已知的序列合成DNA。 有次他在晚上开车和女朋友一起出游的时候，忽然想到可以利用两个分别与互补链的一端互补的短链DNA，作为DNA聚合酶的引物。 这样DNA聚合酶在完成了一条链的合成后，就可以利用和另一条链互补的另一个引物，再合成一条链。 只要能够反复地使DNA聚合酶依次用两个引物进行DNA合成，就应当能不断合成两条互补的DNA链。 如果这两条链能重新通过碱基配对“复性”成一条双链，那不就能实现DNA的扩增了吗？ 他把自己的想法汇报给了公司的领导，引起了公司领导的兴趣，公司特别免除了他的DNA合成任务，指示他带领几个同事，专心进行用DNA聚合酶扩增DNA的研究。

功夫不负有心人，几年后，莫里斯等人终于初步做成了这项研究。 他们的做法是：利用分别与DNA的两端互补的两个短DNA片段作为引物，在通常的DNA聚合酶的反应条件下，进行DNA复制。 当复制完成后，对反应液加温，当温度高过该段DNA的变性温度后，DNA双链就分开成为两条单链。 然后降低反应液的温度，当温度降低到引物和互补DNA链的复性温度后，该段DNA链就和互补的引物重新结合成为双链，在DNA单链上形成部分的双链区，因而给DNA聚合酶提供再次进行DNA复制的条件。 如此，可以把一条DNA链“放大”（扩增）许多倍。 由于DNA聚合酶极高的专一性，扩增产物纯度可接近100%。 莫里斯称这技术为“聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）”［2］。

但是他们还只是初步做成了这项技术，它还有很大的缺点。 当时用的DNA聚合酶是怕热的。 这里要说一说，在生物化学和分子遗传学实验中所使用的酶，绝大多数都是怕热的，许多酶在室温——25℃下就会很快失活，也就是坏掉。 因此，DNA聚合酶的反应还没进行几个“回合”（我们以后就叫它“循环”），酶就失活了，只好再向反应液中补充酶。 这样就使DNA复制进行不了多久。 也许就因为这一点，莫里斯的第一篇关于聚合酶链式反应的论文被美国著名的《科学》（Science）杂志拒绝。 为了增加反应所能进行的循环次数，要能找到一种不怕热的DNA聚合酶多好！(www.xing528.com)

大自然的宝藏是何等的丰富！ 不怕热的酶确实是有的，那就是生活在高温条件下的生物所含有的酶。 虽然地球上绝大多数生物都生活在较低的温度下，比如适合人和脊椎动物的环境温度在25℃左右（这里不说人工的温度调节如取暖和冷气，也不说动植物适应环境的特性如冬眠和落叶等），但是也有少数生物——主要是细菌，生活在海底火山和温泉的热水中，这些热水的温度可以高达70℃。

只要取得这些嗜热的细菌，在人工的高温条件下培养，就可以从它们体内提取到耐热的DNA聚合酶。

莫里斯的同事赛基（R.Saiki）等人就从一种细菌“水生栖热菌（学名Thermus aquaticus）”提取了它的DNA聚合酶——他们叫它“Taq DNA聚合酶”，Taq是这种细菌的学名的缩写。 赛基等使用Taq DNA聚合酶，第一次成功地实现了一千万倍的DNA专一扩增，以赛基为第一作者的论文被《科学》杂志接受发表，至此，聚合酶链式反应（我们以后就用它的英文缩写来称呼它——PCR）这种强大的科研实验技术才算开发成功。

理论上，就是在酶、引物和四种核苷三磷酸的量都足够的时候，PCR将能以2n次方扩增DNA的量，即n次循环反应能把DNA扩增2n倍。 例如，假设进行的PCR有25个循环，那么理想情况下，DNA就能被扩增225倍即33554432倍，而且极其纯粹！ 这样的扩增倍数，在起始时要扩增的DNA（“模板”）的浓度极小（例如1pg/100μl，即每100微升10-12克）的情况下，是完全可以达到的。

为了PCR技术的开发成功，希特斯公司经过该奖励谁的一番争吵以后，只发给了莫里斯1万美元奖金。 莫里斯一气之下辞职不干了。 后来希特斯公司把PCR技术卖给了“罗氏分子系统公司（Roche Molecular Systems Ltd.）”，售价竟是3亿美元！ 不过，过了10年，当PCR已经完全公开、它的巨大能力得到世界科学界的公认后，莫里斯得到了诺贝尔奖。