PCR反应中的强大新技术：让基因分析变得更快更便宜

雷锋网(公众号：雷锋网)AIHealth栏目按：DNA在高温时可以发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制DNA的变性和复性，加入设计引物，DNA聚合酶、dNTP就可以完成特定基因的体外复制，此即为PCR体外扩增DNA的原理。

范德堡大学的研究人员开发了一种PCR反应中扩增DNA链的新方法，据称这种技术可以让基因分析变得更快更便宜，研究人员称之为适应性PCR技术（adaptive PCR ），该技术的核心是通过左旋DNA调节和监控PCR反应过程。

左旋DNA

正常DNA是右旋双螺旋结构，上世纪70年代，科学家发现了左旋DNA，左旋DNA的基因序列是正常DNA的镜像。

如上图所示：A/B构象是右旋，Z构象是左旋

虽然左旋DNA与正常DNA的基因完全相同，但是其大多处于分子状态，所以可以用荧光标记物对左旋DNA进行标记，在PCR样本中加入少量有荧光标记的左旋DNA，与正常DNA进行相同的复制过程，就可以跟踪反应。

传统PCR的反应与科学家的“迷茫”

要理解适应性PCR的反应过程，首先我们来复习一下传统PCR扩增过程。

PCR由三个不同温度的反应阶段构成：

• 高温变性：模板DNA解离，成为单链。

• 低温退火：模板与引物结合。

• 适温延伸：合成新的DNA链。

这三种阶段的划分是通过人为控制反应温度实现的。通过改变反应温度，实现双链DNA变成单链、引物退火、引物沿着单链模板延伸为双链DNA三个关键步骤。在PCR反应过程中，最关键的就是控制样本的温度，但通常也是困难。

关键是科学家不知道他们应该何时改变反应温度？他们很迷茫。

通行的做法是：人为估计反应所需时间，而不是根据某一个特定反应步骤的结束来确定的。

适应性PCR的突破

在适应性PCR过程中，被荧光标记的左旋DNA分子与样本DNA进行相同的反应过程，就可以根据左旋DNA分子荧光的变化确定反应终点。

根据荧光的增强和减弱，研究人员就能知道某一特定的反应步骤是否完成了，以指导他们切换反应温度以进入下一个反应过程。

适应性PCR可以在分子水平监控反应，自动控制DNA的扩增。在这个过程中，在样本中加入少量左旋DNA，左旋DNA（L-DNA）显示为蓝色，模板DNA（D-DNA）即正常DNA显示为绿色，左旋DNA游离状态的引物荧光显示为红色，而游离的DNA单链荧光显示为黄色。

以下是不同反应阶段及其显示颜色：

• 变性阶段（denaturation stage）：加热样本，DNA解离成单链，左旋DNA上的红色和黄色荧光亮起。

• 退火阶段（annealing stage）：PCR反应中，左旋DNA样本与左旋DNA结合，红色荧光熄灭。

• 延伸阶段（elongation stage）：在DNA聚合酶的参与下，模板DNA合成新链，同时左旋DNA没有新链合成，但通过反应中红色荧光亮起可以判断，进入了下一轮的变性阶段。

下图即是适应性PCR的过程图解：

每次循环，模板DNA的量翻一番，40次循环能产生超过一万亿个DNA拷贝。

PCR扩增反应是一个不稳定的反应过程，可能受到样本不精确或环境条件的影响。而这种持续检测和引导反应的方法能使得基因分析变得更快更便宜，并且有望缩小反应仪器的尺寸。

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