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複製又複製–PCR的發明

98/05/07 瀏覽次數 30729
小百科

PCR 是 polymerase chain reaction 的簡稱,中文譯為:聚合酶鏈鎖反應。這方法能使少量 DNA(deoxyribonucleic acid,去氧核醣核酸)無限量地複製。

用途

PCR 在生物科技上的用途相當廣泛,如應用在醫學、遺傳學、藥物設計上等,許多病毒和細菌的傳染是靠 PCR 方法診斷出來的。此外,近代的基因工程能有如此迅速的發展,端賴 PCR 的發明。PCR 利用一點點 DNA 樣品就能定出整個基因的組合,如篩選檢驗犯罪者在現場留下的手印、唾液、血跡、精液、毛髮等,都能用 PCR 方法來複製而得到足夠的樣品做多種化驗。

發明者

加理.莫理斯(Kary B. Mullis)是 PCR 的發明者,他於 1944 年出生在北卡羅那州的 Lenoir 鎮,1966 年獲得喬治亞理工學院化學學士學位,1972 年取得加州大學柏克萊分校的生物化學博士學位。1979 年,他進入加州的 Cetus 生物科技公司做寡核苷酸(oligonucleotide)、DNA 和光化學方面的研究,1986 年申請到 PCR 的美國專利(#4683195,4683202,4965188),並因發明 PCR 而榮獲 1993 年諾貝爾化學獎。

靈機一動

莫理斯在 Cetus 公司做 DNA 方面的研究時,常常碰到實驗的 DNA 樣本不敷使用的問題,實驗做了一半,樣品就不夠用了。1986 年的一個周末傍晚,他帶著女朋友簡妮芙上山去他的小木屋過夜。女朋友在車上睡著了,他就想著近日在實驗室發生的事情,也注意到車輪規律的輾轉聲,突然間靈感一現:說不定可以利用 polymerase(聚合酶)來做複製 DNA 的工作。

他馬上在小山坡的路旁停下來,極快地簡單寫下他的想法。他大略算了一下:DNA 複製能一變二,二變四,四變八,這樣就成了二的指數(2x,x 是複製的次數),複製 10 次,就可得到約 1 千倍的複製品(210 = 1,024),複製 20 次就可得到約 1 百萬(220)倍,30 次就約得 10 億(230)倍。這個周末就想著這個問題,好像太簡單,別人應該早就想到,或者早就有人報導過了,只是他自己孤陋寡聞、無知而已。

禮拜一回到實驗室,馬上到圖書館找文獻,也找同事談他的構想,證實從來沒有人試過類似的實驗。他就開始做一連串的實驗,幾個月後就研發出 PCR 聚合酶鏈鎖化學反應,使得 PCR 的反應能在試管中又快又容易地進行,一個下午就可以從一點點樣本複製出 10 億個同樣的 DNA 分子。

DNA 是由兩股螺旋長鏈構成(見本刊 436 期〈生命的奧秘–DNA 結構的發現〉),這長鏈上有 4 種鹼基:A(adenine),T(thymine),C(cytosine)與 G(guanine),這兩股長鏈之間由相匹配的鹼基牽住,A 與 T 會成一對,而 G 與 C 成對,就像樓梯的階梯。也就是說如果單螺旋股上的排列順序是 ACGT,相對的一股的排列順序一定是 TGCA。

DNA 的排列順序就以這 4 個「密碼」來傳遞遺傳的訊息。這 4 個「密碼」的排列順序是製造蛋白質的指令。又在 DNA 分子上的鹼基有五環的糖基(如 ribose 或 deoxyriboses)及磷酸基,這就是核苷酸的結構。

PCR 流程

(1)從一滴血液抽取一小段的雙股 DNA 分子,(2)加熱到攝氏90度,雙股DNA就分成單股 DNA,(3)降溫到攝氏 55 度,加入一段合成的 DNA 引體(primer),引體會正確地和單股分子結合而恢復成雙股分子,(4)加熱到攝氏 70 度,加入 DNA 聚合酶以促進反應速率,原來的一段 DNA 就變成二段完全一樣的 DNA,(5)再重複(2)~(4)的步驟,1 個小時就可以複製出 1 百萬份的 DNA。

PCR的應用

(A)考古生物學:分析 2 百萬年前在琥珀中的昆蟲基因組合,(B)犯罪證據:警察能從一根頭髮或一滴血的檢驗找到犯者。

掌聲回響

奇特的靈感往往發生在空閒無憂無慮的環境下,帶著女朋友上山玩的心情使莫理斯能夠想到 PCR 的方法。又如德國有機化學家 Kekule(1829—1896)花了幾年時間推想苯分子(C6H6)的結構,有一次坐馬車,在車廂內打瞌睡因夢見一隻大蛇的頭咬到尾巴而驚醒,於是提出苯的「六角環狀」結構。

莫理斯的 PCR 論文首先投稿到英國的著名《自然》期刊,但被退稿。再投稿到美國的《科學》期刊也遭駁回,這使他非常失望。當時莫理斯剛好有一位朋友當「酶學方法」(Methods of Enzymology)叢書的編輯,向他邀稿,結果這篇如此重要的 PCR 論文就沒有在最有分量的期刊上發表。PCR 論文發表後,驚動生物科技產業界而大受重視和歡迎,廣泛地被生物科技和醫學界應用。

1989 年年底,《科學》期刊選聚合酶為年度分子(molecule of the year),大力讚揚 PCR 對生物科技和醫學界的貢獻。過去二十幾年來,被《科學》期刊選為年度分子的研究工作者都先後得到諾貝爾獎,可見《科學》期刊的權威性。

1987 年後,莫理斯開始當起十幾家生物科技公司的顧問。除了榮獲諾貝爾化學獎外,他還得到日本國家科學獎,美國愛迪生發明名人獎,1998 年被選入國家傑出發明名人館(National Inventors Hall of Fame)。一生中備受尊敬,有幾家大學頒給他榮譽博士學位。

深度閱讀
  1. Mullis, K. (2000) Dancing Naked in the Mind Field, Vintage Books, Random House, New York(自傳)。
  2. http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1993/press.html
  3. http://www.karymullis.com/
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