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PCR的前世今生(上)

发布时间:2015-08-12作者:徐九洋


——K.B. Mullis发明PCR技术的科学故事

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没错,对于生命科学领域内的人来说

,PCR的确是再基础不过的实验技术了。

但是你知道吗,如此基础重要的技术,其出现的历史也不过只有三十年,比互联网出现的时间还要短呢(1969年世界上互联网的前身阿帕网ARPAnet建立连接)!


PCR简介


PCR (Polymerase Chain Reaction),中文翻译为聚合酶链式反应,取名效法“原子核裂变链式反应”。其反应效果也是名符其实,通过一对预先设计的引物、耐热的DNA聚合酶以及反应原料,即可在体外模拟DNA复制的过程:

→首先将待扩增DNA模板加热变性解链;

→随之冷却至某一温度时,引物与待扩增模板序列发生退火结合;

→再将温度升高使退火引物在DNA聚合酶作用下得以延伸。

让我们再一起回顾一下普生课上的这张原理图,非常亲切吧~


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其“链式”的含义在于,下一个反应循环(Cycle)使用的模板为上一个循环中的产物,故待扩增的DNA片段在链式反应中以2^n的几何级数增长。

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虽然PCR的基本原理非常简单,但是其中还是有很多的故事可以讲。在这个系列当中,让我们先从PCR发明的历史开始说起,聊一聊我们最熟悉也最陌生的PCR吧!


究竟是哪一个大教授发明了PCR


由于发明了PCR技术,凯利•穆利斯(Kary Banks Mullis)博士荣获1993年诺贝尔化学奖。

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不过,Mullis根本没有做过哪一所大学或是研究所的教授,而是一家生物技术公司Cetus的研究员。其学术生涯也并非“科班出身”,Mullis在UC Berkeley取得了生物化学博士学位,专长是有机化学合成;但是这位贪玩的Mullis先生似乎在博士阶段有些“不务正业”,凭着兴趣选修了不少天文、物理课,竟然是凭借nature上的一篇与宇宙大爆炸理论相关的论文通过了博资考试(刊发之后估计nature的编辑悔得肠子都青了)。

K.B.Mullis出生于1944年,在美国北卡罗莱纳州外祖父的农场里长大。他的名Kary来自于祖先居住的北卡Cary市,中间名Banks和父亲C. B. Mullis相同。妈妈为了避免他的名字缩写与父亲完全一致,所以把Cary改成了Kary。

童年时光,Mullis和兄弟姐妹们一起在农场里顽皮:地窖里面探险啦,阁楼上面玩耍啦,逗一逗奶牛啦……此时,Mullis的生活和自然科学还没有半点关系,他的童年时代并不像其他大科学家们那样“从小就对身边的自然现象充满了兴趣”。1953年,当后来PCR技术的理论基础——DNA双螺旋模型被提出的时候,Mullis和小伙伴们还仍然在乡间开心地玩耍着呢。

中学时代,Mullis来到了南卡罗莱纳的首府Columbia,开始了一点点与科学相关的活动,那就是——造火箭!使用从妈妈厨房里拿出来的糖,以及从当地药店开出来的硝酸钾,还有不知道从哪里弄来的炸药引线,Mullis就和小伙伴们在自家院子里面设计火箭。

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少年时代Mullis和他的自制火箭

经过一次次的实验,他们的火箭尺寸越做越大,最后竟然将一直青蛙发射了出去,飞了一英里多!当然,这样的实验有时也会令附近机场的飞机驾驶员感到不安。Mullis造火箭的第3年,也就是1962年,沃森与克里克因为双螺旋模型获诺贝尔奖。

中学时的课外动手经历让Mullis对于化学非常着迷,在Georgia Tech念大学时Mullis常常整个下午泡在学校的化学实验室里;假期当中,他甚至和同学一起开了一家有机化学合成实验室,合成有毒或爆炸性的产品卖给当地的化工厂。(这么危险的事情难道政府也不管管?嘻嘻,有点阿尔弗莱德•诺贝尔当年的风范~)

研究生阶段,Mullis来到UC Berkeley攻读生物化学博士学位,此时遗传密码刚刚被破解。但是Mullis仍然对DNA并不感冒,不要说发表生化方面的研究成果了,甚至作为生物博士生,他连分子生物学这门课都没有选。相反,他沉浸在天体物理学的课程当中,1968年甚至还在nature上发表了一篇论文阐述自己提出的假说《时间反演的宇宙学意义(The Cosmological Significance of Time Reversal)》。就是这篇文章帮助他“顺利”通过博资考核,这样的经历估计放在现在国内的大学里,肯定被老板找去谈话不知道多少次了吧。

毕业之后,Mullis辗转过几个城市,经历了几次失败的婚姻,更换过几个不同的工作(写写科幻小说啦,杀杀老鼠啦……)。到了1979年,他才找到了一份固定的工作,在Cetus生物技术公司负责DNA合成工作,为公司里其他部门的研究提供20nt左右长短的DNA段片段。直到他35岁的这一年,Mullis才和DNA发生了联系。




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