ПЦР: размножение ДНК в пробирке

Урок о методе, который из одной молекулы ДНК делает миллиарды копий за пару часов.

ПЦР (полимеразная цепная реакция) — метод многократного копирования заданного участка ДНК с экспоненциальным ростом числа копий.

Зачем нужна ПЦР

Часто исходной ДНК ничтожно мало: капля крови, древняя кость, следы вируса. Чтобы её изучить, нужно много копий. ПЦР размножает выбранный участок ДНК в пробирке. Без ПЦР невозможны ни ДНК-тесты, ни диагностика инфекций, ни криминалистика. Изобретение ПЦР отмечено Нобелевской премией.

Один цикл — три шага

Денатурация (около 95 °C): нагрев расплетает двойную спираль на две цепи.
Отжиг (около 55 °C): короткие праймеры садятся на края нужного участка.
Элонгация (около 72 °C): термостойкая полимераза достраивает новые цепи.

За один цикл количество копий удваивается. После $n$ циклов из одной молекулы получается:

$$ N = N_0 \cdot 2^{n} $$

N0 = 1        # начальное число молекул
for n in [0, 5, 10, 20, 30]:
    N = N0 * 2 ** n
    print("Циклов:", n, "-> копий:", N)

Вывод:

Циклов: 0 -> копий: 1
Циклов: 5 -> копий: 32
Циклов: 10 -> копий: 1024
Циклов: 20 -> копий: 1048576
Циклов: 30 -> копий: 1073741824

За 30 циклов одна молекула превращается в более чем миллиард копий — экспонента впечатляет.

Почему важна температура и праймеры

Праймеры задают, какой именно участок копируется: полимераза начинает строить только от них. Температура отжига зависит от GC-состава праймеров (вспомним правило Уоллеса из раздела про ДНК): слишком низкая — праймер сядет не туда, слишком высокая — не сядет вовсе.

Как работает под капотом

Ключ к ПЦР — термостойкая полимераза (Taq), выделенная из бактерии горячих источников. Обычная полимераза погибла бы при 95 °C денатурации, а Taq выдерживает нагрев и работает цикл за циклом. Это пример того, как фундаментальное открытие (бактерии в гейзерах) дало прорывную технологию. Экспоненциальный рост $2^n$ — прямое следствие того, что каждая копия в следующем цикле сама становится матрицей.

Частые ошибки

Думают, что ПЦР копирует всю ДНК. Копируется только участок между праймерами.
Считают рост линейным. Он экспоненциальный: $2^n$.
Игнорируют температуру отжига. Неверная температура срывает реакцию.

Итог

ПЦР размножает заданный участок ДНК; число копий растёт как $N_0 \cdot 2^n$.
Цикл из трёх шагов: денатурация, отжиг праймеров, элонгация.
Праймеры выбирают участок, температура отжига зависит от их GC-состава.
Возможность ПЦР дала термостойкая полимераза Taq.