La reazione a catena della polimerasi (PCR) utilizza enzimi per replicare in massa una porzione di un filamento di acido desossiribonucleico (DNA) per un’analisi più semplice, come la ricerca di geni di interesse. Come la reazione a catena nucleare, la reazione a catena della polimerasi è un processo esponenziale che procede finché sono disponibili le materie prime per sostenere la reazione. Contrariamente alla replicazione del DNA nel mondo naturale, la PCR può replicare solo pezzi di DNA abbastanza piccoli, con un soffitto superiore di circa 2-3 chilo paia di basi (kb). Utilizza enzimi inanimati per realizzare il suo effetto di replicazione, distinguendolo da altri approcci di copiatura che utilizzano organismi attivi.
Una moderna reazione a catena della polimerasi richiede sei componenti di base per funzionare: il segmento di DNA da copiare, primer per delimitare il segmento, Taq polimerasi per eseguire la copia, nucleotidi di DNA per fungere da materia prima, un ambiente tampone chimico e una macchina chiamata termica ciclista. Il termociclatore spesso contiene più provette con più PCR, ciascuna contenente da 15 a 100 microlitri, valori appena inferiori a un millimetro cubo di acqua. Vengono utilizzati circa un centinaio di nanogrammi di base del DNA.
La taq polimerasi, l’ingrediente chiave per una reazione a catena della polimerasi, viene estratta da un batterio delle acque profonde, che dimora nelle sorgenti termali, Thermus aquaticus. Funziona bene per la copia, ma non perfettamente, commettendo un errore circa una volta ogni 8 milioni di coppie di basi. Prima della Taq polimerasi, venivano utilizzate altre polimerasi, ma molte di esse si rompevano alle temperature necessarie per l’inizio della reazione. Il ciclo di riscaldamento è complicato, ma include temperature che vanno brevemente quasi fino al punto di ebollizione, quindi la durata nella polimerasi è essenziale.
I passaggi di base della PCR sono i seguenti. Tutti gli ingredienti sono mescolati insieme in una piccola fiala, solitamente con un volume di 200 microgrammi. La miscela viene riscaldata vicino al punto di ebollizione per rompere i legami idrogeno nel DNA a doppio filamento, creando singoli filamenti che sono suscettibili di copia. Questo si chiama denaturazione. Più lungo è il filo da copiare, più a lungo dura il processo di denaturazione.
Il passaggio successivo della reazione a catena della polimerasi è chiamato ricottura. I primer, che sono brevi filamenti di DNA realizzati su misura, sono progettati specificamente per legarsi ai siti all’inizio e alla fine del segmento da copiare. Se i primer sono progettati in modo errato o la temperatura in questa fase è sbagliata, il primer si legherà in modo casuale al DNA, risultando nella copia del segmento sbagliato. La maggior parte dei primer si scioglie a circa due terzi del punto di ebollizione e la ricottura, un processo di 1-2 minuti, avviene a pochi gradi al di sotto di questo.
Gli ultimi passaggi della PCR sono chiamati estensione e estensione finale. Qui è dove avviene la magia. La polimerasi copia rapidamente il segmento del DNA, creando milioni e milioni di copie in pochi minuti. Di solito, un ciclo è costituito da tutti i passaggi precedenti, ripetuti circa venti o trenta volte.
Il risultato è un mucchio di DNA copiato. Le reazioni a catena della polimerasi hanno una varietà di usi, tra cui test di paternità, determinazione della presenza o assenza di un difetto genetico o DNA virale, clonazione di un gene, introduzione di mutazioni specifiche, analisi del DNA di specie estinte o persone morte, “impronta genetica” al scena del crimine e altro ancora.