Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet Enzyme, um einen Teil eines Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Strangs massenhaft zu replizieren, um eine einfachere Analyse zu ermöglichen, z. B. um nach interessierenden Genen zu suchen. Wie die nukleare Kettenreaktion ist die Polymerase-Kettenreaktion ein exponentieller Prozess, der so lange abläuft, wie die Rohstoffe zur Aufrechterhaltung der Reaktion verfügbar sind. Im Gegensatz zur DNA-Replikation in der Natur kann die PCR nur relativ kleine DNA-Stücke mit einer Obergrenze von etwa 2-3 Kilobasenpaaren (kb) replizieren. Es verwendet unbelebte Enzyme, um seinen Replikationseffekt zu erzielen, was es von anderen Kopieransätzen unterscheidet, die aktive Organismen verwenden.
Eine moderne Polymerase-Kettenreaktion erfordert sechs grundlegende Komponenten, um zu funktionieren: das zu kopierende DNA-Segment, Primer zur Abgrenzung des Segments, Taq-Polymerase zum Kopieren, DNA-Nukleotide als Ausgangsmaterial, eine chemische Pufferumgebung und eine Maschine namens Thermal Fahrradfahrer. Der Thermocycler hält oft mehrere Reagenzgläser mit mehreren PCRs, die jeweils 15 bis 100 Mikroliter fassen, Werte knapp unter einem Kubikmillimeter Wasser. Ungefähr hundert Nanogramm DNA-Base werden verwendet.
Taq-Polymerase, der Schlüsselinhaltsstoff für eine Polymerase-Kettenreaktion, wird aus einem in der Tiefsee lebenden Bakterium Thermus aquaticus extrahiert. Es funktioniert gut zum Kopieren, aber nicht perfekt, da es etwa alle 8 Millionen Basenpaare einen Fehler macht. Vor der Taq-Polymerase wurden andere Polymerasen verwendet, aber viele von ihnen zerfielen bei den notwendigen Temperaturen, um die Reaktion zu starten. Der Erhitzungszyklus ist kompliziert, umfasst jedoch Temperaturen, die kurzzeitig fast bis zum Siedepunkt reichen, daher ist eine Haltbarkeit in der Polymerase unerlässlich.
Die grundlegenden Schritte der PCR sind wie folgt. Alle Zutaten werden in einem kleinen Fläschchen zusammengemischt, normalerweise mit einem Volumen von 200 Mikrogramm. Die Mischung wird bis nahe am Siedepunkt erhitzt, um die Wasserstoffbrückenbindungen in der paarsträngigen DNA zu brechen, wodurch Einzelstränge entstehen, die für das Kopieren anfällig sind. Dies wird Denaturierung genannt. Je länger der zu kopierende Strang, desto länger dauert der Denaturierungsprozess.
Der nächste Schritt in der Polymerase-Kettenreaktion wird Annealing genannt. Die Primer, bei denen es sich um maßgeschneiderte kurze DNA-Stränge handelt, wurden speziell entwickelt, um an Stellen am Anfang und am Ende des zu kopierenden Segments zu binden. Wenn die Primer falsch entworfen sind oder die Temperatur in diesem Stadium falsch ist, bindet der Primer zufällig an die DNA, was zu einer falschen Segmentkopie führt. Die meisten Primer schmelzen bei etwa zwei Dritteln bis zum Siedepunkt, und das Tempern, ein 1-2-minütiger Prozess, findet bei einigen Grad darunter statt.
Die letzten Schritte in der PCR werden Extension und Final Extension genannt. Hier passiert die Magie. Die Polymerase kopiert das DNA-Segment schnell und erstellt in wenigen Minuten Millionen und Abermillionen Kopien. Normalerweise besteht ein Zyklus aus allen vorherigen Schritten, die etwa zwanzig- oder dreißigmal wiederholt werden.
Das Ergebnis ist ein Haufen kopierter DNA. Polymerase-Kettenreaktionen haben eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Vaterschaftstests, Feststellung des Vorhandenseins oder Fehlens eines genetischen Defekts oder einer viralen DNA, Klonen eines Gens, Einführen spezifischer Mutationen, Analyse der DNA ausgestorbener Arten oder toter Personen, „genetischer Fingerabdruck“ bei der Tatort und mehr.