La réaction en chaîne par polymérase (PCR) utilise des enzymes pour répliquer en masse une partie d’un brin d’acide désoxyribonucléique (ADN) pour une analyse plus facile, telle que la recherche de gènes d’intérêt. Comme la réaction nucléaire en chaîne, la réaction en chaîne de la polymérase est un processus exponentiel qui se déroule tant que les matières premières pour entretenir la réaction sont disponibles. Contrairement à la réplication de l’ADN dans le monde naturel, la PCR ne peut répliquer que des morceaux d’ADN assez petits, avec un plafond supérieur d’environ 2-3 kilo paires de bases (kb). Il utilise des enzymes inanimées pour accomplir son effet de réplication, ce qui le distingue des autres approches de copie qui utilisent des organismes actifs.
Une réaction en chaîne par polymérase moderne nécessite six composants de base pour fonctionner : le segment d’ADN à copier, des amorces pour délimiter le segment, la Taq polymérase pour effectuer la copie, des nucléotides d’ADN pour servir de matière première, un environnement tampon chimique et une machine appelée cycliste. Le thermocycleur contient souvent plusieurs tubes à essai avec plusieurs PCR, chacun contenant 15 à 100 microlitres, des valeurs d’un peu moins d’un millimètre cube d’eau. Une centaine de nanogrammes de base d’ADN sont utilisés.
La Taq polymérase, l’ingrédient clé d’une réaction en chaîne par polymérase, est extraite d’une bactérie vivant dans les eaux thermales, Thermus aquaticus. Cela fonctionne bien pour la copie, mais pas parfaitement, faisant une erreur environ une fois tous les 8 millions de paires de bases. Avant la Taq polymérase, d’autres polymérases étaient utilisées, mais nombre d’entre elles se dégradaient aux températures nécessaires au démarrage de la réaction. Le cycle de chauffage est compliqué, mais comprend des températures allant brièvement presque jusqu’au point d’ébullition, de sorte que la durabilité de la polymérase est essentielle.
Les étapes de base de la PCR sont les suivantes. Tous les ingrédients sont mélangés dans un petit flacon, généralement d’un volume de 200 microgrammes. Le mélange est chauffé à près du point d’ébullition pour rompre les liaisons hydrogène dans l’ADN à deux brins, créant des brins simples susceptibles de se copier. C’est ce qu’on appelle la dénaturation. Plus le brin à copier est long, plus le processus de dénaturation dure longtemps.
L’étape suivante de la réaction en chaîne par polymérase est appelée recuit. Les amorces, qui sont des brins d’ADN courts sur mesure, sont conçues spécifiquement pour se lier aux sites au début et à la fin du segment à copier. Si les amorces sont mal conçues ou si la température à ce stade est incorrecte, l’amorce se liera de manière aléatoire à l’ADN, ce qui entraînera la mauvaise copie du segment. La plupart des amorces fondent à environ les deux tiers du point d’ébullition, et le recuit, un processus de 1 à 2 minutes, a lieu à quelques degrés en dessous.
Les dernières étapes de la PCR sont appelées extension et extension finale. C’est là que la magie opère. La polymérase copie rapidement le segment d’ADN, créant des millions et des millions de copies en quelques minutes. Habituellement, un cycle se compose de toutes les étapes précédentes, répétées environ vingt ou trente fois.
Le résultat est un tas d’ADN copié. Les réactions en chaîne par polymérase ont diverses utilisations, notamment les tests de paternité, la détermination de la présence ou de l’absence d’un défaut génétique ou d’ADN viral, le clonage d’un gène, l’introduction de mutations spécifiques, l’analyse de l’ADN d’espèces éteintes ou de personnes décédées, les empreintes génétiques au scène de crime, et plus encore.