Как работает ПЦР. Патент US4683195A⁠⁠

ПЦР - это метод размножения копий ДНК. Делается это так.

В пробирку с реактивами добавляют очень маленькое количество (нанограммы) ДНК. Затем пробирку нагревают, охлаждают, нагревают, охлаждают ... и так раз 30. При каждом нагревании-охлаждении каждая молекула ДНК превращается в две копии. В результате общее количество копий растет в геометрической прогрессии 1 -> 2 -> 4 -> 8 -> 16 -> 32 ...

Основная работа по копированию ДНК делается молекулярной машинкой под названием "ДНК-полимераза". В момент нагрева двойная цепь ДНК разваливается на одиночные цепочки и из одной молекулы получается две одноцепочечные. При охлаждении ДНК-полимераза цепляется к одноцепочечным молекулам и "ремонтирует" их, восстанавливая вторую цепь. Получаются 2 молекулы из одной исходной.

Очень важной особенностью ДНК-полимеразы является то, что она не может прицепиться к цепочке ДНК в любом месте. Это должен быть участок частично "отремонтированный". Поэтому в пробирку добавляют короткие одноцепочечные ДНК (ПРАЙМЕРЫ), которые при охлаждении первыми соединяются с копируемой ДНК, образуя маленький участок двойной цепи. Вот к этому участку и цепляется ДНК-полимераза, чтобы отремонтировать всю молекулу.

Благодаря такой особенности ПЦР "нацеливают" на определенную ДНК с помощью праймеров. Чтобы понять, как это делается, нужно вспомнить, что ДНК - это цепочка звеньев (оснований) - A, G, T, C. Их последовательность может быть любой. Однако чтобы две цепочки соединились в одну двойную они должны быть "комплементарны", т.е. "A" в одной цепочки должна быть напротив "T" в другой, а "G" напротив "С". Вот как-то так

...A-T-G-C-G-T-A-G-C-T-A-T-T-T...

...T-A-C-G-C-A-T-C-G-A-T-A-A-A...

Дизайнеры праймеров находят короткий, уникальный участок ДНК (букв 20) и синтезируют комплементарную последовательность "букв". Если все сделано правильно то, такой праймер соединяется только с нужной ДНК в момент цикла охлаждения и запускает процесс копирования. А все ДНК, не имеющие подходящего для праймера участка, не будут участвовать в копировании.

ПЦР и дизайн праймеров - основа огромного количества изобретений.

Можно, например, сделать праймер к вирусу COVID-19 и тогда получится тот самый ПЦР тест. Если такой ПЦР создаст большое количество ДНК от пробы, взятой у человека, то значит человека болен короновирусом (у него есть вирусная ДНК).

И таким образом можно делать тест на любой вирус или бактерию!

Изобрел этот метод американский ученый Кэри Муллис, который в 1986 году зарегистрировал патент "Процесс усиления, обнаружения и/или клонирования последовательности нуклеиновой кислоты", а в 1993 получил за это Нобелевскую премию.

Вот это патент