PCR的缔造者:可爱而又鲁莽的卡里▪穆利斯

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-17

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  什么是科学?科学是探索未知,发现真理,发展先进,进而改造世界。什么是科学家?科学家是对自然,生命,环境,现象进行探索,实践,定义的贡献者。是不是觉得科学是一项神圣的事业,科学家更是一群可望而不可即的存在者,他们似乎不食人间烟火,他们的生活中似乎只有纳米生物之类的顶尖科研。科学家们大多都具有坚定的信念,执着的追求,过人的毅力,大多数科学家在他们做出重大发现之前,必须经受长时间的训练,这似乎才符合常理。但是,在时代的变迁中,我们逐渐发现科学并不是云端的宝石,不可触及,科学家并不都是一板一眼,难以接触。所以,今天我们就来聊一聊使生物学跨入了一个新时代的发明——PCR和它的缔造者卡里·穆利斯博士,一位不走寻常路的可爱而又鲁莽的科学家。

遗传工程革命的开创者:卡里·穆利斯

  卡里·穆利斯博士因为发明了聚合酶链反应(简称PCR),使得人们能够从化学上而不是从细菌上对DNA进行扩增和分析,改变了分子生物学研究的传统法式,从而获得了1993年的诺贝尔化学奖。卡里·穆利斯于1944年出生于北卡罗利纳的勒努瓦,后来在南卡罗利纳长大。穆利斯就读于乔治亚技术学院和伯克利的加利福尼亚大学,在这里他成为了一名化学家,在获得博士学位不久,当所有人都认为他应当待在实验室里努力学习搞科研创作时,他则选择了与众不同的道路。在博士学位之后,他就脱离了科学研究,离开了科学家们通常要走的路,他先是写科幻小说,然后经营了两年的面包店,这样的生活一直持续到他的朋友托马斯·吉·怀特介绍他到最初在旧金山的加利福尼亚大学,然后是在加利福尼亚的埃默里维莱的塞图斯公司——最初的生物技术公司之一从事科研工作,从此,穆利斯的人生开始有了巨大的转折……

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图一卡里·穆利斯

  在穆利斯博士的生活里,从事科学研究只是他的兴趣之一,这一点在穆利斯博士身上从未改变。穆利斯有着很多兴趣,比如写作,“我喜欢写有关生物学方面的东西,但我不喜欢从事这方面的研究,我喜欢围绕着做实验来写科幻小说”;比如演讲,“我喜欢麦克风,喜欢有一大群人;我想我是一个表演者”,而且穆利斯的演讲内容也十分抢眼,让人震惊,他曾说“科学家们以帮助这个世界为由,正在对这个世界做着大量可怕的伤害。我不在乎攻击我的同行们,因为我为他们所做的感到羞耻”。他也曾经做过很多让人觉得很出格的事情,比如,当他去斯德哥尔摩接受诺贝尔奖时,他差一点因为用激光束从旅店的窗子照射过路的行人而被捕,多么荒唐可笑的事!这种小孩子才会干的幼稚之事竟然会发生在一个诺贝尔奖得主身上,穆利斯的特立独行也给他带来过不少麻烦,以至于他身边的很多好友离他而去,但是穆利斯并不引以为然,他继续进行着独立而又大胆的思考,过着自己的生活,不得不说,在穆利斯博士的生活中,事实和娱乐是很难区分的,由于他的“不务正业”,第一篇有关于PCR的文章是由塞基博士以及其他参与PCR研究的科学家们共同发表的,因此许多科学家曾公开指责他的“玩忽职守”。可是没有人能够否定他的才华,怀特博士就曾盛赞穆利斯丰富的智慧,也曾这样评价穆利斯博士:“他是一个爱挑剔的人,不仅对他的配偶是这样,对他的朋友也是这样,在极端可爱的同时,他也可能是极端鲁莽的”。

  PCR的诞生

  在了解过卡里·穆利斯本人后将更有助于我们对于穆利斯博士科研成果的了解。众所周知,穆利斯之所以可以拿到1993年的诺贝尔化学奖,是因为他发明了聚合酶链反应(简称PCR)。任何伟大发明都离不开科学家们的奇思妙想,穆利斯曾这样描述自己怎样产生了PCR的想法。在1983年的一个晚上,当穆利斯驾车行驶在128高速公路上回他在安德森峡谷的小屋时,在他的脑海里,他正在想一种可以扩增任何一种选择性DNA片段的方法,还没来得及到家,他就开始将这一想法记录下来,此时,他就已经感觉到了一些诺贝尔的意味了。

  那么,到底聚合酶链反应是一个怎样的反应?为什么可以让一个科学家一举拿下诺贝尔奖呢?这个我们就要深入了解PCR背后的专业知识了。

  基因工程的基础:PCR

  烟草中含有的尼古丁是人类健康的杀手,但是科学家们设想将能够生产药物蛋白的基因导入烟草中,这样烟草就可以变成批量生产药物蛋白的工厂,这一设想曾经被当做天方夜谭的神话,然而随着20世纪70年代初兴起的高新科技——基因工程的发展,让我们再次认识到一切皆有可能!基因工程是按照人们愿望,进行严格的设计,并通过体外DNA重组和转基因等技术,赋予生物以新的遗传特性,从而创造出更符合人们需要的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的,因此又叫做DNA重组技术。也就是说,基因工程的基础物质就是DNA,基因工程中的所有操作都是DNA操作,所以DNA扩增是必须的第一步,没有足够的实验材料去操作,分析也就无从开始。在PCR发明之前,科学家们扩增选择性DNA片段的唯一方法是将需要扩增的DNA片段剪接在细菌的染色体上,之后随着细菌染色体的复制而复制,最后就可以提取到所需要的DNA片段,这是一个需要花费几周时间的费力工作,聚合酶链式反应(PCR)的发明则大大减少了时间的花费,用PCR的方法,扩增DNA只需几个小时,而且,PCR将扩增过程从不可靠细菌的内部结构转变成在一个试管中进行的单纯确定的化学反应。

  PCR的原理和做法并不复杂,它是利用DNA双链复制的原理,将基因的核苷酸序列不断地加以复制,使其数量呈指数方式增加。PCR技术主要分为四个步骤:DNA变性,退火,延伸,循环。

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PCR反应原理示意图

        1. 反应准备

  PCR反应五要素:引物,模板DNA,游离的脱氧核苷酸,热稳定DNA聚合酶(Taq酶),稳定的pH环境。

  PCR反应的进行离不开这五个物质的准备,其中热稳定DNA聚合酶是PCR技术的关键,它是DNA复制的细胞生物学机器,DNA聚合酶在高温时会失活每次循环都得加入新的DNA聚合酶,操作烦琐,价格昂贵,制约了PCR技术的应用和发展。热稳定DNA聚合酶Taq酶的发现对于PCR的应用有里程碑的意义,该酶可以耐受90以上的高温而不失活,不需要每个循环加酶,使PCR技术变得非常简捷也大大降低了成本,PCR技术从而得以大量应用。这种酶要求一个短的DNA双链作为起点,这一短的DNA片段就是引物,引物要求与待扩增的DNA片段(即模板DNA)的始点互补。

        2. DNA变性

  模板DNA加热至90-95℃双链解旋变为两条单链,从而便于与引物结合,为接下来的反应步骤做准备。

         3. 退火复性

  模板DNA经加热变性成单链后,温度冷却至55-60℃,使引物与模板DNA单链的互补序列配对结合准备开始延伸

        4. 引物的延伸

  引物结合到互补DNA链后,重新加热至70-75℃,在热稳定DNA聚合酶的作用下,以四种脱氧核苷酸为原料,互补DNA为模板,碱基互补配对与半保留复制原理,合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链很快两条单链DNA就得到了复制。

        5. 重复循环

  重复循环变性--退火--延伸三过程就可获得更多的“半保留复制链”,而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需2~4分钟,每次循环DNA就增加一倍,几个小时内就可以增加上亿倍。

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  图三:循环示意图

  以上便是PCR技术的全部过程,他可以在PCR扩增仪里面实现,由于系统内所有的成分都是热稳定的,整个过程可以自动化:加入各种成分,打开开关,扩增的DNA出来,穆利斯博士发明的这个程序让人们惊叹,PCR使人们能够从化学上而不是细菌上对DNA进行扩增和分析,改变了分子生物研究的传统方法,实现基因工程的一次巨大飞跃,穆利斯博士的诺贝尔奖是当之无愧的!

  卡里·穆利斯是一个才华横溢的天才科学家,是一个科学界怪人,同时他也是一个作家,一个演说家,他不是一个高科技意义上的实验家,而是一个魔术师意义上的实验家,他发明的PCR使生物学跨入一个新时代。但是奇怪的是,作为生物化学家,穆利斯博士相信灵魂和投胎之类的说法,这似乎让人捉摸不透,可是正因为穆利斯的敢想,敢说,敢做,才让世人见到了一个可爱而又鲁莽的科学家,也使自己成为一个与众不同的科学界的传奇人物!

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