前言
一滴殘留在裙子上的精液使得美國總統Bill Clinton不得不坦承他與白宮實習生有不正當的關系。因為他知道現在的生物科技就連一個精子也能被用來做為證據。這種將極微量的生物標本化為可供鑒定的現代技術正是PCR(Polymerase chain reaction)--聚合酶鏈式反應具有的特色之一。這也是分子生物醫學令人震撼的一例。
何謂PCR
簡單的說，PCR就是利用DNA聚合酶對特定基因做體外或試管內 (In Vitro) 的大量合成。基本上它是利用DNA聚合酶進行專一性的連鎖復制.目前常用的技術,可以將一段基因復制為原來的一百億至一千億倍。
PCR的要素
基本的PCR須具備１.要被復制的DNA模板 (Template) ２.界定復制范圍兩端的引物(Primers). ３.DNA聚合酶 (Taq. Polymearse) 4.合成的原料及水。PCR的反應包括三個主要步驟，分別是1). Denaturation 2). Annealing of primers, and 3). Extension of primers。 所謂 Denaturing乃是將DNA加熱變性， 將雙股的DNA加熱后轉為單股DNA以做為復制的模板. 而Annealing 則是令 Primers于一定的溫度下附著于模板DNA兩端。 最后在DNA聚合酶 (e.g. Taq-polymerase) 的作用下進行引物的延長 (Extension of primers)及另一股的合成。
PCR的歷史
PCR的發展可以說是從DNA合成酵素的發現緣起。DNA合成酵素最早于1955年發現 (DNA polymerase I), 而較具有實驗價值及可得性的Klenow fragment of E. Coli 則是于70年代的初期由Dr. H. Klenow 所發現, 但由于這個酵素是一種易被熱所破壞之酵素, 因此不符合一連串的高溫連鎖反應所需。現今所使用的酵素 (簡稱 Taq polymerase), 則是于1976年從熱泉 Hot spring中的細菌(Thermus Aquaticus) 分離出來的。 它的特性就在于能耐高溫，是一個很理想的酵素，但它被廣泛運用則于80年代之后。PCR的原始雛形概念是類似基因修復復制 (DNA repair replication)，它是于1971年由 Dr. Kjell Kleppe 提出。他發表第一個單純且短暫性基因復制 (類似PCR前兩個周期反應) 的實驗。 而現今所發展出來的PCR則于1983由 Dr. Kary B. Mullis發展出的，Dr. Mullis當年服務于一家物科技研究公司 (Perkin-Elmer Cetus Corporation). 目前這家公司在PCR的相關儀器及原料上占有很大的巿場。Dr.Mullis 并于1985年與 Saiki 等人正式表了第一篇相關的論文。此后，PCR的運用一日千里，相關的論文發表質量可以說是令眾多其它研究方法難望其項背。在 1989 年，Science 將PCR中的DNA合成酵素命名為當年的風云分子 (Molecule of the year)，而PCR本身則列為年度的重要科學發明產物。當然，它的原發明者更在往后獲得諾貝爾的桂冠。
影響PCR的因素
PCR是非常直接、簡單又具有強大威力的技術。誠如一位當年參與PCR誕生的資深研究員Henry Erlich所言”在分子生物學的領域中，只要擁有它，你便可以無照營業”(PCR allows people to practice molecular biology without a liscence)。也因此，活用及慎用PCR是確保一定品質的必要條件。PCR本身雖然是一個單純的實驗技術，但是一個好的PCR反應及其產物則是受到很多因素的影響。這些因素色括反應中各種原料的濃度 (Taq. Polymerase, primers, dNTPs, MgCl2…)，也包括整個反應中各步驟的溫度與時間的設定。當然DNA模板(Template) 與 引物 (Primers) 本身條件也占有一定的重要性。近來的觀念中，共溶劑諸如 Dimethyl sulfoxide (DSMO)、glycerol、Foramide and Tetramethylammonium chloride (TMAC) 也對整個反應產生若干重要的影響。
PCR的運用
PCR除了是一個診斷工具外，更重要的是它有廣泛的運用。PCR本身可直接用來鑒定特定基因的存在與否，也可以用來偵測基因是否有異常 (Gene mutation, deletion, and rearrangement…)。例如，在醫學上對遺傳疾病或腫瘤癌癥的診斷及預后的評估； 對細菌、病毒及霉菌感染的診斷。它也可成為一個生產線進而大量復制特定的基因進行基因密碼的讀取 (DNA sequencing) 及其它的運用。舉凡對生物標本及法醫學上的樣本鑒定，從單一毛發、一只精蟲或一滴血液、唾液來找出兇手。 也可以做DNA指紋 (Fingerprints) 比對幫助親子關系的鑒定。PCR更可以用于器官移植組織兼容性HLA的分析。另外在演化上的分析，經由PCR的運用也產生重大的進展。近來，在生物醫學的研究上，特別是細胞間訊息的傳遞分子，諸如介白質 (Interleukines) 及各種生長因子 (Growth factors) 基因的表現都可用PCR來進行質與量的分析。
PCR污染及解決對策
PCR檢測微量感染因子時，一定要注意產物殘留污染的問題。