Phương pháp PCR (polymerase chain reaction-phản ứng tổng hợp dây chuyền nhờ polymease) là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực Sinh học phân tử. Phương pháp này do Kary Mullis phát minh vào năm 1985 và được giới thiệu lần đầu tiên tại Hội thảo lần thứ 51 ở Cold Spring Harbor vào năm 1986 và ông đã nhận được giải thưởng Nobel Hoá sinh học vào năm 1993.
Phương pháp PCR cho phép tổng hợp rất nhanh và chính xác từng đoạn DNA riêng biệt. Ðây thực sự là phương pháp hiện đại và thuận tiện cho việc xác định sự có mặt của một gen nào đó trong tế bào với độ chính xác cao.
Phương pháp này dựa trên sự khám phá hoạt tính sinh học ở nhiệt độ cao của DNA polymerase được tìm thấy trong các sinh vật ưa nhiệt (vi khuẩn sống trong các suối nước nóng). Phần lớn các DNA polymerase chỉ làm việc ở nhiệt độ thấp. Nhưng ở nhiệt độ thấp, DNA xoắn chặt vì vậy DNA polymerase không có nhiều khả năng làm biến tính phần lớn các phần của phân tử. Nhưng các polymerase chịu nhiệt này hoạt động ở nhiệt độ rất cao, có thể lên đến 100oC. Ở nhiệt độ này DNA (dạng thẳng) sẽ bị biến tính.
Các thành phần chủ yếu của phản ứng PCR
DNA mẫu (DNA template)
Ðây là mẫu DNA sinh học mà chúng ta muốn khuyếch đại. Phản ứng PCR tối ưu xảy ra trên DNA thật tinh sạch nhưng phản ứng PCR vẫn cho kết quả tốt với DNA thu nhận trực tiếp từ dịch chiết tế bào. Lượng mẫu DNA sử dụng có khuynh hướng giảm khi sử
dụng các enzyme DNA polymerase cho hiệu quả cao (<100ng). Lượng DNA mẫu nếu cao quá phản ứng PCR sẽ không xảy ra. PCR còn cho phép khuyếch đại cả những mẫu DNA không được bảo quản tốt, các mẫu DNA đã bị phân hủy từng phần như ở các vết máu để lâu ngày, tinh dịch đã khô, tóc, móng tay của người chết....
Mồi (primer)
Mồi là những đoạn DNA sợi đơn ngắn và cần thiết cho việc xúc tiến phản ứng dây chuyền tổng hợp DNA . Chúng nhận ra phần DNA cần được nhân lên, bắt cặp bổ sung với một đầu của DNA mẫu và tạo ra vị trí bắt đầu tái bản. Các mồi này có chiều ngược nhau, bao gồm một mồi xuôi (forward primer) và một mồi ngược (reverse primer).
Mồi là yếu tố quan trọng nhất của phản ứng PCR, quyết định hiệu quả của phản ứng. Do đó việc thiết kế mồi cần được tuân thủ một số nguyên tắc nhất định:
+ Cả hai mồi trong một phản ứng PCR phải có nhiệt độ nóng chảy (Tm) gần như nhau bởi vì chúng được ủ ở cùng một nhiệt độ.
+ Kích thước tối thiểu của mồi là 18 base (thông thường là 18-24 base) để quá trình lai xảy ra tốt hơn.
+ Mồi phải đặc hiệu có nghĩa là nó phải đặc trưng cho trình tự DNA cần được khuyếch đại, một mồi chỉ bám vào một vị trí nhất định trên gen.
+ Không có nút cài tóc (hairpin loop): trong mỗi một mồi cần tránh trình tự đối xứng bậc hai (palindromic sequences) có thể làm tăng cấu trúc sợi bên trong ổn định do đó hạn chế việc mồi bám vào DNA mẫu .
Sự hình thành nút cài tóc do mồi chứa trình tự đối xứng bậc hai
+ Tránh sự bổ sung giữa hai mồi: sự bổ sung giữa hai mồi sẽ làm tăng sản phẩm primer dimer .
+ Trật tự các base cũng ảnh hưởng đến sự ổn định việc bám của mồi dưới nhiệt độ cao. Hai trong ba base ở đầu 3’ của mồi nên là G hoặc C, vì G và C có 3 liên kết hydro do đó sự polymer hoá sẽ tốt hơn.
+ Khoảng cách tối ưu giữa hai mồi: đây là một ứng dụng rất đặc trưng, nhưng đối với phần lớn các thử nghiệm PCR chẩn đoán, tốt nhất khoảng cách giữa hai mồi khi đã bám vào DNA khuôn là 150-500 base.
Enzyme polymerase chịu nhiệt
Vào thập niên 1960, nhà Vi sinh vật học Thomas Brock đã đến Công viên Quốc gia Yellowstone (Bang Wyoming, Mỹ) để nghiên cứu các vi sinh vật ưa nhiệt sống trong suối nước nóng 80-95 oC. Ông đã phát hiện một loài vi khuẩn phát triển mạnh ở nhiệt độ cao, có tên là Thermus aquaticus. Hai mươi năm sau, các nhà khoa học của tập đoàn Cetus (Tập đoàn Công nghệ Sinh học California) đã nhận thấy rằng DNA polymerase từ Thermus aquaticus (Tag-polymerase) có khả năng giải quyết vấn đề của enzyme biến tính sau mỗi chu kỳ. DNA polymerase chịu nhiệt sử dụng cho phản ứng PCR lần đầu tiên được bán trên thị trường là Tag-polymerase.
Từ đó đến nay, một số vi sinh vật chịu nhiệt khác đã được khám phá và người ta đã tách chiết thêm được các DNA polymerase chịu nhiệt để sử dụng cho phản ứng PCR như Vent- polymerase (Tli-polymerase), Pfu- polymerase, rTth...Các hoạt tính của chúng được trình bày ở bảng dưới đây.
Các loại nucleotid
Trong phản ứng PCR, bốn loại nucleotid thường được sử dụng ở dạng deoxynucleotid: dATP, dCTP, dGTP, dTTP với nồng độ cân bằng trong một phản ứng (200μM/loại nucleotid).
Nước
Nước sử dụng cho phản ứng PCR phải thật tinh khiết, không chứa ion nào, không chứa DNAase, RNAase, enzyme cắt hạn chế... Nói cách khác là không chứa bất kỳ một thành phần nào khác.
Dung dịch đệm
Dung dịch đệm 10X (100mM KCl, 100mM (NH4)2SO4, 200mM Tris-Cl pH 8.8, 20mM MgSO4, 1% (w/v) Triton X-100)
Ion Mg2+
Nồng độ ion Mg2+ cũng là một yếu tố ảnh hưởng mạnh đến phản ứng PCR và nó tuỳ thuộc vào từng phản ứng. Nồng độ ion Mg2+ tối ưu là 150-200 μM. Người ta thấy rằng nếu nồng độ DNA quá cao thì enzyme polymerase sẽ gây ra nhiều lỗi hơn.
Ba giai đoạn trong một chu kỳ của phản ứng PCR
Có 3 giai đoạn chính trong phản ứng PCR và chúng được lặp đi lặp lại nhiều lần (chu kỳ) (thường từ 25 đến 75 chu kỳ).
Giai đoạn biến tính (denaturation)
Trong giai đoạn này phân tử DNA mẫu bị biến tính ở nhiệt độ cao (thường là từ 94-95 oC, lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của phân tử) trong vòng 30 giây đến 1 phút, tất cả các liên kết hydro giưã hai mạch của phân tử bị bẻ gãy và tạo thành các DNA sợi đơn.
Giai đoạn lai (hybridization)
Nhiệt độ được hạ thấp ( thường từ 40-70 oC, thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của mồi được sử dụng khoảng từ 3-5 oC) cho phép các mồi bám vào các phân tử DNA sợi đơn, đánh dấu phần DNA cần được khuyếch đại. Giai đoạn này kéo dài từ 30 giây đến một phút (còn được gọi là giai đoạn ủ).
Nếu nhiệt độ quá thấp thì các mồi sẽ gây nên nhiều lỗi và kết quả là sẽ tạo nên nhiều sản phẩm phụ. Nếu nhiệt độ quá cao thì phản ứng sẽ không có kết quả.
Công thức để xác định nhiệt độ nóng chảy (Tm) một cách tương đối là Tm=4(G+C) + 2(A+T)
Giai đoạn kéo dài (elongation)
Nhiệt độ được tăng lên đến 72oC giúp cho DNA polymerase xúc tác tổng hợp DNA tốt nhất. Công việc của DNA polymerase là di chuyển dọc theo DNA sợi đơn và sử dụng nó làm khuôn để tổng hợp sợi DNA mới bổ sung với DNA mẫu bằng cách kéo dài các phần đã được đánh dấu bởi các mồi. Thời gian của giai đoạn này phụ thuộc vào kích thước của DNA mẫu, thường kéo dài từ 30 giây đến nhiều phút.
Ðồ thị biễu diễn mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ trong một chu kày của phản ứng PCR
Ở giai đoạn này của chu kỳ cuối cùng, thời gian được tăng thêm vài phút để các sợi DNA chưa được sao chép xong hoàn thành qúa trình tổng hợp.
Sau mỗi chu kỳ, số bản sao của DNA mẫu lại được tăng gấp đôi. Ðây là sự nhân bản theo cấp số nhân. Như vậy cứ 1 phân tử DNA mẫu, sau phản ứng PCR với n chu kỳ sẽ tạo thành 2n bản sao phân tử DNA
Ưu điểm của phương pháp PCR là chỉ cần một thời gian ngắn đã cho một số lượng DNA theo mong muốn.
Sản phẩm của phản ứng PCR được phân tách trên gel agarose đã nhuộm ethimidium bromide và quan sát dưới máy chiếu tia UV.
Phản ứng PCR với lượng sản phẩm tăng theo cấp số nhân
Phương pháp RT-PCR
Taq-polymerase không có hoạt tính với RNA vì vậy phản ứng PCR không thể sử dụng để khuyếch đại RNA một cách trực tiếp. Tuy nhiên có thể sử dụng kết hợp enzyme sao chép ngược (reverse transcriptase-RT) với PCR để khuyếch đại RNA. Phản ứng này sử dụng khả năng của enzyme sao chép ngược để sao chép RNA thành DNA bổ sung sợi đơn và từ DNA bổ sung sợi đơn thành DNA bổ sung sợi kép. Sau đó DNA bổ sung sợi kép sẽ được khuyếch đại nhờ Taq-polymerase.
Sản phẩm của phản ứng RT-PCR là các phân tử DNA sợi kép tương ứng với phân tử RNA khuôn mẫu. RNA tế bào tổng số tách chiết từ mô hoặc tế bào được sử dụng làm khuôn mẫu cho phản ứng sao chép ngược.
Ưu điểm của phương pháp này là cho phép nghiên cứu các mRNA với hàm lượng rất thấp mà các phương pháp như Northern blot... không thể thực hiện được.
PCR được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tạo dòng phân tử, kỹ thuật di truyền, phát hiện chẩn đoán các bệnh (do virus, vi khuẩn, ký sinh trùng...) cho kết quả rất chính xác, di truyền học để sản xuất các marker phân tử, nghiên cứu sự phát sinh các đột biến..., đấu tranh chống tội phạm, nghiên cứu phát hiện mối quan hệ giữa người chết với người sống hoặc giữa các nhóm dân tộc... Mặt khác, việc phân tích trình tự và thành phần nucleotid của DNA có giá trị rất lớn trong việc định loại các loài sinh vật.