Kỹ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction – chuỗi phản ứng trùng hợp) đƣợc Karl Mullis và cộng sự mô tả đầu tiên vào năm 1985. Đây là kỹ thuật in vitro tƣơng đối đơn giản, cho phép nhân một số lƣợng không giới hạn nguyên bản một đoạn DNA nhất định trong một khoảng thời gian ngắn, nhờ sự xúc tác của DNA polymerase. Tất cả các DNA polymerase khi hoạt động tổng hợp một đoạn DNA mới từ mạch khuôn đều cần sự có mặt của những mồi đặc hiệu. Mồi là những đoạn DNA ngắn có khả năng bắt cặp bổ sung với một đầu của mạch khuôn và DNA polymerase sẽ nối dài mồi để hình thành mạch mới. Quá trình nhân bản bằng enzym này bao gồm 3 bƣớc đƣợc lặp lại nhiều lần:
1> Biến tính (denaturation): DNA từ dạng sợi kép thành dạng sợi đơn bằng cách nâng cao nhiệt độ lên 94-95o
C trong khoảng thời gian từ 0,5- 1 phút.
2> Lai (hybridization): Nhiệt độ đƣợc hạ thấp (thấp hơn Tm của các mồi) cho phép các mồi bắt cặp với khuôn; trong thực nghiệm, nhiệt độ này dao động trong khoảng 40o
C – 70oC, tùy thuộc Tm của các mồi sử dụng và kéo dài từ 0,5- 1 phút. 3> Kéo dài (elongation): Phản ứng polymerase tổng hợp phân tử DNA kéo dài từ đoạn mồi. Hai phân tử DNA mới đƣợc tổng hợp theo nguyên tắc bổ sung từ hai đầu phân tử khuôn ban đầu. Thời gian kéo dài từ 30 giây đến vài phút. Để tránh hiện tƣợng bắt cặp không đặc thù, phản ứng thƣờng đƣợc thực hiện ở 72o
C.
Loại polymerase dùng trong PCR là loại chịu nhiệt, ví dụ nhƣ Taq- polymerase đƣợc tách triết từ vi khuẩn Thermus aquaticus, một loại vi khuẩn đƣợc phân lập từ suối nƣớc nóng. Hiện nay, enzym này chủ yếu đƣợc tổng hợp theo con đƣờng tái tổ hợp. Sau mỗi chu kỳ phản ứng lƣợng DNA cần nhân bản sẽ tăng gấp đôi, với N sợi khuôn ban đầu sau n chu kỳ sẽ có N*2n
sợi DNA đƣợc tạo ra. Ví dụ, sau khoảng 20 chu kỳ, có khoảng 30 triệu bản đƣợc tạo ra từ một sợi khuôn ban đầu.