Podstawy polimerazowej reakcji łańcuchowej PCR

Odkrywcami metody PCR byli Kary Mullis i Randall Saiki. Mullis za jej odkrycie otrzymał  nagrodę Nobla.

Reakcja replikacji katalizowana przez biokatalizator, jakim jest polimeraza, polega na przyłączaniu wolnych nukleotydów do jednoniciowej struktury łańcucha DNA. Od określonego końca zwanego 3’ w kierunku końca 5’ do istniejącej nici będącej nicią matrycową są dołączane - na zasadzie komplementarności - trójfosforany nukleotydów nukleotydów i po połączeniu z matrycą i wzajemnie ze sobą tworzy się typowa struktura dwuniciowego DNA. Dzięki metodzie PCR powielany jest fragment DNA, który w początkowym etapie znajduje się jedynie w jednej kopii. Selektywność tej metody powinna doprowadzić do sytuacji, gdzie po okresie amplifikacji fragment DNA, który stanowił na początku mniej niż jedną milionową część z całości DNA, zostaje namnożony selektywnie tak, że jego zawartość wzrasta do 98 i więcej procent. 

Podstawową kwestią jest enzym umożliwiający naśladowanie naturalnej amplifikacji w warunkach in vitro. Wykorzystano tu naturalną właściwość polimerazy DNA, która w sprzyjających okolicznościach naprawia ubytki i syntetyzuje nowe nici na matrycy starych.

Aby cząsteczkę DNA poddać procesowi amplifikacji potrzebne są startery. Te krótkie, jednoniciowe łańcuchy nukleotydowe są tak dobrane by komplementarnie hybrydyzowały z fragmentami DNA na obu niciach matrycowych. Są one niezbędne by polimeraza podjęła proces replikacji, jednak by możliwe było połączenie nici matrycowej i starterów temperatura nie może osiągać wartości powyżej 60°C. Reakcja PCR przebiega przy ich nadmiarze by zawsze wszystkie nici DNA stawały się odpowiednimi matrycami dla polimerazy. Są one ściśle komplementarne do sekwencji leżących po obu jego stronach. Służą do odnalezienia szukanego fragmentu DNA przez polimerazę DNA.  Denaturacja DNA wymaga innej temperatury, przyłączenie primerów wymaga innej natomiast elongacja jeszcze innej. Tak, więc w procesie PCR następują po sobie cykliczne zmiany temperatur wynikające z cykliczności zachodzących reakcji. 

Reakcje wchodzące w skład cyklu to; wspomniana denaturacja DNA, hybrydyzacja primerów i elongacja, czyli synteza nici potomnej na matrycowej. Substratami tej reakcji są trójfosforany deoksynukleotydów, dNTP, będące substratami reakcji i dostarczającymi energię do jej przebiegu. Są to dATP, dCTP, dGTP i dTTP. Po skończonym cyklu rozpoczyna się kolejny w celu rozplecenia powstałej struktury dsDNA. Cykle takie powtarzają się wielokrotnie. Teoretycznie po n cyklach otrzymuje się 2 do potęgi n, dwuniciowych cząsteczek DNA, czyli ich ilość wzrasta logarytmicznie.