Polymerázová reťazová reakcia

**Polymerázová reťazová reakcia** (**PCR**, z angl. ***p'''olymerase '''c'''hain '''r'''eaction'') je technika, ktorá umožňuje namnožiť určitý úsek molekuly [[DNA]]. Jej koncept vytvoril biochemik [[Kary Mullis]] v roku 1983, za čo bol v roku 1993 odmenený [[Nobelova cena|Nobelovou cenou]] za chémiu. Objav PCR významne prispel k rozvoju [[molekulárne klonovanie|molekulárneho klonovania]] a výskumu [[proteín]]ov a otvoril možnosť [[sekvenácia DNA|sekvenovať DNA]]. V medicíne sa používa na diagnostiku dedičných ochorení a detekciu infekčných chorôb, vo [[forenzná genetika|forenznej genetike]] na identifikáciu podľa DNA a tiež na určovanie otcovstva.

== Princíp ==
Princíp PCR je založený na činnosti [[DNA polymeráza|DNA polymerázy]], ktorá amplifikuje (množí) vlákno DNA v smere [[Direkcionalita (molekulárna biológia)|5'-3']]. DNA polymeráza však nedokáže syntetizovať nové vlákno DNA od začiatku, potrebuje na to tzv. [[Primér (nukleové kyseliny)|primer]], čo je krátky úsek DNA, ktorý je presne komplementárny s vláknom DNA, ktoré je potrebné amplifikovať (tzv. templátové vlákno alebo templát; porovnaj s [[replikácia DNA|replikáciou]], pri ktorej [[bunka]] používa ako primer [[RNA]]). Pre PCR sú teda potrebné dva primery (pre amplifikáciu oboch vláken dvojvláknového DNA) a je potrebné poznať sekvenciu okrajových častí amplifikovaného úseku DNA, aby bolo podľa nej možné navrhnúť a syntetizovať primery. Tie sú v praxi dlhé okolo 18 [[Báza (nukleová kyselina)|nukleových báz]]. Ich presná dĺžka sa určuje tak, aby na amplifikovanú DNA (templát) nasadali pri teplote typicky okolo 60 °C (nad touto teplotou primery disociujú). Táto teplota sa nazýva nasadacia teplota (z angl. ''annealing temperature'') a je možné ju vypočítať pomocou prediktorov, z ktorých mnohé sú zadarmo dostupné na internete. Samotná polymerácia DNA polymerázami následne prebieha pri zvýšenej teplote (typicky 72 °C), preto sú pre tieto účely vyuzívané polymerázy izolované z organizmov žijúcich v extrémnych tepelných podmienkach a deriváty týchto polymeráz. Tento cyklus sa opakuje typicky 20 – 40-krát, pričom s každým cyklom rastie množstvo reťazcov DNA exponenciálne. Na začiatku každého cyklu sa navyše reakčná zmes zohrieva na vysokú teplotu (okolo 96 °C), vďaka čomu sa vlákna templátového DNA od seba oddelia a sú v nasledujúcich krokoch prístupné ako primerom, tak aj polymeráze.

=== DNA polymeráza ===
Pre PCR sa dnes používajú geneticky upravené termostabilné DNA polymerázy, pôvodne izolované z organizmov žijúcich v extrémnych podmienkach. Prvá takáto polymeráza, ktorej geneticky upravené verzie sú dodnes používané, bola [[Taq polymeráza|''Taq'' polymeráza]], izolovaná z organizmu'' '''T'''hermus '''aq'''uaticus'' v [[Yellowstonský národný park|Yellowstonskom národnom parku]] študentkou A. Chien ako súčasť jej diplomovej práce. Ďalšie komerčne bežne dostupné DNA polymerázy sú [[Pfu polymeráza|''Pfu'' polymeráza]] (izolovaná z '' '''P'''yrococcus '''fu'''riosus''), Deep Vent a ''Vent'' polymerázy (názvy naznačujú, že boli izolované z organizmov žijúcich pri hlbokomorských prieduchoch) a mnoho ďalších. Polymerázy z triedy A nemajú 3'-5' [[Exonukleáza|exonukleázovú]] aktivitu a chýba im tak schopnosť opravovať chyby – ich chybovosť je väčšia a pri ich použití je väčšia pravdepodobnosť vzniku [[mutácia|mutácie]]. Polymerázy typu B na druhej strane 3'-5' exonukleázovú aktivitu majú a ich chybovosť je menšia (majú teda vyššiu tzv. fidelitu, teda presnosť replikácie).

=== Primery ===
Syntéza [[Oligonukleotid|oligonukleotidov]] je dnes plne automatizovaný proces. Na syntézu sa používajú deriváty deoxyribonukleotidov a ribonukleotidov, ktoré majú chránené reakčné skupiny, ktoré reagovať nemajú. Syntéza prebieha väčšinou v smere 3'-5' a 3'-koncový nukleotid je [[Kovalentná väzba|kovalentne spojený]] s pevnou fázou, ktorou sú typicky porézne sklo alebo makroporézny polystyrén.

=== Reakčný roztok ===
PCR prebieha vo vodnom roztoku. Jeho nenahraditeľnou súčasťou sú horečnaté katióny, Mg<sup>2+</sup>, typicky v koncentrácii 0,5 – 5,0 mM, ktoré sú potrebné pre aktivitu DNA polymerázy. Ďalším typickým katiónom je katión draselný, K<sup>+</sup> (35 – 100 mM).

Súčasťou roztoku často bývajú detergenty, typicky [[dimetylsulfoxid]] (DMSO), ktoré rozplietajú dvojzávitnicu DNA, zvyšujú tak nasadaciu teplotu primerov a zvyšujú reakčný výťažok. DMSO sa pridáva do PCR predovšetkým ak primery obsahujú zvýšený podiel GC párov nukleových báz.

=== Procedúra ===
Typická polymerázová reťazová reakcia môže vyzerať nasledovne:

'''1'''. Iniciácia (10 min, 96 °C) – predohriatie reakčnej zmesi na 94 – 98 °C – Krok je potrebný pri použití konkrétnych DNA polymeráz, ktoré sú extrémne termostabilné a týmto krokom sú aktivované.<br/>'''2a'''. Denaturácia (30 s, 96 °C) – počiatočný krok cyklu. Reakčná zmes je zohriata na vysokú teplotu, pri ktorej disociujú dve vlákna dvojšróbovice DNA.<br/>'''2b'''. Nasadanie (30s, 60 °C) – nasadanie primerov.<br/>'''2c'''. Polymerácia (1 min, 72 °C) – DNA polymeráza syntetizuje novú DNA v smere 5' – 3': nasadá na primery a ďalej syntetizuje podľa templátovéj DNA.<br/>Kroky 2a – 2c sa cyklicky opakujú 20 – 40-krát.<br/>'''3'''. Elongácia (10 min, 72 °C) – čas a teplota, pri ktorej má DNA polymeráza možnosť dosyntetizovať prípadné nedosyntetizované jednovláknové úseky DNA.<br/>'''4'''. Ukončenie (4 °C) – reakčná zmes sa na konci PCR reakcie schladí a pri 4 °C môže byť krátku dobu skladovaná.<br/>Po ukončení PCR sú jej produkty typicky izolované a ich správna veľkosť je overovaná pomocou agarózovej [[elektroforéza|elektroforézy]].

== Obmeny PCR ==
=== RT-PCR ===
RT-PCR, čiže polymerázová reťazová reakcia s [[Reverzná transkriptáza|reverznou transkriptázou]], je obmena PCR, pri ktorej je najprv s použitím r[[Reverzná transkriptáza|everznej transkriptázy]] prepísaná izolovaná [[RNA]] do [[Komplementárna DNA|cDNA]] (čiže komplementárnej DNA) a tá je následne templátom pre PCR reakciu, ktorá danú cDNA namnoží. Táto metóda sa využíva pri výskume RNA, konkrétne pri určovaní, aká RNA sa v bunke nachádza. RNA je výhodné prepísať do DNA a následne pracovať s DNA, pretože DNA je omnoho stabilnejšia. [[Ribonukleová kyselina|RNA]] je citlivá na [[RNAáza|RNAázy]], ktoré sú všadeprítomné.

=== qPCR ===
Kvantitatívna PCR (qPRC, z angl. ''quantitative PCR''), alebo aj PCR v reálnom čase (RT-PCR, z angl. ***r**eal-**t*'ime PCR*) je metóda, pomocou ktorej je možné presne stanoviť množstvo DNA alebo RNA (v prípade RNA je kombinovaná s PCR s reverznou transkripciou). Princíp je založený na tom, že do reakčnej zmesi sa pridáva fluorescenčné farbivo, ktoré fluoreskuje po naviazaní len na dvojvláknovú DNA. Prístroje pre qPCR, na rozdiel od klasických PCR prístrojov, sú schopné merať fluorescenciu reakčnej zmesi po prebehnutí každého cyklu. S každým cyklom je tak možné pozorovať nárast signálu. Čím je väčšie množstvo templátového DNA vo vzorke, tým skôr (pri nižšom cykle) signál prekračuje arbitrárne stanovenú prahovú hodnotu. qPCR sa vo výskume používa na kvantifikáciu génovej expresie konkrétnych génov, využitie má tiež v diagnostike a priemysle.
## Referencie

## Pozri aj

* DNA
* Molekulárne klonovanie
* DNA polymeráza

Kategória:Nukleové kyseliny