Cos’è la PCR e la sua storia

Cos’è la PCR e la sua storia

La reazione della catena polimerasi (PCR) è una tecnica ampiamente utilizzata nelle scienze di base e nella biochimica. La PCR è una tecnica genetica di laboratorio in vitro che utilizza l’amplificazione (la sintesi enzimatica di grandi quantità) di un determinato segmento del DNA per un ampia numero di applicazioni cliniche e in laboratorio. Il DNA è sintetizzato usando la DNA-polimerasi (enzimi usati dalla cellula per replicare il DNA) nello stesso modo di quello visto in vivo.

La PCR è tra le tecniche molecolari più utilizzate  per l’identificazione e la caratterizzazione di agenti virali, batterici, parassitici e fungini. Questa tecnica è considerata uno strumento essenziale nella biologia molecolare e consente la sintesi enzimatica di grandi quantità di sequenze di acidi nucleici (DNA e RNA) nei cicli ripetitivi in vitro.

La Storia della PCR

La PCR, Reazione della Catena Polimerasi ha rivoluzionato la moderna tecnologia delle scienze della vita poiché è ampiamente utilizzata nella ricerca e nelle applicazioni scientifiche. La PCR è stata inventata da Kary Banks Mullis, nato il 28 dicembre 1944 a Lenoir North, North Carolina, USA. Mullis ha inventato la PCR nel 1985 presso Cetus Corporation, Università di Berkeley (USA) una società di biotecnologia, proprietaria originale del brevetto PCR che è stato successivamente venduto a Hoffmann-La Roche Inc. nel 1991.

Il dottor Mullis ha conseguito la laurea in Chimica presso il Georgia Institute of Technology nel 1966. Successivamente ha conseguito un dottorato di ricerca in Biochimica presso l’Università della California a Berkeley nel 1972. Ha trascorso sette anni facendo ricerca post-dottorato presso la University of Kansas Medical School di Cardiologia Pediatrica e Chimica Farmaceutica. Successivamente, nel 1978 ha ottenuto una posizione di tecnico nella Cetus Corporation di Emeryville, dove ha creato l’idea per la PCR.

In un viaggio lungo la Pacific Coast Highway 128 della California nel 1983 Mullis rifletteva su come determinare in modo semplice un nucleotide specifico da un lungo tratto di DNA. Da allora, ha affermato di avere avuto un’idea improvvisa su come avviare e fermare l’azione della DNA polimerasi e di ripetere numerose volte il processo per amplificare una sequenza di DNA in una provetta. Mullis portò la sua idea ai suoi colleghi della Cetus Company e insieme iniziarono a elaborare un sistema sperimentale.

Hanno sviluppato la tecnica che è stata presentata per la prima volta al resto del mondo nel 1985. Questa tecnica è stata ampiamente accettata dalla comunità scientifica e la molecola enzimatica utilizzata nella PCR è stata denominata Taq Polymerase nel 1989 e nello stesso anno Cetus ha ottenuto il brevetto per la tecnica PCR. Il brevetto di PCR e Taq Polymerase è stato successivamente venduto a Hoffmann-La Roche per $ 300 milioni.

Come funziona la PCR?

La PCR amplifica il segmento di DNA mirato, una volta amplificato può essere utilizzato in molte diverse procedure di laboratorio come tecniche di mappatura nel Progetto Genoma Umano (HGP), impronte digitali del DNA, rilevamento di batteri o virus (soprattutto AIDS) e nella diagnosi di malattie genetiche .

Il campione viene prima riscaldato utilizzando una pompa di calore Peltier che riscalda e raffredda rapidamente il DNA per denaturarlo o per separarlo in due pezzi a filamento singolo. Quindi l’enzima Taq polimerasi (Taq è un batterio che vive da getti di zolfo vulcanico sul fondo dell’oceano dove la temperatura è molto calda) sintetizza o costruisce due nuovi filamenti di DNA. L’enzima utilizza i fili originali come modelli. Il processo si traduce nella duplicazione del DNA originale e ciascuna delle nuove molecole contiene un vecchio e un nuovo filamento di DNA. Ciascuno di questi filamenti può essere utilizzato per creare due o più nuove copie. Il ciclo di denaturazione e sintesi di nuovo DNA viene ripetuto fino a 30-40 volte portando a più di un miliardo di copie del segmento di DNA originale.

Il ciclo della PCR è automatizzato e può essere completato in poche ore. Il processo è diretto da una macchina chiamata termociclatore che è programmata per alterare la temperatura della reazione ogni pochi minuti per consentire la denaturazione e la sintesi del DNA.

Fonti

Ehtisham, M., Wani, I., Wani, F., & Kaur, P. (2016). Polymerase Chain Reaction (PCR): Back to Basics. DOI Number: 10.5958/2320-5962.2016.00030.9

Ghannam MG, Varacallo M. Biochemistry, Polymerase Chain Reaction (PCR) [Updated 2018 Dec 10]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 Jan-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK535453/ 

Hongbao, M. (2005). Development Application of Polymerase Chain Reaction (PCR). The Journal of American Science3(1). http://www.jofamericanscience.org/journals/am-sci/0103/01-0198-%20mahongbao-am.pdf 

National Human Genome Research Institute. (2015). Polymerase Chain Reaction (PCR) Fact Sheet. https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/Polymerase-Chain-Reaction-Fact-Sheet