Kỹ thuật PCR – Nguyên lý hoạt động, thành phần và ứng dụng

Chu Văn An

Kỹ thuật PCR (Phản ứng chuỗi Polymerase) được sử dụng trong phòng thí nghiệm để nhân bản hàng triệu bản sao của đoạn DNA mục tiêu. PCR thời gian thực đã trở thành phương pháp được sử dụng phổ biến trong chẩn đoán bệnh và nghiên cứu khoa học liên quan đến phát hiện và khuếch đại tác nhân. LabTrường Chu Văn An sẽ chia sẻ thông tin chi tiết về kỹ thuật này với các bạn thông qua nội dung bài viết.

1. Kỹ thuật PCR là gì?

Kỹ thuật PCR (Phản ứng chuỗi Polymerase) là một phương pháp mạnh mẽ và linh hoạt để nhân bản một đoạn DNA cụ thể. Bằng cách này, PCR có thể tạo ra hàng triệu bản sao của một đoạn DNA nhỏ từ một mẫu ban đầu, thậm chí chỉ từ một bản sao duy nhất.

Hình 1: Kỹ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction)

Với khả năng khuếch đại DNA đáng kinh ngạc, PCR là một công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu sinh học phân tử và y học. Đặc biệt, trong phân tích vật liệu di truyền DNA/RNA, PCR mở ra cơ hội nghiên cứu sâu hơn và hiểu rõ hơn về di truyền.

2. Nguyên lý kỹ thuật PCR

Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật PCR dựa trên việc khuếch đại một đoạn trình tự DNA. Cụ thể, trong điều kiện in vitro, sử dụng enzyme DNA polymerase để tăng cường quá trình này. Phản ứng khuếch đại diễn ra thông qua chu trình luân nhiệt, thường gồm 20-40 chu kỳ, các bước của kỹ thuật PCR:

Hình 2: Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật PCR dựa trên việc khuếch đại một đoạn trình tự DNA

• Biến tính (Biến tính 95°C): Ở bước này, nhiệt độ cao (tối đa 95°C) được sử dụng để tách hai chuỗi DNA kép, tạo thành chuỗi đơn.
• Ủ 40°C – 70°C: Ở nhiệt độ thấp hơn (thường trong khoảng 40°C – 70°C), mồi sẽ bắt đầu bám vào các đoạn đích trên mẫu DNA, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ghép đôi.
• Độ giãn dài (Độ giãn dài 72°C): Ở nhiệt độ cao hơn (thường là 72°C), enzyme DNA polymerase sẽ thêm các nucleotide mới vào từng chuỗi đơn, từ môi trường phản ứng. Quá trình này tạo ra một chuỗi đối ứng mới, tương ứng với từng chuỗi đơn ban đầu và tiếp tục phản ứng khuếch đại.

Bằng cách này, mỗi chu kỳ xen kẽ giữa các nhiệt độ khác nhau sẽ tạo ra hàng triệu bản sao của đoạn DNA mục tiêu ban đầu, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích và phát hiện các trình tự gen cụ thể trong mẫu DNA.

3. Các thành phần cơ bản trong phản ứng PCR

Trong quá trình thiết lập phản ứng PCR, các thành phần cơ bản sau đây là không thể thiếu, bất kể loại mẫu DNA:

Hình 3: Các thành phần cơ bản trong phản ứng PCR

• Mẫu DNA: Mẫu DNA được sử dụng làm mục tiêu cho quá trình nhân bản.
• Mồi: Đây là các chuỗi oligonucleotide có thể ghép đôi đặc hiệu với đoạn DNA cần nhân bản. Mỗi phản ứng PCR thường sử dụng một cặp mồi, gồm một mồi tiến và một mồi ngược, được tính theo chiều phiên mã.
• dNTP (deoxynucleotide triphosphate): Một hỗn hợp chứa các nucleotide dATP, dGTP, dCTP và dTTP, cần thiết cho quá trình tổng hợp DNA.
• DNA polymerase: Vai trò chính của enzyme này là tổng hợp các chuỗi mới từ nucleotide, sử dụng DNA mẫu và mồi làm mẫu.
• Dung dịch đệm: Dung dịch này thường bao gồm Tris-HCl pH 8,3; KCl; MgCl2 và Gelatin. Nó giúp duy trì điều kiện pH và cung cấp các ion magie (Mg2+), cần thiết cho hoạt động của DNA polymerase.

Phản ứng PCR có thể được hoàn thành trong vài giờ, hoặc thậm chí ít hơn một giờ với sự trợ giúp của máy PCR tốc độ cao. Sau khi phản ứng khuếch đại hoàn tất, các đoạn DNA của sản phẩm có thể được kiểm tra số lượng và kích thước thông qua điện di trên gel agarose.

4. Ứng dụng kỹ thuật PCR trong y học

Kỹ thuật xét nghiệm PCR đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực y học. Với khả năng chẩn đoán bệnh nhanh chóng và chính xác nhờ khả năng nhân lên hàng triệu đoạn DNA (hoặc RNA) trong thời gian ngắn và có độ nhạy cao. Các ứng dụng chính của công nghệ PCR trong y học bao gồm:

Hình 4: Kỹ thuật xét nghiệm PCR đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực y học

• Chẩn đoán các bệnh truyền nhiễm: PCR được sử dụng để phát hiện vi khuẩn hoặc vi rút gây bệnh như HIV, bệnh lao (TB), Viêm gan B (HBV), Viêm gan C (HCV), HPV (gây ung thư cổ tử cung) và nhiều bệnh truyền nhiễm khác.
• Chẩn đoán các bệnh di truyền và chỉnh sửa các đoạn DNA: PCR cung cấp phương tiện để phát hiện các bệnh di truyền và phân tích các biến thể di truyền. Đồng thời, các phương pháp can thiệp di truyền được phép áp dụng.
• Phân tích pháp y: PCR được sử dụng để xác định dấu vân tay di truyền, tiến hành xét nghiệm DNA, xác định nguồn gốc và hỗ trợ điều tra tội phạm.
• Nhân bản DNA: Kỹ thuật PCR giúp các nhà nghiên cứu tạo ra các bản sao chính xác của một đoạn DNA. Cho phép nghiên cứu biểu hiện gen và quá trình di truyền.

Ngoài lĩnh vực y tế, phương pháp PCR còn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các bộ kit chẩn đoán mầm bệnh trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Bao gồm: thú y, thủy sản, công nghiệp thực phẩm, nhận dạng và nghiên cứu sinh học phân tử.

LabTrường Chu Văn An vừa chia sẻ khái niệm, nguyên lý hoạt động, thành phần và ứng dụng của kỹ thuật PCR trong y học qua thông tin bài viết. Hiện nay, kỹ thuật PCR đã được cải tiến thành real-time PCR mang lại nhiều lợi ích cho các nhà khoa học. Hy vọng bài viết của Labvietchem đã mang đến những thông tin hữu ích cho các bạn.