穆利斯是极少数的仅由于发明了一项技术而取得诺贝尔奖的科学家之一。他发明的聚合酶链式反响（Polymerase Chain Reaction, 下简称PCR）能在脱离生物体的人工条件下，将极少量的DNA扩增上亿倍，辅佐人们更容易地检测到某一DNA片段的存在，从而中止后续的研讨。这项技术的发明，彻底改动了现代分子生物学的展开进程。
卡里·穆利斯（Kary Mullis）和PCR技术 | gairdner.org；ib.bioninja.com 从繁到简 在1983年到1985年，降生之初的PCR技术实践上一点都不简单，也不文雅，而是一项十分复杂繁琐的工作。 当时由于生物学展开的限制，能在实验室里用于中止DNA扩增的酶只需大肠杆菌的Ⅰ型DNA聚合酶以及它的一些衍生酶。这种酶的最适工作温度在37℃，也就是大肠杆菌的最适生长温度。
扫描电镜下，放大约10000倍后大肠杆菌（颜色为后期人工绘制，并非真实） | Janice Haney Carr / flickr DNA扩增，实践上是DNA的自我复制，但双螺旋状态下的DNA是无法完成复制的，因而我们需求将这个双螺旋翻开。翻开的措施很简单——加热，确切地说是在95℃的条件下使双链DNA解聚。 但是问题在于，这个加热的过程会使DNA聚合酶完整失活——酶假如失去活性，自然还是无法完成复制——所以需求适时弥补酶，使反响继续下去。
大肠杆菌的I型DNA聚合酶的Klenow片段与DNA底物的复合体晶体结构，其中蓝色为聚合酶的蛋白部分，红色为双链DNA | Nekout 彼时做一次PCR可是真不容易：每中止一轮反响，就需求人工加一次酶，然后放在37℃的水浴锅里，定个时；等时间到了取出来，转移到95℃的水浴锅里，再定个时；取出来降温一会儿，再补加一些酶、缓冲液和复制必须的引物等等，然后再来一遍……嗯，如此循环，总共大约需求重复30～40遍吧。 当时没有手机能够刷，实验间隙的等候算不上高兴（终于能够好美观文献了呢）。想想那时不少研讨生究竟是靠什么样的肉体和意志力来完成PCR，从而取得学位毕业的呢。
即便每循环补加试剂如撒盐，做个30、40遍也要烦死了 | Nekout 人们认识到，挽救科研民工于安居乐业，十万火急是需求一款能够耐受高温的DNA聚合酶。这种神奇的酶该去哪里找呢？ 当然是去热的中央找咯。 另一种细菌的胜利 20世纪70年代，华裔女科学家钱嘉韵（Alice Chien）在辛辛那提大学生物系跟随导师约翰·特雷拉（John Trela）专注研讨一些从美国黄石国度公园的热泉中分别得到的细菌。
美国黄石国度公园的热泉 | Jim Peaco, National Park Service 他们从一种能在70℃高温下仍可正常繁衍的水生栖热菌（Thermus aquaticus）中，分别纯化了一种能够耐受极高温度的DNA聚合酶——Taq DNA聚合酶。Taq取自细菌属名Thermus首字母T以及种加词aquaticus的前两个字母aq。 Taq酶工作的最适温度在72℃左右，并且需求二价镁离子作为辅助因子。最重要的是，即便将它加热到95℃并坚持数小时，它都能坚持一定的活性。把它用于PCR，岂不美哉？
左：水生栖热菌的扫描电镜照片（颜色为后期人工绘制，并非真实）；右：Taq DNA聚合酶的晶体结构 | Diane Montpetit；Nekout 1986年，穆利斯的同事兰道·赛奇（Randall Saiki）将Taq DNA聚合酶胜利应用在了PCR技术中，终于处置了每一轮都需求补加试剂的省事，并且也让整个反响变得愈加简单、易行和稳定。与此同时，从大肠杆菌I型DNA聚合酶到Taq DNA聚合酶的转变，对PCR效果的影响也是庞大的。1988年，穆利斯团队将两种酶中止PCR的差别发表在了科学（Science）杂志上：运用Taq DNA聚合酶的PCR扩增产物，单一、明晰且量大，而运用大肠杆菌I型DNA聚合酶则杂质众多。 生物狗都想要A、B图中右侧那样的结果↓
1988年穆利斯团队发表在科学（Science）杂志上的文章中比较了大肠杆菌I型DNA聚合酶与Taq DNA聚合酶在PCR实验中的效果 | R.K. Saiki，et al./Science（1988） 是飞跃，更是一切人的福利 固然处置了补加试剂的省事，操作者依旧需求定时将反响管在不同温度的水浴锅中来回切换。当时还衍生出了一些特地用来做PCR的水浴锅，人称PCR bath，其实就是将三个独立的水浴锅并排放一同。
PCR bath，三个独立水浴锅连在一同，三个温度供君选择 | nstructables.com 为了解放消费力，穆利斯所在的PE-Cetus公司在20世纪80年代末率先制造出了自动化的PCR仪，让整个PCR反响过程彻底辞他人工操作。 在之后的30余年里，PCR技术飞速展开。毫不夸大地讲，没有PCR技术，就不会有现代生物技术为我们带来的各种福利，我们将无法快速审定出流感的病原体类型，无法快速诊断出致病的基因突变，无法完成精确的亲子审定，更不可能有现代基因工程来辅佐我们制造药物、精密化学品等等。 水生栖热菌与人类的交集并不只仅止步于PCR。跨入21世纪后，随着合成生物学的展开，对大范围DNA组装的需求也日益增加。2009年，丹尼尔·吉布森应用来自水生栖热菌的Taq衔接酶配合另外两种耐热的聚合酶和外切酶，设计出了吉布森组装法（Gibson Assembly），能在短短30分钟里组装多个超长DNA片段。这为日后人工合成酵母染色体、病毒基因组等研讨提供了牢靠的基础。
现代自动化PCR仪，告别用水浴加热，运用半导体控温技术 | 26Isabella / wikimedia 说到这里，你可能仍觉得这些离你十分悠远。但实践上，水生栖热菌并不只仅生活在热泉中，有研讨发现，它们还大有可能存在于你的茶杯中里、你家的热水器里。 事实上，我们生活在一个遍布着细菌的环境中，无论人体内还是体表，四处都遍布着这些微小的生灵。对人来说，它们中的大多数默默无名，为我们的健康做着无私的贡献，抑或给我们的生活掀起一些波澜，绝大多数只是生活在那儿。它们中只需少数被发现、命名，并为我们的科学展开发光发热——当然，我们也要感激那些发现它们的人。 作者名片
题图来源：pixabay |
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