ליצירת עותקים של DNA נדרשים אנזימים הנקראים פולימראזות DNA. אנזימים אלה משמרים גנום במהלך השכפול. לפני שנות השישים לא היה למדענים פולימראז DNA יציב לחום לשימוש לייצור עותקים נוספים של ה- DNA. בשנת 1966, במעיינות החמים התוססים של הפארק הלאומי ילוסטון בארה"ב, תומאס ד. ברוק גילה חיידק, שנקרא תרמופיל, שיכול לשרוד בטמפרטורות גבוהות במיוחד, וכינה אותו תרמוס אקווטיקוס. הפולימראז המבודד מאורגניזם זה נקרא טאק פולימראז.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
פולימראז טאק, פולימראז ה- DNA יציב החום הראשון ל- PCR, התגלה בשנת 1966. הגברה של DNA שהפכה את ה- PCR והפכה את התהליך למהיר ויעיל. זה יחולל מהפכה בשיבוט, בדיקות DNA, פלילי פלילי ועיצוב רפואה.
תגובת שרשרת פולימראז (PCR)
תגובת שרשרת הפולימראז (PCR) פותחה על ידי הכימאי קרי מוליס בשנות השמונים, כאמצעי ליצירת עותקים רבים של שברי DNA. מדענים הבינו כי דרוש פולימראזות DNA חמות (יציבות בחום) כדי ש- PCR יעבוד ביעילות. טאק פולימראז, בהיותו יציב לחום, הוכיח את עצמו כאידיאלי ל- PCR.
ב- PCR משלבים דגימת DNA עם פריימרים, שהם רצפי חומצות גרעין שמתחילים את סינתזת ה- DNA; טאק פולימראז; וטריפוספטים נוקלאוטידים (dNTP). תערובת זו ממוקמת בצינורות בתוך מכונת PCR אוטומטית. השילוב מחומם ל 94 מעלות צלזיוס, מה שגורם לדנ"א לנטרל או להתפרק, והופך לשני גדילי DNA חד-גדילי (ssDNA). לאחר מכן מקוררים את התערובת ל 55 מעלות צלזיוס, ובאותה נקודה תחל ההחלפה לחלק של ה- DNA שצריך לשכפל. השילוב מחומם שוב, אך ל 72 מעלות צלזיוס, המהווה את הטמפרטורה האידיאלית עבור
טאק פולימראז כדי להשתמש בפריימרים ליצירת גדילי DNA חדשים והרפורמות בסליל. תהליך זה, המתרחש תוך מספר דקות, חוזר על עצמו פעמים רבות כדי ליצור מיליוני עותקים של חתיכות DNA. תאגיד Cetus פיתח מכונת תרמיקל, או תרמוציקלר, שזרז את תהליך החימום והקירור של הדגימות.בסופו של דבר, במקום לבודד טאק פולימראז מ תרמוס אקווטיקוס תאים, פול הגן מאותו חיידק בודד ושובט כדי לייצר את הגנום שלו אשריכיהcoli (E. coli) תאים. בעוד שהתגלו פולימראזות DNA חדשות יותר הניתנות לחימום, טאק פולימראז נותר הסטנדרט ל- PCR.
מהפכת ביולוגיה מולקולרית
היכולת להשתמש בחתיכת DNA זעירה ולהעתיק אותה מיליוני פעמים באמצעות PCR שינתה את הביולוגיה המולקולרית. בדיקת רקע גנטי ופגמים גנטיים דורשת דגימה קטנה בלבד, אך היא מביאה כמויות עצומות של מידע מכריע המסייע למחקר ברפואה ומוצא. PCR שימש גם לאיתור HIV בתאים אנושיים, ופתח את תחום האפידמיולוגיה ליתרונות ההגברה המהירה של ה- DNA. מדעני פלילי משתמשים באופן קבוע ב- PCR, מבודדים עדויות DNA מחוטי שיער או מדגימות קטנות של דם, ובכך מסייעים במאבק בפשע. אפילו מאובנים יכולים להניב שברים של DNA שניתן לשכפל אותם פעמים רבות ולספק מידע על האבולוציה. הכוח של יציב בחום טאק פולימראז הוביל להתקדמות עצומה ויקרה מפז במדע.