DNS kopiju izgatavošanai nepieciešami fermenti, kurus sauc par DNS polimerāzēm. Šie fermenti replikācijas laikā saglabā genomu. Pirms sešdesmitajiem gadiem zinātniekiem nebija siltumnoturīgas DNS polimerāzes, ko izmantot, lai izveidotu vairāk DNS kopiju. 1966. gadā ASV Jeloustounas nacionālā parka dzirkstošajos karstajos avotos Tomass D Broks atklāja baktēriju, sauktu par termofilu, kas varētu izdzīvot ārkārtīgi augstā temperatūrā, un nosauca to Thermus aquaticus. No šī organisma tika nosaukta izolētā polimerāze Taq polimerāze.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Taq polimerāze, pirmā karstumizturīgā DNS polimerāze PCR, tika atklāta 1966. gadā. PCR pārveidoja DNS amplifikāciju, padarot procesu ātru un efektīvu. Tas radītu revolūciju klonēšanā, DNS testēšanā, kriminālistikā un zāļu projektēšanā.
Polimerāzes ķēdes reakcija (PCR)
Polimerāzes ķēdes reakciju (PCR) 1980. gados izstrādāja ķīmiķis Kary Mullis kā līdzekli daudzu DNS fragmentu kopiju izgatavošanai. Zinātnieki saprata, ka PCR efektīvai darbībai būs nepieciešamas termostabilas (karstumizturīgas) DNS polimerāzes.
Taq polimerāze, kas ir termostabila, izrādījās ideāla PCR.PĶR DNS paraugs tiek apvienots ar gruntskrāsām, kas ir nukleīnskābju sekvences, kas sāk DNS sintēzi; Taq polimerāze; un nukleotīdu trifosfāti (dNTP). Šo maisījumu ievieto mēģenēs automatizētas PCR iekārtas iekšpusē. Kombinācija tiek uzkarsēta līdz 94 grādiem pēc Celsija, kas izraisa DNS denaturāciju vai spoles atdalīšanos un kļūst par divām vienpavediena DNS (ssDNS) virknēm. Pēc tam maisījumu atdzesē līdz 55 grādiem C, un tajā brīdī grunti atkausē to DNS daļu, kuru nepieciešams atkārtot. Kombinācija atkal tiek uzkarsēta, bet līdz 72 grādiem C, kas ir ideāla temperatūra Taq polimerāzes, lai izmantotu gruntējumus jaunu DNS virkņu veidošanai, un spirāle reformējas. Šis process, kas notiek minūtēs, tiek atkārtots daudzas reizes, lai izveidotu miljoniem DNS gabalu kopiju. Cetus Corporation izstrādāja termociklēšanas mašīnu jeb termociklu, kas paātrināja paraugu sildīšanas un atdzesēšanas procesu.
Galu galā, nevis izolējot Taq polimerāze no Thermus aquaticus šūnas, pol šīs baktērijas gēns tika izolēts un klonēts, lai izveidotu tā genomu Escherichiakoli (E. koli) šūnas. Lai gan ir atklātas jaunākas termostabilas DNS polimerāzes, Taq polimerāze paliek PCR standarts.
Molekulārās bioloģijas revolūcija
Spēja izmantot niecīgu DNS gabalu un kopēt to miljoniem reižu, izmantojot PĶR, ir pārveidojusi molekulāro bioloģiju. Lai pārbaudītu ģenētisko izcelsmi un ģenētiskos defektus, nepieciešams tikai neliels paraugs, tomēr tas dod milzīgu daudzumu būtiskas informācijas, kas palīdz medicīnā un senču pētījumos. PCR tika izmantots arī HIV noteikšanai cilvēka šūnās, paverot epidemioloģijas jomu ātras DNS amplifikācijas priekšrocībām. Kriminālistikas zinātnieki regulāri izmanto PCR, izolējot DNS pierādījumus no matu šķipsnām vai maziem asins paraugiem un tādējādi palīdzot cīņā pret noziedzību. Pat fosilijas var dot DNS fragmentus, kurus var atkārtot daudzas reizes, sniedzot informāciju par evolūciju. Karstumizturīga jauda Taq polimerāze ir novedusi pie plaša un nenovērtējama progresa zinātnē.