Het maken van kopieën van DNA vereist enzymen die DNA-polymerasen worden genoemd. Deze enzymen behouden een genoom tijdens replicatie. Vóór de jaren zestig hadden wetenschappers geen hittestabiele DNA-polymerase om te gebruiken voor het maken van meer kopieën van DNA. In 1966, in de bruisende warmwaterbronnen van Yellowstone National Park in de VS, Thomas D. Brock ontdekte een bacterie, een thermofiel genaamd, die kon overleven bij extreem hoge temperaturen, en noemde het Thermus Aquaticus. Het geïsoleerde polymerase van dit organisme werd genoemd Taq polymerase.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Taq-polymerase, het eerste hittestabiele DNA-polymerase voor PCR, werd in 1966 ontdekt. PCR-getransformeerde DNA-amplificatie, waardoor het proces snel en efficiënt verloopt. Dit zou een revolutie teweegbrengen in klonen, DNA-testen, forensisch onderzoek en het ontwerpen van medicijnen.
Polymerasekettingreactie (PCR)
De polymerasekettingreactie (PCR) is in de jaren tachtig door scheikundige Kary Mullis ontwikkeld als middel om veel kopieën van DNA-fragmenten te maken. Wetenschappers realiseerden zich dat thermostabiele (hittestabiele) DNA-polymerasen nodig zouden zijn om PCR efficiënt te laten werken.
Taq polymerase, dat thermostabiel is, bleek ideaal voor PCR.Bij PCR wordt een DNA-monster gecombineerd met primers, dit zijn nucleïnezuursequenties die de DNA-synthese starten; Taq polymerase; en nucleotidetrifosfaten (dNTP's). Dit mengsel wordt in buisjes in een geautomatiseerde PCR-machine geplaatst. De combinatie wordt verwarmd tot 94 graden Celsius, waardoor het DNA denatureert of afspoelt, en twee enkelstrengs DNA (ssDNA) strengen worden. Het mengsel wordt vervolgens afgekoeld tot 55 ° C, waarna de primers versmelten met het deel van het DNA dat moet worden gerepliceerd. De combinatie wordt weer opgewarmd, maar dan tot 72 graden C, wat de ideale temperatuur is voor Taq polymerase om de primers te gebruiken om nieuwe DNA-strengen te maken, en de helix hervormt. Dit proces, dat in minuten plaatsvindt, wordt vele malen herhaald om miljoenen kopieën van DNA-stukjes te maken. De Cetus Corporation ontwikkelde een thermocycling-machine, of thermocycler, die het proces van verwarming en koeling van de monsters versnelde.
Uiteindelijk, in plaats van te isoleren Taq polymerase van Thermus aquaticus cellen, de pol gen van die bacterie werd geïsoleerd en gekloond om zijn genoom te produceren in Escherichiacoli (E. coli) cellen. Hoewel nieuwere thermostabiele DNA-polymerasen zijn ontdekt, Taq polymerase blijft de standaard voor PCR.
Een revolutie in de moleculaire biologie
Het vermogen om een klein stukje DNA te gebruiken en het miljoenen keren te kopiëren via PCR heeft de moleculaire biologie getransformeerd. Testen op genetische achtergronden en genetische defecten vereist slechts een kleine steekproef, maar het levert enorme hoeveelheden cruciale informatie op die medisch en voorouderonderzoek helpen. PCR werd ook gebruikt om HIV op te sporen in menselijke cellen, waardoor het epidemiologisch veld werd geopend voor de voordelen van snelle DNA-amplificatie. Forensische wetenschappers gebruiken regelmatig PCR om DNA-bewijs te isoleren van haarlokken of kleine bloedmonsters en zo te helpen bij het bestrijden van misdaad. Zelfs fossielen kunnen DNA-fragmenten opleveren die vele malen kunnen worden gerepliceerd, wat informatie over evolutie oplevert. De kracht van hittebestendig Taq polymerase heeft geleid tot een enorme en onschatbare vooruitgang in de wetenschap.