聚合酶鏈式反應(PCR)是一項利用DNA雙鏈複製原理,促使DNA片段在生物體之外的環境下快速複製的技術。在最近世界瘟疫大流行的時代,這種技術對病毒檢測起到了關鍵作用。

黃石國家公園(Yellowstone National Park)主體位於美國懷俄明州,部份位於蒙大拿州和愛達荷州,於1872年由當時的美國總統簽署建立,是世界上第一個國家公園。黃石公園以豐富的野生動物和地熱資源聞名。那裏的溫泉溫度可以高達100攝氏度,達到沸騰的狀態。

病毒檢測和黃石公園有甚麼關係?

上世紀60年代,微生物學家布洛克(thomas Brock)路過黃石公園的時候,注意到那裏的蘑菇泉(Mushroom Spring)裏長著一層黏乎乎的金黃色的真菌。

他們發現,裏面產生一種耐高溫的生物酶。經過研究,其中一種名為嗜熱細菌水生棲熱菌(Thermus aquaticus)成為後來幾十年裏科學家操作和研究DNA的有力工具。

自從1953年科學家發現DNA的雙鏈結構後,科學家面臨著如何研究少量DNA樣本的挑戰。科學家需要將獲得的有限樣本在實驗室內複製成為足夠數量的樣本,才能更好地進行研究。

科學家發現一種DNA聚合酶,在基因複製過程中起到了像DNA複製機的功能。在生物體內,細胞複製具有天然的DNA複製機制。可是在實驗室環境下,就要採用特殊的辦法。

上世紀80年代,美國生化學家穆利斯(Kary Mullis)發明瞭聚合酶鏈式反應,獲得了諾貝爾獎。這種方法需要把DNA加熱到接近百攝氏度的高溫然後再冷卻,反覆進行。早期的實驗中發現,每一次經歷高溫都會損傷DNA聚合酶。因此早期的DNA複製過程慢而低效。

後來穆利斯意識到,黃石公園的真菌可以生活在那樣高溫的環境中,意味著它們體內的DNA聚合酶具有耐高溫的特性。

技術對檢測病毒起重要作用

穆利斯成功了。多年來,從黃石公園溫泉中發現的DNA聚合酶,極大改進了聚合酶鏈式反應的效率。現在科學家可以在幾小時內複製數百萬份基因拷貝。這種技術在這次世界瘟疫災難中,在檢測病毒樣本中起到了重要的作用。

佐治亞理工學院專注於研究南極洲多樣性微菌的勞倫斯(Justin Lawrence)說,通過增強對微菌世界的認識,我們才知道如何保護自己,但是要具有實際應用中駕馭微菌的能力,必須先放眼世界了解生存在各種極端環境中的生物。◇