Kỹ thuật PCR – Nguyên lý hoạt động, thành phần và ứng dụng

Kỹ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction) được sử dụng trong phòng thí nghiệm để nhân bản hàng triệu bản sao của một đoạn DNA mục tiêu. Real-time PCR trở thành phương pháp được sử dụng phổ biến trong chẩn đoán bệnh và các nghiên cứu khoa học liên quan đến phát hiện tác nhân và khuếch đại. LabVIETCHEM sẽ chia sẻ thông tin chi tiết về kỹ thuật này đến các bạn qua nội dung bài viết. 

1. Kỹ thuật PCR là gì?

Kỹ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction) là một phương pháp mạnh mẽ và linh hoạt trong việc nhân bản một đoạn DNA cụ thể. Bằng cách này, PCR có thể tạo ra hàng triệu bản sao của một đoạn DNA nhỏ từ một mẫu ban đầu, thậm chí chỉ từ một bản sao duy nhất. 

Hình 1: Kỹ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction)

Với khả năng khuếch đại DNA đáng kinh ngạc, PCR chính là công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu y học và sinh học phân tử. Đặc biệt, trong các phân tích về vật liệu di truyền DNA/RNA, PCR mở ra cánh cửa cho việc nghiên cứu sâu hơn và hiểu biết rõ hơn về di truyền học. 

2. Nguyên lý của kỹ thuật PCR

Nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật PCR dựa trên việc khuếch đại một đoạn trình tự DNA. Cụ thể trong điều kiện in vitro, sử dụng enzyme DNA polymerase để tăng cường quá trình này. Phản ứng khuếch đại diễn ra qua chu trình luân nhiệt, thường gồm 20-40 chu kỳ, các bước tiến hành của kỹ thuật PCR:

Hình 2: Nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật PCR dựa trên việc khuếch đại một đoạn trình tự DNA

• Biến tính (Denaturation 95°C): Trong bước này, nhiệt độ cao (tối đa 95°C) được sử dụng để tách rời hai sợi của DNA mạch đôi, tạo thành các sợi đơn.
• Bắt cặp (Annealing 40°C – 70°C): Ở nhiệt độ thấp hơn (thường trong khoảng 40°C - 70°C), mồi (primer) sẽ bắt đầu bám vào các đoạn mục tiêu trên DNA mẫu, tạo điều kiện cho quá trình bắt cặp.
• Kéo dài (Elongation 72°C): Ở nhiệt độ cao hơn (thường 72°C), enzyme DNA polymerase sẽ thêm vào các nucleotide mới vào mỗi sợi đơn, từ môi trường phản ứng. Quá trình này tạo ra một sợi đối mới, tương ứng với mỗi sợi đơn ban đầu, và tiếp tục phản ứng khuếch đại.

Bằng cách này, mỗi chu kỳ luân phiên giữa các nhiệt độ khác nhau sẽ tạo ra hàng triệu bản sao của đoạn DNA mục tiêu ban đầu, tạo điều kiện cho phân tích và phát hiện các chuỗi gen cụ thể trong mẫu DNA.

3. Các thành phần cơ bản trong 1 phản ứng PCR

Trong quá trình thiết lập một phản ứng PCR, các thành phần cơ bản sau đây là không thể thiếu, bất kể loại mẫu DNA:

Hình 3: Các thành phần cơ bản trong 1 phản ứng PCR

• Khuôn DNA: Là DNA mẫu được sử dụng làm mục tiêu cho quá trình nhân bản.
• Mồi (Primer): Đây là các trình tự oligonucleotide có khả năng bắt cặp đặc hiệu với đoạn DNA cần nhân bản. Mỗi phản ứng PCR thường sử dụng cặp mồi, gồm một mồi xuôi và một mồi ngược, tính theo chiều phiên mã.
• dNTP (deoxynucleotide triphosphate): Là một hỗn hợp chứa các nucleotide dATP, dGTP, dCTP, và dTTP, cần thiết cho quá trình tổng hợp DNA.
• DNA polymerase: Enzyme này có vai trò chính là tổng hợp mạch mới từ các nucleotide, sử dụng DNA mẫu và mồi làm khuôn.
• Dung dịch đệm (buffer): Dung dịch này thường bao gồm Tris-HCl pH 8,3; KCl; MgCl2 và Gelatin. Nó giúp duy trì điều kiện pH và cung cấp ion magnesium (Mg2+), cần thiết cho hoạt động của DNA polymerase.

Một phản ứng PCR có thể hoàn thành trong vài giờ, thậm chí ít hơn một giờ với sự hỗ trợ của các máy PCR tốc độ cao. Sau khi phản ứng khuếch đại hoàn tất, các đoạn DNA sản phẩm có thể được kiểm tra về số lượng và kích thước thông qua phương pháp điện di trên gel agarose.

4. Ứng dụng của kỹ thuật PCR trong y học

Kỹ thuật xét nghiệm PCR đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực y học. Với khả năng chẩn đoán nhanh chóng và chính xác các bệnh lý, nhờ khả năng nhân lên cả triệu đoạn DNA (hoặc RNA) trong thời gian ngắn và độ nhạy cao. Các ứng dụng kỹ thuật PCR chính trong y học bao gồm:

Hình 4: Kỹ thuật xét nghiệm PCR đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực y học

• Chẩn đoán các bệnh truyền nhiễm: PCR được sử dụng để phát hiện vi khuẩn hoặc virus gây bệnh như: HIV, bệnh lao (TB), Viêm gan B (HBV), Viêm gan C (HCV), HPV (gây ung thư cổ tử cung), và nhiều bệnh truyền nhiễm khác.
• Chẩn đoán các bệnh di truyền và sửa đổi các đoạn DNA: PCR cung cấp phương tiện để phát hiện các bệnh di truyền và phân tích các sự biến đổi gen. Đồng thời cho phép các phương pháp can thiệp gen được áp dụng.
• Phân tích pháp y: PCR được sử dụng để xác định dấu vân tay gen di truyền, tiến hành xét nghiệm DNA, xác định quan hệ huyết thống, và hỗ trợ trong điều tra tội phạm.
• Dòng hóa DNA: Kỹ thuật PCR giúp nhà nghiên cứu tạo ra các bản sao chính xác của một đoạn DNA. Cho phép nghiên cứu sự biểu hiện gen và các quá trình di truyền.

Ngoài lĩnh vực y học, phương pháp PCR còn được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất các bộ kit chẩn đoán mầm bệnh trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Bao gồm: y tế thú y, ngư nghiệp, công nghiệp thực phẩm, định danh, và nghiên cứu sinh học phân tử.

LabVIETCHEM vừa chia sẻ khái niệm, nguyên lý hoạt động, thành phần và ứng dụng của kỹ thuật PCR trong y khoa qua thông tin bài viết. Hiện nay kỹ thuật PCR đã được cải tiến thành cải tiến thành real-time PCR mang đến nhiều lợi ích cho các nhà khoa học. Hy vọng bài viết của LabVIETCHEM đã mang đến các thông tin hữu ích đến các bạn.