数字能量研究中心解读生命密码

诺贝尔奖得主、美国生物化学家凯利·穆利斯不久前去世，他发明的PCR扩增技术，将生物学划分为两个时代：PCR前时代和PCR后时代——

一人声微，万人声振聋发聩。

诺贝尔奖得主、美国生物化学家凯利·穆利斯所发明的PCR技术，正是通过“百万倍复制”的方法让DNA携带的生命密码发出振聋发聩的声音，帮助人们将其一一捕捉。

不久前，穆利斯的去世让人们回想起追逐DNA密码的艰难岁月，而PCR技术的发明给了人们解密“利器”，这也是为什么《纽约时报》评价这一技术的诞生将生物学划分为两个时代：PCR前时代和PCR后时代。

开车途中灵光闪现 1983年实现第一个PCR片段

“当我走到我的银色思域车前时，我感觉很虚弱。弗雷德（穆利斯的助理）、空试验瓶以及PCR时代的曙光都不能取代珍妮（穆利斯女友）。我感觉孤独。”据记载，穆利斯在诺贝尔奖获奖现场的演讲中这样说道。

穆利斯创新性的灵光一闪出现在深夜载女友开车的途中，这位有着艺术家气质的科学家想必也是在爱人的身上找到灵感的源泉。他意识到在将DNA双链高温解旋为单链后，可以用引物将需要的目标片段指数倍地扩增，在体外模仿体内的互补扩增过程。N次循环后，便可得到2n倍的DNA片段，用来进一步分析。

初期的PCR反应体系极端简陋、低效，且有诸多需要完善的地方。西安交通大学教授、天隆科技创始人彭年才讲道，后来其他科学家在黄石公园的温泉里，分离得到嗜热菌株，发现了耐热的DNA聚合酶，才大大提升了PCR的实验效率，更进一步促进了PCR技术的应用和商业价值。

秒表、水浴锅、提篮……构成了最初期的PCR操作系统，和现代高端的PCR仪有着天壤之别。“那时候根本谈不上自动，人工手动需要长时间地操作。”彭年才说，最初期的PCR反应并没有仪器，用一个装有PCR标本试管的提篮，用手工在不同温度的水浴箱中依次水浴，由于一整套反应所需要的反应体系以及温度并不相同，例如高温解链时需要95℃、引物“粘”上DNA链时则是58℃、而新链延长则需要72℃，因此每一阶段都需要换一个水浴锅，以维持化学反应得以进行。

标本在每个水浴箱中恒温的时间用秒表计时，然后移动，加上标本开盖暴露点样做电泳，因此难以控制液体污染、移动。

无论如何简陋和不精准，1983年12月，穆利斯用同位素标记法看到了10个循环后49bp长度的第一个PCR片段，这一“从0到1”的突破成就了后来的PCR时代。

发展经历3代 PCR仪检测DNA分子超灵敏

今年3月，国家重点研发计划“荧光数字基因扩增单分子检测仪”项目召开启动会。为解决我国高端科学仪器仍受国外制约的现状，国家重点研发计划设立了重大科学仪器设备开发重点专项，从顶层设计层面将我国的仪器做好，达到新水平，实现市场竞争力。

“根据穆利斯的发现形成的第一代PCR仪只能回答‘有无’的问题，即有没有某段DNA，但人们还想回答有多少的问题。”彭年才是国家重点研发计划的项目负责人，他介绍，PCR仪的发展目前经历了3代。

第1代PCR仪器由于有了变温器，消灭了水浴锅和人工转移等步骤，大大提高了效率，只需一次加入酶、引物、模板、缓冲溶液等就可以进行PCR反应；第2代PCR如实时荧光定量PCR，不仅回答有无，还想回答有多少即定量的问题，因此引入了荧光基团和感光元件，根据光强度进行实时、定量的检测分析；第3代的数字PCR，则将反应体系再进行微小分割，理论上要让每个微反应单元中只有单个DNA分子为模板就能实施扩增反应，实现超高灵敏度的核酸绝对定量检测，精确地探索生命体中DNA分子的情况。

PCR于1983年前后被发明，在穆利斯1993年获得诺贝尔奖之前，彭年才1991年前后就开始涉足研制中国自己的PCR仪，后续带领团队一直专注到今天。国家重点研发计划数字PCR项目启动会上，院士专家也曾评价道：在目前主流的2代PCR核酸检测产品方面，彭年才团队自主研发的产品以多样化解决方案和高品质高可靠的数据，成为疾病诊断和检测控制的保障设备，同时也广泛应用于食品安全领域食源性致病菌检测和生物医学科学研究。“中国自己的分子诊断仪器一度不被市场接受，有很多方面的原因，但改变人们对于国产仪器不耐用、不准确的印象或者偏见，必须靠自主研发和技艺的精进。”彭年才说。

“2014年西非埃博拉疫情期间，在国家科技部、国家药监总局和中国援外医疗队等的帮助下，我们在塞拉利昂疫区完成了348例疑似病例的临床研究，检出阳性标本166例。”彭年才说，中国的分子诊断仪器越来越多地在国际战场上崭露头角。

在3代PCR仪的角逐中，数字PCR还有诸多高技术和难点需要攻克，中国创新也在迎头赶上。科技部国家重点研发计划，对项目承担单位提出了要求，既要突破有针对性的核心技术，形成关键部件及样机，也要具有先进性，并达到一定市场占有率，接受市场的检验。

想吃正宗烤串 PCR能够测出是羊肉还是鸭肉

“目前，暂没有成熟的新技术能够取代PCR技术，它从原理上模拟了体内的生命过程，源于真实高于真实。”彭年才说，但现代的PCR解决方案，包括反应体系建立和核酸提取PCR试剂系统，以及包括光机电、自动化、计算机、热学等多个学科集合体的PCR仪器系统，在精度、广度和速度上实现了不断的超越。

三个维度的极限超越，将使得PCR技术的应用范围不断拓宽。“比如，夏天晚上你想吃点烧烤，却又疑虑这个羊肉串其实是鸭肉，这个鉴别的工作PCR技术当然能够胜任，PCR能够检测出羊肉相关的特异性基因片段，但我急等吃羊肉串，等不及啊，你能否在速度上有所突破？使PCR实验时间从小时缩短到数分钟，这就能更广泛地开辟应用新领域，相应也给科学家提出了新难题，从而也派生出快速PCR的新兴研究领域。”彭年才表示。

精度方面，在医疗领域的应用“眼里容不下半点沙子”，因此PCR应用初期的假阳性必须消除。随着技术的进步，通过反应体系的优化、实验室设计、PCR实验前后质控，以及仪器在精准高效的闭管操作、温控系统、科学合理的光学系统、软件系统等多方面的改进和突破，PCR仪器以及相关试剂盒均能够达到相关部门的医疗机构准入门槛。

据介绍，以PCR检测手段为代表的分子诊断目前已在医学检验、疫情防控、食品安全、检验检疫及法医鉴定等方面得到广泛应用，国家“十三五”规划等也出台政策，近年来中国市场每年以20%速率增长。近两年国家器审中心审批的分子诊断产品也越来越多。

除了对病原体、肿瘤等的检测，PCR应用还在探索新的领域。彭年才介绍，在高血压“看人给药”的精准诊断方面，PCR技术有了新的应用突破。“我们自主研发的高血压个体化用药荧光PCR熔解曲线法基因检测试剂,已经通过国家药监总局注册审批的，可以用标记探针检测高血压用药相关的七项基因突变指导五大类高血压用药。”彭年才解释，一种高血压药对不同的人疗效可能不同，PCR检测成本低、给报告快，可以找到患者最适宜的用药。

“现在PCR检测最快可1小时给出报告，但在很多领域还需多管齐下，更快给出诊断。”彭年才说，对于分子诊断高端设备来说，精度、广度、速度的极限突破将是自主创新者永恒的追求。张佳星