核酸检测是什么原理?

最近,许多朋友都做了很多次核酸检测。我们都知道,核酸检测的目的是为了筛查新冠病毒的感染者。可是你知道吗?为什么一个小小的棉签,就能从几千万人中筛查出携带病毒的人呢?今天呀我就要来给大家讲讲核酸检测到底是什么原理。

一、什么是核酸
大家知道:人体是由许许多多个细胞构成的。细胞有细胞膜,它是保护细胞的。有许许多多的细胞器,它能执行各种各样的功能,还有一个细胞核,里面有一种叫做染色体的物质,染色体上缠绕着一种双螺旋的结构,叫做脱氧核糖核酸,简称叫做DNA。大家知道,DNA是干什么的吗?

从细胞到DNA
如果我们把DNA再放大一些,你会发现它是由一片一片的核苷酸组成的,就好像一座城堡是由一块一块的砖头拼出来的一样。核苷酸一共有四种,分别叫做A、T、C、G。而且它们有个规则:A一定和T对着,C一定和G对着,这叫做互补配对原则。大家一定要记住这个原则,因为核酸检测就是利用了这个原理。

DNA上的脱氧核苷酸序列
虽然生物千奇百怪,可是它们的遗传信息都是由这四种核苷酸记录的。打个比方:7种音符可以组成无数美妙的旋律,26个英文字母也可以组成莎士比亚的名作。利用A、T、C、G四种核苷酸的不同排列组合,就能代表生物不同的遗传信息。人们还给这种排列组合起了个名字——基因。每种生物都有自己特殊的基因,通过观察基因,我们就能知道这是哪种生物的DNA了。

除了脱氧核糖核酸DNA以外,生物体还有一种核酸,叫做核糖核酸,简称RNA,它是做什么的呢?

因为DNA在染色体上,染色体个头很大,在细胞核里出不来,它的遗传信息怎么表达呢?细胞会在细胞核里以DNA为模板,制造出单链的RNA,RNA也是由四种核苷酸构成的,它通过与DNA互补配对,也能携带遗传信息。

随后,细小的RNA会从细胞核的核孔中出来,找到一种细胞器——核糖体。RNA会告诉核糖体,按照遗传信息的命令生产各种各样的蛋白质,蛋白质是我们生命的重要组成部分,我身体里许许多多的功能都是由蛋白质完成的。

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从DNA、信使RNA和蛋白质的合成
从DNA,产生RNA,再由RNA指导核糖体制造蛋白质,整个过程叫做中心法则,是细胞的核心功能。我们打一个比方吧:如果说细胞是一个工厂,那么DNA就是厂长,他负责制定生产计划,但是,厂长在办公室里,轻易不出来,他不会直接来到车间告诉工人生产什么,而是要通过车间主任转达,车间主任就是RNA,他先在办公室里听取领导的指示,然后来到生产车间,这个车间就是核糖体。车间里的工人在车间主任的指导下,生产的产品就是蛋白质。细胞生产的效率非常高,现在世界上的任何一个企业的效率,都远远赶不上一个细胞。

细胞工厂
讲到这里,大家是否明白了?核酸有两种:DNA和RNA,它们都能携带遗传信息。我们人类是以DNA为主要遗传物质,RNA是作为DNA的信使。但也有些病毒,它们没有DNA,而是直接用RNA进行遗传。新冠病毒就是这样的病毒,我们要判断一个人有没有新冠病毒,就要看这个人的细胞里有没有新冠病毒对应的RNA序列。

 

二、核酸如何复制
可是,大白在我们的嗓子或鼻子里捅了一下,能够拿到的细胞非常少,如果有病毒,含量也很低。而且,每天成千上万人进行核酸检测,要找到那么一两个感染者,实在太难了,我们该怎么办呢?

大家想:大海捞针很困难,但是如果大海里的针可以繁殖,1根变2根,2根变4根,4根变8根……我让它繁殖40次,那么一根针就会变1万亿根针,这时再找起来,不就方便多了吗?

所以呀,我们要进行核酸检测,首先必须要让病毒的核酸进行复制。你知道自然界中的核酸复制过程是怎样的吗?

我们的细胞每天都在分裂,细胞分裂时,DNA就随之复制了。我们可以想象成:如果一家工厂开了分厂,那么就必须再培养出一个厂长来。在这个过程中,许多生物催化剂——酶发挥了重要的作用,它可以利用细胞中的核苷酸复制出新的DNA。你可以把酶想象成一种工具,比如螺丝钉,瓶起子,有了这些工具,核苷酸就能组成DNA,没有这些工具,DNA就完全无法复制,就好像如果你没有瓶起子,就怎么也打不开一瓶饮料一样。

DNA复制的具体的过程是这样的:

首先,在解旋酶的作用下,DNA的双螺旋结构会打开,形成两条单链。

解旋酶打开DNA双链
随后,在引物酶的作用下,细胞中的核苷酸会按照互补配对的原则,在原来的DNA链上形成一小段引物。引物的作用非同小可,它可以为后面的DNA复制做基础,有点类似于合唱中起头的同学,或者旅游团中的导游。如果没有引物,DNA是没办法复制的。

引物形成
然后,第三种酶——DNA聚合酶出现了,在它的催化作用下,细胞中的核苷酸会一个一个按照碱基互补配对原则,接在引物后方,形成两条新的DNA链。就好像小朋友们,用灵巧的双手,按照图纸把积木一个个搭好了一样。

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DNA复制
最后,还有一种叫做DNA连接酶的东西,它会修复新链上的缝隙,就好像对积木做最后的检查。

这样,一条新的DNA双链就形成了。你看,现在一对DNA链变成了两对,实现了DNA的复制。

可是,生物界的DNA复制速度并不快。以分裂最快的细菌为例,在环境合适的条件下,大约30分钟分裂一次。如果用这个速度进行复制,繁殖40次大约需要20个小时。能不能用人工方法,对这个过程进行加速呢?

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细菌的分裂

三、聚合酶链式反应
在40年前,美国有一个科学家,名字叫穆利斯,他就发明了一种方法,可以在细胞外对核酸进行复制,而且速度特别快,人们管这种方法叫做聚合酶链式反应,简称为PCR。这是一种非常重要的生物方法,如果你想嘲笑一个生物系的学生学的不好,就可以说:他连PCR都不会做。现在的核酸检测就是使用了PCR的方法。

穆利斯
PCR具体做法是:

首先把核酸样品加热到94~98摄氏度,持续20到30秒。在高温下,DNA会发生变性,双螺旋解开,变成两条单链。你看,这个步骤和生物细胞中的解旋酶的作用一样。

然后,再把样本温度降低到50~65摄氏度,持续20到40秒,同时加入特定的引物。大家还记得引物的作用吗?引物是一小段核苷酸序列,它会按照互补配对原则,黏附在原来的DNA的特定片段上,给后续的DNA的复制起头。

第三步,把样本温度再提高到75到80摄氏度,同时加入足够的核苷酸和DNA聚合酶,这些核苷酸就好像积木一样,按照碱基互补配对原则,黏附在原来的DNA上引物的后方,形成新的DNA链条。

最后,再重复这三个步骤。

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简单来说,PCR的方法就是利用温度控制,人为的让核酸进行复制。因为一个周期的时间很短,所以复制的速度很快。打个比方吧:通常的鸡每天下一个蛋,我们想提高下蛋的速度,怎么办呢?我们可以调整灯光,让鸡棚里6小时有灯,6个小时没有灯,鸡就会以为1天是12小时,它就会12小时下一个蛋了。

同样,经过一个循环,我们就能对DNA进行一次复制,时间只需要大约4分钟。如果我们反复进行这个循环,DNA就能一次次被复制。复制40次,时间也只需要2个多小时,却能把DNA复制一万亿倍。

在发明PCR的过程中,有一个难题,那就是第三步中的聚合酶要耐高温才行,而生物界大部分的酶都承受不了这么高的温度,这可怎么办?幸好,有一名中国台湾的女科学家钱嘉韵。她发现:美国黄石公园里有很多的温泉,这些温泉中有一些嗜热菌,可以在高温下生活。她通过对这些细菌的研究,发现了能够耐高温的DNA聚合酶,解决了PCR最大的难题。

钱嘉韵
了解了什么是核酸、生物中的DNA复制和人工的PCR方法之后,我们就可以解释新冠病毒的核酸检测到底是什么原理了。

冠状病毒有一个蛋白质外壳,上面长满了刺突——这是病毒侵入我们人体细胞的钥匙。在外壳内部,藏着病毒的的遗传物质——核糖核酸,也就刚才所说的RNA。我们就是要检查样本中有没有新冠病毒的RNA序列。

新冠病毒模型
样本送到实验室后,工作人员会首先用一些化学药剂把病毒的蛋白质外壳溶解掉,让内部的RNA释放出来,这个过程叫做裂解。之后,还要加入药品进行洗涤,再把样品放在离心机里旋转,让核酸和其他杂质分开,经过几个步骤后,我们就能获得比较纯净的RNA了。

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裂解、洗涤和离心
但是,RNA不稳定,容易断掉,不能直接进行PCR扩增。所以,我们要首先以RNA模板,复制出跟病毒RNA对应的DNA来,这个过程叫做逆转录,然后再对这段代表病毒的DNA进行PCR扩增。

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从RNA制造互补DNA
科研人员已经知道了病毒的RNA序列,于是就能制作出针对病毒核酸的引物,大家还记得引物吗?它能附着在DNA上,给DNA的复制起头。因为这种引物是针对病毒核酸的,它的序列只能和病毒核酸互补配对,所以也只能附着在病毒核酸上,而对其他DNA视而不见。在进行扩增时,也只有这一种病毒的核酸会被复制。

说起来,在这方面,我国也对世界做出了贡献。在2020年1月份,新冠病毒刚刚开始流行,中国疾病预防控制中心CDC就发布了新冠病毒的RNA测序结果,并且推荐了可以制作引物的序列,向全世界公布。

随后,就是PCR扩增的过程了。现在的PCR机器都是全自动的,只要把样本和引物、聚合酶、核苷酸统统放进去,按下电钮,机器就会自动升温降温循环,而且一台机器同时可以检测96管样本,如果一管样本里混合了10个人的核酸,一次就能检查960个人了。如果一次检测4小时,一台机器一天就能检测5760人。现在你知道,为什么一天几千万人的核酸检测是怎么做的了吧?

PCR机器
大家想:如果样本中压根没有病毒核酸,那无论复制多少次,都不会有什么效果;但是如果样本中有病毒核酸,经过几次复制后,病毒核酸就会越来越多。而且,这种区别是可以实时观察的,这是因为我们还在样本中加入了一种荧光探针——一小段核苷酸序列,连接两个基团。

荧光探针不能发光
这种荧光探针能够附着在病毒核酸上,而且它的两端分别连着一个荧光基团和一个淬灭基团。平时,用紫外线照射探针,探针的荧光基团不能发光,因为淬灭基团会剥夺荧光基团的能量。可是,如果把探针拆散,荧光基团和淬灭基团分开,在紫外线照射下,荧光基团就能发光了。就好像你把钱送到验钞机的紫外灯下,你会发现钱上的防伪标记会发光一样。

淬灭基团和荧光基团分开,紫外线照射下荧光基团发光
在PCR扩增的过程中,荧光探针首先附着在病毒核酸上,病毒核酸复制时,发现了这个探针挡路,就会毫不客气的把它清除。这时,荧光基团和淬灭基团就分开了,我们就能发现荧光。

探针发光原理
在PCR的过程中,我们不停的用紫外线照射样本,如果探我们逐渐看到样本发出的荧光了,就说明病毒核酸越来越多了,这就叫实时定量荧光PCR法。

实时定量荧光PCR
人们将最初样本发出的荧光值的10倍定为阈值,当荧光强度超过阈值时,PCR循环的次数就叫做Ct值。显然,Ct值越小,就说明初始样本的病毒浓度很高,是病毒感染者;而如果Ct值很大,就说明样本中没有病毒,或者样本中病毒含量非常低。我国把Ct值低于37的定为阳性,把Ct值大于40定为阴性,37~40之间称为疑似。

同学们,这节课讲完了,我们学习到了什么?不如来做个总结吧!

首先我们学习了什么是核酸:核酸是生物遗传物质,它分为两种:DNA和RNA,我们人类是依靠DNA进行遗传的,而新冠病毒的遗传物质是RNA,核酸检测就是要检测样本中有没有病毒的RNA。

然后,我们学习了DNA的复制过程。DNA双螺旋结构打开,按照碱基互补配对原则,形成新的DNA链条,一对DNA就变成了两对。

再然后,我们学习了用人工方法进行DNA复制,这就是PCR方法。它的效率非常高,几分钟就能复制一次。我们还知道,PCR中耐高温的酶是中国台湾的科学家找到的。

最后,我们学习了整个核酸检测的流程,首先要对核酸进行提纯,然后把RNA核酸变成DNA核酸,再对DNA核酸进行扩增,最后用紫外线灯照射,观察荧光,从而确定病毒含量。

小朋友们,现在你知道核酸检测的原理了吧!其实,这种方法不光能用来检测新冠病毒,它对于整个生物技术和医疗领域的意义非常重大。比如我们经常在影视剧里看到警察在犯罪现场提取了凶手一点点的DNA,就能锁定凶手,就是利用了这种技术。

还有,以前病人感染了某种病毒或者细菌生命垂危,但是却因为不知道是什么细菌或者病毒,耽误了治疗。现在有了这种检测方法,就可以取病人的样本,对每一种怀疑的细菌或病毒的核酸序列进行测试,哪种检测成功了,就说明感染的是哪种微生物,这种方法正在挽救越来越多的人的生命。

作者:李永乐老师官方 https://www.bilibili.com/read/cv17030303

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