چندین دهه از کشف تکنیک PCR (Polymerase Chain Reaction) می‌گذرد و امروزه شاهد تبدیل شدن آن به یکی از پرکاربردترین روش‌های آزمایشگاهی مورداستفاده در بیولوژی هستیم. تکنیک‌های معدودی توانسته‌اند در این حد چهره زمینه مورداستفاده خود را تغییر دهند. انقلابی که PCR در تحقیقات بیولوژیکی و بیوتکنولوژي ایجاد کرد، چنان وسیع بود که می توان آن را به عنوان یکی از دلایل اصلی جهش ناگهانی این زمینه‌ها در ۲۰ سال گذشته درنظر گرفت.
ساده‌ترین تعریفی که می‌توان از PCR ارائه داد، روش تکثیر آنزیمی قطعه‌ای مشخص از DNA بدون نیاز به استفاده از سلول‌های زنده است. PCR با استفاده از کمترین میزان مواد اولیه، می‌تواند به صورت نمایی به تعداد زیادی قطعه DNA موردنظر را تکثیر کند. اندازه این قطعات ممکن است تا ۳۰-۴۰ کیلوباز هم برسد. تکنیک‌های کلون کردن ژن، توالی‌یابی ژنوم‌های پیچیده، انگشت‌نگاری DNA و روش‌های تشخیصی بر پایه DNA از جمله روش‌هایی هستند که با PCR امکان تحقق پیدا کردند و پیش از آن به طور موثری قابل انجام نبودند.
مقاله مرتبط: PCR چیست؟
Kary Mullis در سال ۱۹۸۳ و هنگام کار در شرکت Cetus در Emeryville کالیفرنیا، موفق به اختراع این تکنیک شد. وظیفه مولیس در این شرکت، سنتز الیگونوکلئوتیدها و نیز کار بر روی روش‌های تشخیص جهش‌های نقطه‌ای در ژن‌های انسانی بود. ایده مولیس، تشخیص جهش‌های نقطه‌ای با روش توالی‌یابی Sanger و با استفاده از DNA پلیمراز، در حضور پرایمرهای الیگونوکلئوتیدی و ddNTPها بود. اشکال کار در غیرممکن بودن توالی‌یابی یک ژن منفرد در حضور بسیاری از توالی‌های دیگر ژنوم بود: پرایمر می‌توانست به بسیاری از نواحی دیگر نیز متصل شود. او نیاز به روشی داشت که بتواند غلظت ژن موردنظرش را افزایش دهد.
هنگام رانندگی در بزرگراهی از سانفرانسیسکو به مندوسینو ایده خلاقانه‌ای به ذهن مولیس رسید: با استفاده از دو پرایمر که در جهات مخالف هم قرار دارند و یکی مکمل رشته بالایی و دیگری مکمل رشته پایینی است، و سپس انجام چندین چرخه پشت‌سرهم که متشکل از مراحل دناتوراسیون (denaturation)، اتصال (annealing) و گسترش (extending) هستند، می‌توان قطعه واقع در بین دو پرایمر را به صورت نمایی تکثیر کرد.
این گونه بود که ایده PCR متولد شد، اما در ابتدا بسیار ناپخته بود. در مراحل اولیه، DNA پلیمراز E. coli مورد استفاده قرار گرفت که در مرحله denaturation از بین می‌رفت و باید پس از هر چرخه جایگزین می‌شد. درنتیجه کارکنان Cetus یک دستگاه Thermal cycler به نام Mr Cycle ساختند که به صورت اتوماتیک پلیمرازهای جدید را پس از هر مرحله denaturation به مخلوط واکنش اضافه می‌کرد.
در سال ۱۹۸۵ مولیس تصمیم به استفاده از پلیمراز استخراج شده از باکتری حرارت‌دوست Thermophilus aquaticus گرفت. این پلیمراز که به Taq polymerase معروف است، در دمای ۷۲ درجه سانتیگراد بهترین عملکرد را دارد و می‌تواند تا دمای ۹۴ درجه را که برای مرحله denaturation موردنیاز است، تحمل کند. درنتیجه چرخه‌های فراوانی می‌توانند انجام شوند بدون اینکه نیاز به افزودن آنزیم باشد. این تحول به همراه پیشرفت‌های رخ‌داده در سنتز الیگونوکلئوتیدها PCR را به روشی مقرون به صرفه، آسان و سریع تبدیل کرد و درنتیجه این تکنیک به سرعت وارد کارهای تحقیقاتی شد. مولیس به مناسبت این اختراع مهم در سال ۱۹۹۳ برنده جایزه نوبل گردید.
PCR از زمان اختراع تاکنون، کاربردهای فراوانی در بیولوژی، پزشکی، پزشکی قانونی و باستان‌شناسی پیدا کرده است. شاید مهم‌ترین کاربرد این تکنیک در آزمایشگاه، استفاده از آن در کلون‌کردن مولکول‌ها بوده است. به عنوان مثال، ممکن است در آزمایشی نیاز به طراحی پلاسمیدی حاوی یک ژن ریپورتر مانند GFP داشته باشیم که توسط توالی پروموتور مخصوص پستانداران کنترل شود. پیش از توسعه PCR، ساخت چنین وکتوری نیاز به استخراج مقادیر کافی توالی پروموتر از منبع DNA ژنومی داشت، که فرایندی دشوار بود. این در حالی است که با استفاده از PCR می‌توان به آسانی پرایمر اختصاصی توالی موردنظر را طراحی و آن را تکثیر کرد. این توالی می‌تواند به درون وکتور الحاق شود. سهولت تولید چنین وکتورهایی توسط PCR، باعث ایجاد ارگانیسم‌های transgenicای شده است که بدون وجود این تکنیک امکان تولید نداشتند.
کاربرد پیچیده‌تر PCR، تکنیک real-time PCR است که امروزه در بسیاری از آزمایشگاه‌های بیولوژي کاربرد دارد. این تکنیک امکان سنجش کمی RNAهای رونویسی شده در سلول و یا بافت موردنظر را فراهم می‌کند و درنتیجه زمانی به کار می‌رود که بخواهیم از میزان بیان ژن موردنظرمان باخبر شویم. Northern blotting هم می‌تواند به این منظور به کار رود، اما انجام آن زمان‌بر است و نیاز به تعداد زیادی از سلول‌های اولیه که به منظور استخراج RNA به کار می‌روند دارد. در مقابل، real-time PCR می‌تواند در نمونه‌های با اندازه کوچک حتی در حد یک سلول واحد به کار رود. این کار تاهمین اواخر غیرممکن به نظر می‌رسید.
انقلابی که PCR در بیولوژی ایجاد کرده است، محدود به آزمایشگاه نیست. قدرت و حساسیت این تکنیک به این معنا است که می‌تواند در پزشکی قانونی بسیار مفید باشد. انگشت‌نگاری DNA تکنیکی است که توسط آن می‌توان مقادیر بسیار اندک (غالبا در حد پیکوگرم) DNA را از خون، بزاق و منی بازیابی و با استفاده از PCR آنالیز کرد و درنتیجه می‌توان پی برد که مایعات یافت شده متعلق به فرد موردنظر هستند یا نه. در این تکنیک PCR می‌تواند STRهای ژنوم فرد را تکثیر و اثر انگشت ژنتیکی تولید کند. با مقایسه طول و دفعات تکرار STRها بین مظنون‌های مختلف، می‌توان به نتیجه قطعی رسید. به طرز مشابهی، حساسیت PCR و پایداری نسبی مولکول DNA باعث شده است که در حوزه بازیابی DNA باستانی که به بازیابی و بررسی DNA موجود در گیاهان و جانوران فسیل‌شده می‌پردازد، کاربرد پیدا کند.
PCR از زمان کشفش تاکنون کاربردهای فراوانی در داخل و خارج آزمایشگاه پیدا کرده است و پویایی فراوانی دارد؛ به طوری که تا به امروز ۱۰۰ها تکنیک مبتنی بر PCR ایجاد شده‌اند. اصلاحات و پیشرفت‌های فراوانی دائما در حال انجام شدن هستند؛ به عنوان مثال تکنیک TAIL-PCR کلون کردن آسان قطعات مجاور نواحی با توالی شناخته شده را ممکن می‌کند. با توسعه دائمی تکنیک‌های جدیدتری از PCR به نظر می‌رسد که این تکنیک انقلابی تا مدت‌ها جزء مهمی از بیوتکنولوژی مولکولی خواهد ماند.
