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PCR，全称聚合酶链式反应，是一种在体外快速扩增特定DNA序列的技术，由科学家Kary Mullis于1983年发明。这项技术通过模拟细胞内的DNA复制过程，利用酶促反应，在短时间内获得大量目标DNA片段。PCR技术的发明彻底改变了分子生物学研究，为基因检测、克隆和测序等领域提供了强大工具。
PCR试验主要包括三个核心步骤，这些步骤在一个循环中重复进行。第一步是变性，通过高温处理，通常是94到98摄氏度，使双链DNA分子中的氢键断裂，解开成两条单链。第二步是退火，将温度降低到50到65摄氏度，使人工合成的引物能够与单链DNA模板上的互补序列特异性结合。第三步是延伸，在72摄氏度左右，耐热DNA聚合酶以引物为起点，以单链DNA为模板，合成新的DNA链。通过重复这三个步骤，目标DNA序列的数量会呈指数级增长。
PCR的第一步是变性，通过高温处理，通常是94到98摄氏度，使双链DNA分子中的氢键断裂，解开成两条单链。这一步骤通常持续30秒至1分钟，其目的是破坏DNA双链结构中的氢键，使双链DNA解旋成为单链。这些单链DNA将作为后续PCR反应的模板，为引物结合和DNA合成提供基础。变性温度必须足够高以确保DNA完全解旋，但又不能过高导致DNA降解或酶失活。这一步完成后，反应体系中的DNA全部以单链形式存在，为下一步退火做好准备。
PCR的第二步是退火，温度降低到50到65摄氏度，使人工合成的引物能够与单链DNA模板上的互补序列特异性结合。引物是DNA聚合酶开始合成新链的起点，通常是长度为18到25个核苷酸的短DNA片段。退火温度的选择非常关键，它必须足够低以允许引物与模板结合，但又要足够高以确保结合的特异性。PCR的第三步是延伸，在72摄氏度左右，耐热DNA聚合酶如Taq酶以引物为起点，以单链DNA为模板，利用溶液中的脱氧核苷酸三磷酸（dNTPs）为原料，按照碱基配对原则合成新的DNA链。延伸时间取决于目标片段的长度，一般每扩增1000个碱基需要约1分钟。
PCR技术的核心在于其循环扩增过程。每个PCR循环包括变性、退火和延伸三个步骤，每完成一个循环，目标DNA的数量就会翻倍。通常，PCR反应会进行25到35个循环。理论上，经过n个循环后，目标DNA的数量会增加2的n次方倍。例如，经过5个循环后，DNA数量增加32倍；10个循环后，增加1024倍；20个循环后，增加约100万倍；30个循环后，增加约10亿倍。这种指数级扩增使得PCR能够从极少量的起始材料中获得足够的DNA用于后续分析。PCR技术的这一特性使其成为分子生物学、医学诊断、法医学和基因工程等领域不可或缺的工具。