如何向孩子解釋核酸檢測的原理？

各位小朋友們、同學(xué)們！大家好！我是北京市少先隊(duì)校外輔導(dǎo)員李永樂老師，來自于中國人民大學(xué)附屬中學(xué)。

最近，許多小朋友都做了很多次核酸檢測。我們都知道，核酸檢測的目的是為了篩查新冠病毒的感染者。可是你知道嗎？為什么一個(gè)小小的棉簽，就能從幾千萬人中篩查出攜帶病毒的人呢？今天呀我就要來給大家講講核酸檢測到底是什么原理。

一、什么是核酸

為了告訴大家核酸檢測的原理，我們首先得知道什么是核酸。

大家知道：人體是由許許多多個(gè)細(xì)胞構(gòu)成的。細(xì)胞有細(xì)胞膜，它是保護(hù)細(xì)胞的。有許許多多的細(xì)胞器，它能執(zhí)行各種各樣的功能，還有一個(gè)細(xì)胞核，里面有一種叫做染色體的物質(zhì)，染色體上纏繞著一種雙螺旋的結(jié)構(gòu)，叫做脫氧核糖核酸，簡稱叫做DNA。大家知道，DNA是干什么的嗎？

從細(xì)胞到DNA

如果我們把DNA再放大一些，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它是由一片一片的核苷酸組成的，就好像一座城堡是由一塊一塊的磚頭拼出來的一樣。核苷酸一共有四種，分別叫做A、T、C、G。而且它們有個(gè)規(guī)則：A一定和T對著，C一定和G對著，這叫做互補(bǔ)配對原則。大家一定要記住這個(gè)原則，因?yàn)楹怂釞z測就是利用了這個(gè)原理。

DNA上的脫氧核苷酸序列

雖然生物千奇百怪，可是它們的遺傳信息都是由這四種核苷酸記錄的。打個(gè)比方：7種音符可以組成無數(shù)美妙的旋律，26個(gè)英文字母也可以組成莎士比亞的名作。利用A、T、C、G四種核苷酸的不同排列組合，就能代表生物不同的遺傳信息。人們還給這種排列組合起了個(gè)名字——基因。每種生物都有自己特殊的基因，通過觀察基因，我們就能知道這是哪種生物的DNA了。

除了脫氧核糖核酸DNA以外，生物體還有一種核酸，叫做核糖核酸，簡稱RNA，它是做什么的呢？

因?yàn)镈NA在染色體上，染色體個(gè)頭很大，在細(xì)胞核里出不來，它的遺傳信息怎么表達(dá)呢？細(xì)胞會(huì)在細(xì)胞核里以DNA為模板，制造出單鏈的RNA，RNA也是由四種核苷酸構(gòu)成的，它通過與DNA互補(bǔ)配對，也能攜帶遺傳信息。

隨后，細(xì)小的RNA會(huì)從細(xì)胞核的核孔中出來，找到一種細(xì)胞器——核糖體。RNA會(huì)告訴核糖體，按照遺傳信息的命令生產(chǎn)各種各樣的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是我們生命的重要組成部分，我身體里許許多多的功能都是由蛋白質(zhì)完成的。

從DNA、信使RNA和蛋白質(zhì)的合成

從DNA，產(chǎn)生RNA，再由RNA指導(dǎo)核糖體制造蛋白質(zhì)，整個(gè)過程叫做中心法則，是細(xì)胞的核心功能。我們打一個(gè)比方吧：如果說細(xì)胞是一個(gè)工廠，那么DNA就是廠長，他負(fù)責(zé)制定生產(chǎn)計(jì)劃，但是，廠長在辦公室里，輕易不出來，他不會(huì)直接來到車間告訴工人生產(chǎn)什么，而是要通過車間主任轉(zhuǎn)達(dá)，車間主任就是RNA，他先在辦公室里聽取領(lǐng)導(dǎo)的指示，然后來到生產(chǎn)車間，這個(gè)車間就是核糖體。車間里的工人在車間主任的指導(dǎo)下，生產(chǎn)的產(chǎn)品就是蛋白質(zhì)。細(xì)胞生產(chǎn)的效率非常高，現(xiàn)在世界上的任何一個(gè)企業(yè)的效率，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上一個(gè)細(xì)胞。

細(xì)胞工廠

講到這里，大家是否明白了？核酸有兩種：DNA和RNA，它們都能攜帶遺傳信息。我們?nèi)祟愂且訢NA為主要遺傳物質(zhì)，RNA是作為DNA的信使。但也有些病毒，它們沒有DNA，而是直接用RNA進(jìn)行遺傳。新冠病毒就是這樣的病毒，我們要判斷一個(gè)人有沒有新冠病毒，就要看這個(gè)人的細(xì)胞里有沒有新冠病毒對應(yīng)的RNA序列。

二、核酸如何復(fù)制

可是，大白在我們的嗓子或鼻子里捅了一下，能夠拿到的細(xì)胞非常少，如果有病毒，含量也很低。而且，每天成千上萬人進(jìn)行核酸檢測，要找到那么一兩個(gè)感染者，實(shí)在太難了，我們該怎么辦呢？

大家想：大海撈針很困難，但是如果大海里的針可以繁殖，1根變2根，2根變4根，4根變8根……我讓它繁殖40次，那么一根針就會(huì)變1萬億根針，這時(shí)再找起來，不就方便多了嗎？

所以呀，我們要進(jìn)行核酸檢測，首先必須要讓病毒的核酸進(jìn)行復(fù)制。你知道自然界中的核酸復(fù)制過程是怎樣的嗎？

我們的細(xì)胞每天都在分裂，細(xì)胞分裂時(shí)，DNA就隨之復(fù)制了。我們可以想象成：如果一家工廠開了分廠，那么就必須再培養(yǎng)出一個(gè)廠長來。在這個(gè)過程中，許多生物催化劑——酶發(fā)揮了重要的作用，它可以利用細(xì)胞中的核苷酸復(fù)制出新的DNA。你可以把酶想象成一種工具，比如螺絲釘，瓶起子，有了這些工具，核苷酸就能組成DNA，沒有這些工具，DNA就完全無法復(fù)制，就好像如果你沒有瓶起子，就怎么也打不開一瓶飲料一樣。

DNA復(fù)制的具體的過程是這樣的：

首先，在解旋酶的作用下，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)打開，形成兩條單鏈。

解旋酶打開DNA雙鏈

隨后，在引物酶的作用下，細(xì)胞中的核苷酸會(huì)按照互補(bǔ)配對的原則，在原來的DNA鏈上形成一小段引物。引物的作用非同小可，它可以為后面的DNA復(fù)制做基礎(chǔ)，有點(diǎn)類似于合唱中起頭的同學(xué)，或者旅游團(tuán)中的導(dǎo)游。如果沒有引物，DNA是沒辦法復(fù)制的。

引物形成

然后，第三種酶——DNA聚合酶出現(xiàn)了，在它的催化作用下，細(xì)胞中的核苷酸會(huì)一個(gè)一個(gè)按照堿基互補(bǔ)配對原則，接在引物后方，形成兩條新的DNA鏈。就好像小朋友們，用靈巧的雙手，按照圖紙把積木一個(gè)個(gè)搭好了一樣。

DNA復(fù)制

最后，還有一種叫做DNA連接酶的東西，它會(huì)修復(fù)新鏈上的縫隙，就好像對積木做最后的檢查。

這樣，一條新的DNA雙鏈就形成了。你看，現(xiàn)在一對DNA鏈變成了兩對，實(shí)現(xiàn)了DNA的復(fù)制。

可是，生物界的DNA復(fù)制速度并不快。以分裂最快的細(xì)菌為例，在環(huán)境合適的條件下，大約30分鐘分裂一次。如果用這個(gè)速度進(jìn)行復(fù)制，繁殖40次大約需要20個(gè)小時(shí)。能不能用人工方法，對這個(gè)過程進(jìn)行加速呢？

細(xì)菌的分裂

三、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

在40年前，美國有一個(gè)科學(xué)家，名字叫穆利斯，他就發(fā)明了一種方法，可以在細(xì)胞外對核酸進(jìn)行復(fù)制，而且速度特別快，人們管這種方法叫做聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，簡稱為PCR。這是一種非常重要的生物方法，如果你想嘲笑一個(gè)生物系的學(xué)生學(xué)的不好，就可以說：他連PCR都不會(huì)做。現(xiàn)在的核酸檢測就是使用了PCR的方法。

穆利斯

PCR具體做法是：

首先把核酸樣品加熱到94~98攝氏度，持續(xù)20到30秒。在高溫下，DNA會(huì)發(fā)生變性，雙螺旋解開，變成兩條單鏈。你看，這個(gè)步驟和生物細(xì)胞中的解旋酶的作用一樣。

然后，再把樣本溫度降低到50~65攝氏度，持續(xù)20到40秒，同時(shí)加入特定的引物。大家還記得引物的作用嗎？引物是一小段核苷酸序列，它會(huì)按照互補(bǔ)配對原則，黏附在原來的DNA的特定片段上，給后續(xù)的DNA的復(fù)制起頭。

第三步，把樣本溫度再提高到75到80攝氏度，同時(shí)加入足夠的核苷酸和DNA聚合酶，這些核苷酸就好像積木一樣，按照堿基互補(bǔ)配對原則，黏附在原來的DNA上引物的后方，形成新的DNA鏈條。

最后，再重復(fù)這三個(gè)步驟。

簡單來說，PCR的方法就是利用溫度控制，人為的讓核酸進(jìn)行復(fù)制。因?yàn)橐粋€(gè)周期的時(shí)間很短，所以復(fù)制的速度很快。打個(gè)比方吧：通常的雞每天下一個(gè)蛋，我們想提高下蛋的速度，怎么辦呢？我們可以調(diào)整燈光，讓雞棚里6小時(shí)有燈，6個(gè)小時(shí)沒有燈，雞就會(huì)以為1天是12小時(shí)，它就會(huì)12小時(shí)下一個(gè)蛋了。

同樣，經(jīng)過一個(gè)循環(huán)，我們就能對DNA進(jìn)行一次復(fù)制，時(shí)間只需要大約4分鐘。如果我們反復(fù)進(jìn)行這個(gè)循環(huán)，DNA就能一次次被復(fù)制。復(fù)制40次，時(shí)間也只需要2個(gè)多小時(shí)，卻能把DNA復(fù)制一萬億倍。

在發(fā)明PCR的過程中，有一個(gè)難題，那就是第三步中的聚合酶要耐高溫才行，而生物界大部分的酶都承受不了這么高的溫度，這可怎么辦？幸好，有一名中國臺灣的女科學(xué)家錢嘉韻。她發(fā)現(xiàn)：美國黃石公園里有很多的溫泉，這些溫泉中有一些嗜熱菌，可以在高溫下生活。她通過對這些細(xì)菌的研究，發(fā)現(xiàn)了能夠耐高溫的DNA聚合酶，解決了PCR最大的難題。

錢嘉韻

四、核酸檢測的步驟

了解了什么是核酸、生物中的DNA復(fù)制和人工的PCR方法之后，我們就可以解釋新冠病毒的核酸檢測到底是什么原理了。

冠狀病毒有一個(gè)蛋白質(zhì)外殼，上面長滿了刺突——這是病毒侵入我們?nèi)梭w細(xì)胞的鑰匙。在外殼內(nèi)部，藏著病毒的的遺傳物質(zhì)——核糖核酸，也就剛才所說的RNA。我們就是要檢查樣本中有沒有新冠病毒的RNA序列。

新冠病毒模型

樣本送到實(shí)驗(yàn)室后，工作人員會(huì)首先用一些化學(xué)藥劑把病毒的蛋白質(zhì)外殼溶解掉，讓內(nèi)部的RNA釋放出來，這個(gè)過程叫做裂解。之后，還要加入藥品進(jìn)行洗滌，再把樣品放在離心機(jī)里旋轉(zhuǎn)，讓核酸和其他雜質(zhì)分開，經(jīng)過幾個(gè)步驟后，我們就能獲得比較純凈的RNA了。

裂解、洗滌和離心

但是，RNA不穩(wěn)定，容易斷掉，不能直接進(jìn)行PCR擴(kuò)增。所以，我們要首先以RNA模板，復(fù)制出跟病毒RNA對應(yīng)的DNA來，這個(gè)過程叫做逆轉(zhuǎn)錄，然后再對這段代表病毒的DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增。

從RNA制造互補(bǔ)DNA

科研人員已經(jīng)知道了病毒的RNA序列，于是就能制作出針對病毒核酸的引物，大家還記得引物嗎？它能附著在DNA上，給DNA的復(fù)制起頭。因?yàn)檫@種引物是針對病毒核酸的，它的序列只能和病毒核酸互補(bǔ)配對，所以也只能附著在病毒核酸上，而對其他DNA視而不見。在進(jìn)行擴(kuò)增時(shí)，也只有這一種病毒的核酸會(huì)被復(fù)制。

說起來，在這方面，我國也對世界做出了貢獻(xiàn)。在2020年1月份，新冠病毒剛剛開始流行，中國疾病預(yù)防控制中心CDC就發(fā)布了新冠病毒的RNA測序結(jié)果，并且推薦了可以制作引物的序列，向全世界公布。

隨后，就是PCR擴(kuò)增的過程了?，F(xiàn)在的PCR機(jī)器都是全自動(dòng)的，只要把樣本和引物、聚合酶、核苷酸統(tǒng)統(tǒng)放進(jìn)去，按下電鈕，機(jī)器就會(huì)自動(dòng)升溫降溫循環(huán)，而且一臺機(jī)器同時(shí)可以檢測96管樣本，如果一管樣本里混合了10個(gè)人的核酸，一次就能檢查960個(gè)人了。如果一次檢測4小時(shí)，一臺機(jī)器一天就能檢測5760人?，F(xiàn)在你知道，為什么一天幾千萬人的核酸檢測是怎么做的了吧？

PCR機(jī)器

大家想：如果樣本中壓根沒有病毒核酸，那無論復(fù)制多少次，都不會(huì)有什么效果；但是如果樣本中有病毒核酸，經(jīng)過幾次復(fù)制后，病毒核酸就會(huì)越來越多。而且，這種區(qū)別是可以實(shí)時(shí)觀察的，這是因?yàn)槲覀冞€在樣本中加入了一種熒光探針——一小段核苷酸序列，連接兩個(gè)基團(tuán)。

熒光探針不能發(fā)光

這種熒光探針能夠附著在病毒核酸上，而且它的兩端分別連著一個(gè)熒光基團(tuán)和一個(gè)淬滅基團(tuán)。平時(shí)，用紫外線照射探針，探針的熒光基團(tuán)不能發(fā)光，因?yàn)榇銣缁鶊F(tuán)會(huì)剝奪熒光基團(tuán)的能量。可是，如果把探針拆散，熒光基團(tuán)和淬滅基團(tuán)分開，在紫外線照射下，熒光基團(tuán)就能發(fā)光了。就好像你把錢送到驗(yàn)鈔機(jī)的紫外燈下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)錢上的防偽標(biāo)記會(huì)發(fā)光一樣。

淬滅基團(tuán)和熒光基團(tuán)分開，紫外線照射下熒光基團(tuán)發(fā)光

在PCR擴(kuò)增的過程中，熒光探針首先附著在病毒核酸上，病毒核酸復(fù)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這個(gè)探針擋路，就會(huì)毫不客氣的把它清除。這時(shí)，熒光基團(tuán)和淬滅基團(tuán)就分開了，我們就能發(fā)現(xiàn)熒光。

探針發(fā)光原理

在PCR的過程中，我們不停的用紫外線照射樣本，如果探我們逐漸看到樣本發(fā)出的熒光了，就說明病毒核酸越來越多了，這就叫實(shí)時(shí)定量熒光PCR法。

實(shí)時(shí)定量熒光PCR

人們將最初樣本發(fā)出的熒光值的10倍定為閾值，當(dāng)熒光強(qiáng)度超過閾值時(shí)，PCR循環(huán)的次數(shù)就叫做Ct值。顯然，Ct值越小，就說明初始樣本的病毒濃度很高，是病毒感染者；而如果Ct值很大，就說明樣本中沒有病毒，或者樣本中病毒含量非常低。我國把Ct值低于37的定為陽性，把Ct值大于40定為陰性，37~40之間稱為疑似。

同學(xué)們，這節(jié)課講完了，我們學(xué)習(xí)到了什么？不如來做個(gè)總結(jié)吧！

首先我們學(xué)習(xí)了什么是核酸：核酸是生物遺傳物質(zhì)，它分為兩種：DNA和RNA，我們?nèi)祟愂且揽緿NA進(jìn)行遺傳的，而新冠病毒的遺傳物質(zhì)是RNA，核酸檢測就是要檢測樣本中有沒有病毒的RNA。

然后，我們學(xué)習(xí)了DNA的復(fù)制過程。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)打開，按照堿基互補(bǔ)配對原則，形成新的DNA鏈條，一對DNA就變成了兩對。

再然后，我們學(xué)習(xí)了用人工方法進(jìn)行DNA復(fù)制，這就是PCR方法。它的效率非常高，幾分鐘就能復(fù)制一次。我們還知道，PCR中耐高溫的酶是中國臺灣的科學(xué)家找到的。

最后，我們學(xué)習(xí)了整個(gè)核酸檢測的流程，首先要對核酸進(jìn)行提純，然后把RNA核酸變成DNA核酸，再對DNA核酸進(jìn)行擴(kuò)增，最后用紫外線燈照射，觀察熒光，從而確定病毒含量。

小朋友們，現(xiàn)在你知道核酸檢測的原理了吧！其實(shí)，這種方法不光能用來檢測新冠病毒，它對于整個(gè)生物技術(shù)和醫(yī)療領(lǐng)域的意義非常重大。比如我們經(jīng)常在影視劇里看到警察在犯罪現(xiàn)場提取了兇手一點(diǎn)點(diǎn)的DNA，就能鎖定兇手，就是利用了這種技術(shù)。

還有，以前病人感染了某種病毒或者細(xì)菌生命垂危，但是卻因?yàn)椴恢朗鞘裁醇?xì)菌或者病毒，耽誤了治療?，F(xiàn)在有了這種檢測方法，就可以取病人的樣本，對每一種懷疑的細(xì)菌或病毒的核酸序列進(jìn)行測試，哪種檢測成功了，就說明感染的是哪種微生物，這種方法正在挽救越來越多的人的生命。

怎么樣？生物學(xué)是不是很有趣？今天的少先隊(duì)課就到這里啦！小朋友們同學(xué)們，下課！

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