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!
END