Da quando è stata ottenuta la duplicazione del DNA in laboratorio, è possibile fare copie multiple di una sequenza di DNA. La reazione a catena della polimerasi (o PCR da Polymerase Chain Reaction) è una tecnica che automatizza questo processo copiando molte volte in provetta un tratto di DNA.

La PCR (▶figura), è un processo ciclico fatto di tappe che si ripetono molte volte:

• i filamenti di DNA a doppia elica, sottoposti a riscaldamento, si separano in filamenti singoli (denaturazione);
• si aggiunge alla soluzione un breve primer sintetizzato artificialmente, insieme ai quattro desossiribonucleosidi trifosfati e alla DNA polimerasi;
• la DNA polimerasi catalizza la produzione di nuovi filamenti complementari.

In pochi minuti, un singolo ciclo può raddoppiare la quantità di DNA presente in soluzione e lo riporta allo stato di doppio filamento. La ripetizione del ciclo per molte volte produce una crescita esponenziale del numero di copie della sequenza di DNA; per questo il processo prende il nome di amplificazione della sequenza.

La tecnica della PCR richiede la conoscenza delle sequenze di basi all’estremità 3' di ciascun filamento della sequenza bersaglio, in modo da costruire in laboratorio il primer complementare, di solito della lunghezza di 15-20 basi. Data la peculiarità di questa sequenza, nel genoma di un organismo di solito ci sarà una sola regione del DNA a cui potranno legarsi due primer di questa lunghezza. Questa specificità, a fronte dell’incredibile diversità del DNA bersaglio, è la chiave della potenza della PCR.

La Taq-polimerasi

All’inizio esisteva un problema con la PCR: i requisiti termici. Per denaturare il DNA, infatti, bisogna scaldarlo a più di 90 °C, una temperatura che distrugge la DNA polimerasi. Se però fosse necessario aggiungere nuova polimerasi dopo ogni ciclo di denaturazione, la PCR sarebbe impraticabile.

Il problema è stato risolto dalla natura: in alcuni geyser, come anche in altre sorgenti termali, vive un batterio chiamato Thermus aquaticus. Portando avanti una ricerca di base, Thomas Brock e i suoi collaboratori scoprirono che questo organismo poteva sopravvivere a temperature fino a 95 °C grazie a un apparato metabolico termoresistente, completo di una DNA polimerasi (chiamata Taq polimerasi o polimerasi termostabile) che non si denatura ad alte temperature. In questo modo è possibile compiere più cicli di PCR.

Dopo aver letto l’articolo di Brock, il biochimico statunitense Kary Mullis pensò di usare la Taq polimerasi per la PCR; l’idea funzionò, tanto da fruttargli il premio Nobel nel 1983. Da allora, la PCR ha avuto grande importanza nella ricerca genetica e trova tuttora straordinarie applicazioni.