如何向孩子解釋核酸檢測的原理？

各位小朋友們、同學們！大家好！我是北京市少先隊校外輔導員李永樂老師，來自于中國人民大學附屬中學。

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?？墒悄阒绬?？為什么一個小小的棉簽，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細胞構(gòu)成的。細胞有細胞膜，它是保護細胞的。有許許多多的細胞器，它能執(zhí)行各種各樣的功能，還有一個細胞核，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？

從細胞到DNA

如果我們把DNA再放大一些，你會發(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。而且它們有個規(guī)則：A一定和T對著，C一定和G對著，這叫做互補配對原則。大家一定要記住這個原則，因為核酸檢測就是利用了這個原理。

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。打個比方：7種音符可以組成無數(shù)美妙的旋律，26個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？

因為DNA在染色體上，染色體個頭很大，在細胞核里出不來，它的遺傳信息怎么表達呢？細胞會在細胞核里以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互補配對，也能攜帶遺傳信息。

隨后，細小的RNA會從細胞核的核孔中出來，找到一種細胞器——核糖體。RNA會告訴核糖體，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指導核糖體制造蛋白質(zhì)，整個過程叫做中心法則，是細胞的核心功能。我們打一個比方吧：如果說細胞是一個工廠，那么DNA就是廠長，他負責制定生產(chǎn)計劃，但是，廠長在辦公室里，輕易不出來，他不會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，車間主任就是RNA，他先在辦公室里聽取領(lǐng)導的指示，然后來到生產(chǎn)車間，這個車間就是核糖體。車間里的工人在車間主任的指導下，生產(chǎn)的產(chǎn)品就是蛋白質(zhì)。細胞生產(chǎn)的效率非常高，現(xiàn)在世界上的任何一個企業(yè)的效率，都遠遠趕不上一個細胞。

細胞工廠

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進行遺傳。新冠病毒就是這樣的病毒，我們要判斷一個人有沒有新冠病毒，就要看這個人的細胞里有沒有新冠病毒對應(yīng)的RNA序列。

二、核酸如何復制

可是，大白在我們的嗓子或鼻子里捅了一下，能夠拿到的細胞非常少，如果有病毒，含量也很低。而且，每天成千上萬人進行核酸檢測，要找到那么一兩個感染者，實在太難了，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，那么一根針就會變1萬億根針，這時再找起來，不就方便多了嗎？

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

我們的細胞每天都在分裂，細胞分裂時，DNA就隨之復制了。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)出一個廠長來。在這個過程中，許多生物催化劑——酶發(fā)揮了重要的作用，它可以利用細胞中的核苷酸復制出新的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，細胞中的核苷酸會按照互補配對的原則，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復制做基礎(chǔ)，有點類似于合唱中起頭的同學，或者旅游團中的導游。如果沒有引物，DNA是沒辦法復制的。

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，細胞中的核苷酸會一個一個按照堿基互補配對原則，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個搭好了一樣。

DNA復制

最后，還有一種叫做DNA連接酶的東西，它會修復新鏈上的縫隙，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，實現(xiàn)了DNA的復制。

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

細菌的分裂

三、聚合酶鏈式反應(yīng)

在40年前，美國有一個科學家，名字叫穆利斯，他就發(fā)明了一種方法，可以在細胞外對核酸進行復制，而且速度特別快，人們管這種方法叫做聚合酶鏈式反應(yīng)，簡稱為PCR。這是一種非常重要的生物方法，如果你想嘲笑一個生物系的學生學的不好，就可以說：他連PCR都不會做。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會發(fā)生變性，雙螺旋解開，變成兩條單鏈。你看，這個步驟和生物細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，它會按照互補配對原則，黏附在原來的DNA的特定片段上，給后續(xù)的DNA的復制起頭。

第三步，把樣本溫度再提高到75到80攝氏度，同時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，再重復這三個步驟。

簡單來說，PCR的方法就是利用溫度控制，人為的讓核酸進行復制。因為一個周期的時間很短，所以復制的速度很快。打個比方吧：通常的雞每天下一個蛋，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小時有燈，6個小時沒有燈，雞就會以為1天是12小時，它就會12小時下一個蛋了。

同樣，經(jīng)過一個循環(huán)，我們就能對DNA進行一次復制，時間只需要大約4分鐘。如果我們反復進行這個循環(huán)，DNA就能一次次被復制。復制40次，時間也只需要2個多小時，卻能把DNA復制一萬億倍。

在發(fā)明PCR的過程中，有一個難題，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

樣本送到實驗室后，工作人員會首先用一些化學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，這個過程叫做裂解。之后，還要加入藥品進行洗滌，再把樣品放在離心機里旋轉(zhuǎn)，讓核酸和其他雜質(zhì)分開，經(jīng)過幾個步驟后，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，不能直接進行PCR擴增。所以，我們要首先以RNA模板，復制出跟病毒RNA對應(yīng)的DNA來，這個過程叫做逆轉(zhuǎn)錄，然后再對這段代表病毒的DNA進行PCR擴增。

從RNA制造互補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的復制起頭。因為這種引物是針對病毒核酸的，它的序列只能和病毒核酸互補配對，所以也只能附著在病毒核酸上，而對其他DNA視而不見。在進行擴增時，也只有這一種病毒的核酸會被復制。

說起來，在這方面，我國也對世界做出了貢獻。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擴增的過程了?，F(xiàn)在的PCR機器都是全自動的，只要把樣本和引物、聚合酶、核苷酸統(tǒng)統(tǒng)放進去，按下電鈕，機器就會自動升溫降溫循環(huán)，而且一臺機器同時可以檢測96管樣本，如果一管樣本里混合了10個人的核酸，一次就能檢查960個人了。如果一次檢測4小時，一臺機器一天就能檢測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機器

大家想：如果樣本中壓根沒有病毒核酸，那無論復制多少次，都不會有什么效果；但是如果樣本中有病毒核酸，經(jīng)過幾次復制后，病毒核酸就會越來越多。而且，這種區(qū)別是可以實時觀察的，這是因為我們還在樣本中加入了一種熒光探針——一小段核苷酸序列，連接兩個基團。

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熒光基團和一個淬滅基團。平時，用紫外線照射探針，探針的熒光基團不能發(fā)光，因為淬滅基團會剝奪熒光基團的能量?？墒?，如果把探針拆散，熒光基團和淬滅基團分開，在紫外線照射下，熒光基團就能發(fā)光了。就好像你把錢送到驗鈔機的紫外燈下，你會發(fā)現(xiàn)錢上的防偽標記會發(fā)光一樣。

淬滅基團和熒光基團分開，紫外線照射下熒光基團發(fā)光

在PCR擴增的過程中，熒光探針首先附著在病毒核酸上，病毒核酸復制時，發(fā)現(xiàn)了這個探針擋路，就會毫不客氣的把它清除。這時，熒光基團和淬滅基團就分開了，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，這就叫實時定量熒光PCR法。

實時定量熒光PCR

人們將最初樣本發(fā)出的熒光值的10倍定為閾值，當熒光強度超過閾值時，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。

同學們，這節(jié)課講完了，我們學習到了什么？不如來做個總結(jié)吧！

首先我們學習了什么是核酸：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，我們學習了DNA的復制過程。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)打開，按照堿基互補配對原則，形成新的DNA鏈條，一對DNA就變成了兩對。

再然后，我們學習了用人工方法進行DNA復制，這就是PCR方法。它的效率非常高，幾分鐘就能復制一次。我們還知道，PCR中耐高溫的酶是中國臺灣的科學家找到的。

最后，我們學習了整個核酸檢測的流程，首先要對核酸進行提純，然后把RNA核酸變成DNA核酸，再對DNA核酸進行擴增，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，這種方法不光能用來檢測新冠病毒，它對于整個生物技術(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)場提取了兇手一點點的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菌生命垂危，但是卻因為不知道是什么細菌或者病毒，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，對每一種懷疑的細菌或病毒的核酸序列進行測試，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？生物學是不是很有趣？今天的少先隊課就到這里啦！小朋友們同學們，下課！

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