新型冠状病毒核酸检测：PCR技术是如何检测病毒的？

怎么确诊病人是否真正感染新冠病毒？

很多人首先想到的，就是提取呼吸道中的样本，在实验室进行分离，直到找到病毒。

但是，这种想法很好，而实际操作起来具有相当大的技术障碍。

新冠病毒直径只有60-140纳米，一般细胞的直径在10-20微米，而头发丝的直径在60-90微米。

如果将细胞比作可以容纳万人的足球场，而病毒则好比里面的某个小坐位一般不起眼。

要想在如此小的尺度上分离出病毒，首先就是非常困难的事情，更别提如何去识别新冠病毒与其他病毒的差别。

目前人们所使用的新冠病毒核酸检测技术，主要是一种叫做实时荧光 RT-PCR 的技术。

为了更好理解它，我们可能要先从DNA的复制讲起。

DNA复制

人体的组织由一个个细胞组成，每个细胞就是一个单元，它们各自有条不紊地进行运作，如此构成了复杂的机体。

而单就细胞而言，它又由位于外层的细胞膜、填充在细胞膜内的细胞质和细胞核组成。

而细胞核顾名思义，“核”自然是“核心”，最重要的东西。

而DNA则主要存在于细胞核内。

我们知道，细胞可进行繁殖，由一个变成两个，两个变成四个，以此类推。

细胞要想从一个变成两个，它自然需要将细胞的各个部件进行复制生产，最后，再装配出一个全新的子代。

换言之，细胞核内的DNA也要完成复制增殖。

那么DNA如何进行复制呢？

DNA分子的基本结构是由一个脱氧核糖核苷酸相互间配对耦合而成的双链结构。

脱氧核糖核苷酸由一分子碱基，一分子脱氧核糖和一分子磷酸组成。

构成DNA的脱氧核糖核苷酸有4种，分别是A、T、C、G脱氧核糖核苷酸，其中ATCG代表着四种不同的碱基。

而构成RNA的核糖核苷酸也有4种，分别是A、U、C、G核糖核苷酸。

这四种核苷酸形成两两配对关系。比如，在DNA中，A和T碱基可以相互配对，而C和G碱基则可以组合。

同样，在RNA中，A-U配对（即U取代了T的位置），G-C配对。这种配对原则，也适用在RNA与DNA交互配对之间。

当DNA需要进行复制时，DNA解旋酶会将双链打开。

随后引物酶会在DNA单链上的特定片段，先行生成一段引物，该引物往往是一小段RNA。

随后，DNA聚合酶会识别到引物，然后从其位置开始，按照特定方向，按照碱基配对原则，依次生成一条新DNA片段。

DNA的复制就是这样一小段、一小段进行复制的，而且可以多位点同时进行，提高了效率。

但是，此时与旧DNA链互补的成分里还有引物RNA存在。

所以，此时一种叫做核酸外切酶会将引物从DNA链中剔除掉。

随后DNA聚合酶再会将这些小缺口进行填补，如此一条完整的DNA链就形成了。

DNA与RNA的关系

我们常说的遗传物质，一般是指的DNA。但是，对于病毒而言，RNA则是它的遗传物质。

对于细胞结构来讲，只要有DNA的地方，DNA具有支配作用。

而此时的RNA，也受DNA指挥。

比如，当我们的细胞需要合成蛋白质时，位于细胞核的某个DNA片段就会打开，然后在酶的作用下，合成信使RNA（mRNA），信使RNA则回头可以在核糖体处，合成肽链。

在这个过程中，我们看到了遗传信息由DNA到RNA的过程，我们称其为遗传信息转录，该过程简称转录。

而对于病毒而言，它们比较特殊，很多病毒都以RNA为自己的遗传物质。

这是因为它们侵入细胞之后，可以将自己的RNA释放其中，最后转录出病毒DNA。

因为该过程是由遗传信息是由RNA到DNA的过程，所以称为逆转录。

PCR技术

1983年，一位名叫穆利斯（Kary Banks Mullis）的科学家，克服重重困难，实现了体外进行DNA复制过程，随后该技术被命名为聚合酶链式反应（PCR）。

而穆利斯因该项伟大发明，而荣获1993年的诺贝尔化学奖。

PCR技术，并不是一蹴而就的，它是在一系列相关分子生物学技术上的基础上发展而来的。

它的原理是将一小段DNA片段放在富含脱氧核糖、DNA合成酶、引物的营养液中，通过控制温度等，来进行复制、扩增该特定的DNA片段的过程。

简单来讲，PCR技术就是将DNA在体外进行快速扩充的生物分子技术。

具体而言，PCR技术分为以下几个过程：

DNA变性：（95℃）双链DNA模板在热作用下，氢键断裂，形成单链DNA。

退火：（60℃）系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链。

延伸：在Taq酶（在72℃左右，活性最佳）的作用下，以脱氧核糖核苷酸为原料，按照特定方向延伸，合成与模板互补的DNA链。

每一循环经过变性、退火和延伸，DNA含量即增加一倍。

如此不断反复进行扩增，最终经过几十个周期，就可以合成数量可观的DNA小片段。

PCR通过对DNA特定片段进行扩增，具有重要意义。

比如，我们可以将某些我们想要的片段在体外进行复制、扩增，然后导入到目标细胞，观察该细胞基因表达的情况，来判断目标基因的具体特性。

此外，PCR也可以将可能还要细菌的DNA进行复制扩增，最后用预先准备好的互补片段与之反应，如此就检测该样液中是否有某种细菌了。

病毒核酸的检测

病毒和细胞一样，也是一种古老的生命。但是，最大的不同在于，细胞选择了自给自足的生存策略，而病毒则选择了寄生。

病毒由外层的蛋白外壳和核酸组成，它没有细胞器。

正是因为病毒没有细胞的细胞器，来完成独立的生命代谢活动，自然它也无法完成蛋白质、核酸的复制，也就无法独立繁殖。

只有病毒进入细胞内之后，用自己的核酸来指导细胞的细胞器，来为自己生产蛋白质和核酸才可以完成复制。

要想检测到病毒，理论上来讲，有很多方法，只要能用病毒身上特有的结构来识别它就可以做到检测的目的。

但是，因为病毒太小，我们的技术限制了我们对其进行更细致全面的研究，所以要想鉴别出某种病毒，带来很大困难。

而就像运用PCR技术检测细菌的遗传物质一样，PCR也可用在检测病毒，但是，因为病毒的遗传物质多是RNA，所以并不能像其它方式一样直接检测出来。

在研究了病毒在细胞内复制流程之后，人们发现，病毒要想在细胞内繁殖，需要用自身RNA通过逆转录的方式先生成逆转录DNA，然后用逆转录DNA指导细胞器为自己服务。

所以，根据病毒的这一特性，人们通过检测病毒的逆转录DNA也可以知道病毒的存在有无。

而与PCR技术类似，该技术被称为RT-PCR技术（逆转录-PCR）。

新冠病毒的检测

在有了上述的基本知识后，我们就能理解新冠病毒是怎样来检测的了。

在发生新冠病毒病例之后，专业人员会将该病毒通过细致过程提取出来，并通过种种处理给病毒RNA进行测序。

随后，将该病毒核酸序列公布出来，而大量的研究人员会在该病毒身上努力找到可以用来鉴别其的特异性的片段。

然后，人工合成与新冠病毒逆转录DNA片段的相匹配的同时含有荧光的染料或荧光探针。

这种染料在没有与目标DNA片段进行结合时，不会发光，而一旦匹配之后，就可以表现出荧光。

而研究人员，则可以根据荧光的强弱，通过计算机来计算初始DNA模板的数量。

最后，通过数据对比，就可以知道样液中是否存在新冠病毒了。

当然，这么说还是过于简单，实际操作要繁琐的多，因为提取的样本里，新冠病毒可能只占到很少的一部分，里面还会含有人体组织细胞、以及其他病毒或细菌等微生物的核酸物质。

这就好比在茫茫大海中寻找一枚绣花针。

所以，专业人员在对样本灭活处理后，要对包括组织细胞、病毒、其他微生物在内的所有核酸物质进行提取。

然后，运用PCR技术进行大量扩增。

这种扩增，可以提升病毒核酸片段的数量，进而给检测出该片段提供更大概率。

归纳来讲，新冠病毒核酸检测大致如下过程：

首先由医护人员穿戴防护服，收集位于病人鼻咽部的液体。
随后，在实验室内对可能存在的病毒样液进行灭活处理，并提取样本的核酸（这里面病毒只占很小一部分）。
接着，对该样本核酸进行PCR技术扩增。
然后，将可与病毒信息匹配的荧光染料或荧光探针放入其中。
最后，通过荧光强度，再结合对照组情况，综合判断是否存在新冠病毒。