PCR増幅シミュレーター

ポリメラーゼ連鎖反応は、N_n = N_0(1+E)^n としてモデル化される、指数関数的増加の厳密な数学的原理に基づいて動作します。この再帰的増幅は試薬の枯渇と酵素の半減期によって制限され、予測可能なシグモイド曲線を作成します。閾値サイクル (Ct) を計算すると、初期ターゲット質量の正確な逆定量化が可能になります。この決定論的な複製速度は、分子診断感度の基本的な統計的制限です。

PCRは分子のコピー機のように働き、各サイクルで試験管内のすべてのDNA鎖を複製しようとします。しかしどの酵素もすべての鋳型を完璧には複製できないため、増幅効率 e が1サイクルあたりの実際の倍率 (1 + e) を決めます — 完璧なら2.0、90%なら1.9ほどです。ツールで効率を下げてみると、1周あたりのわずかな不足が雪だるま式に膨らみ、30サイクルでは1.9×と2.0×の差が数百万コピーの欠損になります。

各サイクルでは、2本のDNA鎖を引き剥がすために試験管を約95°Cまで加熱します — 通常のポリメラーゼを壊してしまうほどの高温です。初期のPCRは大変でした。技術者は毎サイクルごとに手作業で新しい酵素を加えていたのです。救いとなったのがイエローストーンのほぼ沸騰する温泉に生息する細菌 Thermus aquaticus で、その Taq ポリメラーゼは熱に動じず、反応全体を一台の機械で手を触れずに進められるようになりました。