生物技术:DNA指纹

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在电视上看一个犯罪节目，他们总是开始谈论DNA指纹。其实很多人都不知道DNA指纹是什么东西。我记得，我大学时有个朋友非常自信地向别人解释说，这涉及到在犯罪现场找到一枚指纹，用这个指纹培育出罪犯的克隆体，这样你就可以看到他的脸是什么样的。他是英语专业的。为了方便英语专业的朋友，也许我们应该称之为DNA测试。

现在，恐惧已经从最初的单一技术，包括切割DNA，并观察你创造的模式或片段，发展到各种各样的技术，这些技术已经真正彻底改变了这个领域。两种主要的技术被称为RFLP和PCR。然而，它们背后的科学原理其实很简单。就像我说的，还有其他形式。你不需要担心他们，因为AP生物学的人，20年前他们开始问关于PCR的问题，这是今天实验室里使用的主要技术。

在我讲什么是PCR或RFLP之前，我需要讨论一种叫做凝胶电泳的过程。凝胶电泳是分析这两种技术产生的DNA样本的一种方法。一旦你知道如何分析DNA，然后我会讨论RFLP，这是第一种最初的技术，它涉及到切割DNA的模式来识别人。

最后，我要讲讲聚合酶链反应。PCR是目前大多数实验室使用的主要技术。它包括复制DNA片段，任何你想要的片段。它可以用于鉴定目的，检测某人是否有某种特定的基因，甚至你可以用它来做所谓的基因测序，你可以在DNA片段中鉴定特定的碱基。

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所以，大多数DNA检测方法都涉及到凝胶电泳。这是一种通过各种形式的DNA测试来测量DNA长度的方法。两种形式的DNA检测都涉及凝胶电泳。就像我之前说过的，测量这些方法产生的DNA分子的长度。凝胶电泳依赖于一种叫做琼脂糖的化学物质，它来自海藻。

琼脂糖，当你把它和水缓冲溶液混合时，它会形成一种凝胶，有点像果冻。你为什么要这么做?这是一种叫做凝胶盘的东西。你要做的就是把凝胶倒进去，看到这个梳子了吗?当凝胶变硬时，就会形成小孔，然后你就可以把DNA插入其中。为什么要这么做?我可以把这个凝胶浇注盘，放进这个叫做凝胶电泳盒的东西里。当我把DNA样本放进孔里，然后关上盒子，我就可以把它插到电源上了。从这里到那里会有电流。由于DNA带负电荷，它被吸引到正极。 The positive electrode over here. And that forces the DNA to move from the wells into the gel itself.

事实证明，琼脂糖，当你正确地制作它时，会形成一个规则的琼脂糖多糖分子晶格。这就形成了一个由小管和通道组成的网络，DNA分子必须在这些小管和通道中穿行。结果是，DNA分子越短，穿过凝胶的速度就越快。较大的分子最终不得不以较慢的速度移动。现在，为了帮助你理解这一点，想象一下你必须在教室里跑一场比赛。但不是只在教室的一面墙上跑，想象一下你必须在每一张桌子上穿行，一直走到教室的另一边。你很快就能做到。

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如果你必须和五个人手拉手在一条线上呢?然后你就开始试着跑过去?是的，你们每个人都非常快，但当你们像那样连在一起时，你就会开始走急弯，在你不想受伤的地方受伤。DNA也是一样，小的片段可以快速穿过通道，大的片段则很难通过。

现在，这是非常有用的，因为，如果你运行DNA样本呢?你怎么知道它有多大?你用一个已知的样本。让我们看一个非常简单的图，凝胶可能是什么样子的。

这里我们看到一条小巷。这是井，我把我的DNA加入了这个井。现在我知道这些碎片有多大了，因为是我做的。我可以看到最小的片段，它只有1000个碱基对长，它移动得非常快。这个有2500个碱基对长。DNA是用双螺旋结构中的碱基对来测量的。这段有5000个碱基对长，这段有10000个碱基对长。在这条小巷里，我装了一份未知DNA样本。你能猜到它有多长吗?这是正确的。 It lines up exactly the same as that 5000 base pair a piece. Thus, I know it roughly has to be 5000 base pairs long as well.

那么这个和这些都不匹配的家伙呢?我怎么算出来呢?这很简单。这里是5000，这里是2500。仅凭我的眼睛，我可以说，它在2500到5000之间。大概有4000到3500个碱基对长。现在，如果我想让这个变得复杂，我可以取每一个，我可以测量它的长度，把它放在一个图形上，创建一个已知的曲线，然后用它来计算未知数。

为了得到更多的练习，我强烈建议你们去在线虚拟实验室AP生物实验室的DNA测试，看一看。

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点击分析你的结果的部分，我相信是二。他们会给你很多练习，让你继续学习如何做到这一点。这是他们的标准题之一，无论是在多项选择题还是作文中。

那么，现在我们已经讨论了凝胶电泳，如何测量已经生成的DNA的长度，让我们来看看我讨论的两种技术中的第一种，RFLP。我已经讲过RFLP了但是我还没有解释RFLP代表什么。这是在科学上对你有帮助的事情之一。不要被一大堆音节弄糊涂或吓到。看看他们。它们能告诉你很多发生的事情。

限制片段长度多态性。那是什么意思呢?限制性内切片段是一段DNA，因为我之前讲过酶。有一种特殊的酶叫做限制性内切酶。当我们在DNA上使用这些酶时，它们会把一长段DNA，分解成更小的片段或片段。这些曲子的长度有长、短、中。多态性，poly的意思是很多，morph的意思是形式。因为我的DNA和你的DNA不一样，所以我切割出来的片段的长度，会和你的DNA切割出来的片段的长度不一样。这就是限制片段长度多态性的含义。

那么让我们仔细看看这是如何工作的。我之前简单提到过的限制性内切酶，它们是一种特殊的酶，可以通过DNA。寻找特定的序列，比如GATC。现在，作为旁注，有时你会看到限制性内切酶称为内切酶因为它们在细胞核内。但是，尽管我认识的每个人都像我一样酷，把它们叫做限制性内切酶。

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这里我们看到了两个不同个体的DNA样本。因为每个人的DNA都有点独特，在这个基因上，DNA的这一部分，这个人有不同的序列。他们没有GAATC，而是GTATC。这些限制性内切酶只切割特定的序列。当它经过样本1时，它会在这里切割。注意它是如何创造出这些悬垂的末端，这里有未配对的T T和A，这里有未配对的aat。提醒一下，这在基因工程中非常有用。但我现在不想去那里。然而，同样的限制性内切酶，沿着这段DNA序列，会继续，完全忽略那个区域，让它不被切割。

样本1和样本2。第一个人，第二个人。我们在这里创作了两段，在那里创作了一段。然后我把样本1放到第一个阱里，得到两个波段。这两个波段移动得相当快。为什么?因为他们很矮。而这里的样本2当我加载它时，它只有一个带。它是一个长得多的DNA分子，所以它不能移动到它试图穿过琼脂糖的地方。

在凝胶的起始处有一条条带，表示有一个较大的DNA片段和两个较小的DNA片段。如果我有第三口井然后输入犯罪现场的DNA样本，我就能看到它与哪种模式匹配。

现在，我之前没有谈到的是，你是如何看到DNA的?因为DNA是透明的。嗯，这就是为什么你经常需要添加特殊的染色剂，比如溴化乙锭或亚甲基蓝，而且有很多。或者特殊的RFLP。当你切割一个人类DNA分子或染色体时，你会得到数千条不同的条带。

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所以在这种情况下，很多时候他们会加一些特殊的放射性探测器。它们是预先制作好的单链DNA片段，可以与特定的序列结合。因此，你可能只需要看10个、20个、30个波段，而不是看到整个波段，这取决于你使用的探针。

那么，在AP生物考试中涉及RFLP的标准题目是什么呢?他们会说，这是质粒的图谱。你们可能不知道质粒，是DNA的环状分子。这是一个凝胶，我们用两种不同的酶切割了质粒。我简单地叫它们限制性内切酶A和限制性内切酶b在这个质粒上你必须找出限制性内切位点的位置，每个酶所对应的As, Ts, Cs和g的序列。他们所做的就是在这边给你们看，这是其中一个分子标准。他们在这里测试了一些已知长度的已知DNA分子。我把它们的长度加起来。

现在我一开始就告诉你们其中一个有1000个碱基对长。另一个是10000个碱基对长。哪一个才是那个?它会赢得比赛，移动得最快。所以这个有1000个碱基对长。我说过这一集很简单。这是2，这是3，这是4，这是5，这是6，这是7，这是8。我的意思是8000。所以我们可以看到它通过了我们已知的标准现在允许我们测量所有其他的东西。

现在，在这里的第一条通道，我加入了质粒，我们的环状DNA分子，但我也加入了第一种酶，限制性内切酶a，它切成了多少个片段?嗯，我能看到两块。

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所以我知道质粒上一定有两个位置酶a的限制位点我们看看，它们移动了多长时间?我可以把它排成一行，我可以看到，我的一个片段有3000个碱基对长。另一个是5000个碱基对长。如果我数一圈，如果这是0 1 2 3 4 5 6 7 8。我能看到它是一圈。我可以把酶A的另一个切割点放在哪里?我知道这一圈的总数是8，所以3 + 5 = 8。所以它一定是，1000,2000,3000，这是酶A的切割位点。

B酶呢?它有多少个切割点?我看了看，发现只有一个乐队。如果我把一个圆切一次，就只能得到一块。我知道有多远吗?我只知道在我的8000碱基对长圆的某个地方，有一个切割点。所以我现在没有太多的数据。当我在同一个试管里用两种酶切割DNA时，DNA发生了什么?我得到了一个1000碱基对长，另一个2000碱基对长。第三个是5000个碱基对长。 And this is where your logic skills kick in.

我看一下，5000，我最初看到的是A，它产生了两部分。一个是5000，一个是3000。那5000个碱基对似乎仍然完好无损。这告诉我，在这一边，1,2,3,4,5，没有B切割点。这说明它一定在这附近。那么它会在哪里呢?它到其中一个a的距离是1000个碱基对，到另一个a的距离是2000个碱基对。

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我可以把它放在两个不同的位置。我可以把它放在这里，也可以放在这里。我把它写在这里，我写b，我再检查一下。

如果我有A和B，我切割这里，有1000个碱基对长。我还切割了这里，这是一个2000碱基对的长序列。然后在这里，这是5000。对于那些错过的人，1 2和5。就是这样。这是几年前作文题的一个基本部分，你不会相信有多少人不会做这个题。不过你说对了。继续，稍微练习一下，然后就明白了。

现在，RFLP有一个问题它确实需要相当多的DNA，为了能够切割它，并有足够的数量让你能够在凝胶中看到它。如果你处理的是有限的样本，你把它切了，你不小心把凝胶装错了或者你用错了酶，你就把所有的样本都切了。现在你有大麻烦了。

另一方面，PCR有一个很大的优势，因为你不用切割你的DNA，你可以从一个非常小的样本开始。你所做的就是复制DNA，制造更多的DNA。现在，让我们看看它的名字，我们可以再次像我们对限制片段长度多态性所做的那样做。我们可以把它拆开，试着弄清楚它是关于什么的。

聚合酶，-ase告诉我们它是一种酶。我知道这都是关于聚合物的。这是一种合成聚合物的酶。链式反应是引起另一个反应的反应。这是一种用于DNA复制的特殊酶叫做DNA聚合酶。DNA聚合酶是构建DNA的分子。PCR利用了DNA聚合酶的一种特殊特性。

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DNA聚合酶在复制时只延伸DNA的区域。它实际上不能开始。现在如果你回想一下DNA复制，你知道它首先开始于螺旋的解开。这通常是由一堆酶完成的。然后另一种叫做引物酶的酶开始构建DNA分子的起始部分，叫做引物。然后DNA聚合酶延伸到有引物的地方。

PCR，你要做的是，除去除了DNA聚合酶以外的大部分酶。我们用热来解开螺旋。这就是为什么它依赖于一种特殊的DNA聚合酶叫做taq聚合酶。它是我认为嗜热水生动物的简称。这是一种生活在火山热池中的细菌。

所以我们用来打开酶的热量，意味着我们不用担心解旋酶，打开酶。DNA聚合酶，taq聚合酶，可以在高温下存活。现在，我们不再让引物在整个DNA中构建引物，而是放入预先制作好的，高度特异性的引物，这样它只进入我们感兴趣的DNA部分。

你还添加了一些原材料，也就是构建DNA分子所需的核苷酸。然后再等90分钟，就大功告成了。让我们快速看一个非常好的YouTube视频，它很好地完成了整个过程。

现在让我们继续，把图像放大，这样更容易查看。这是我们的试管，里面装满了DNA样本。我们从低温开始。看看这些DNA，我们不想复制所有的DNA。相反，在内心深处的某个地方。在这里，它模糊地出现在视野中。我们只对这一个区域感兴趣。这就是DNA分子的一部分，我们将构建引物，并将其放入试管中。

他们用绿色标出了这段DNA，我们的目标序列。

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这个蓝色和洋红色的部分是分子中我们不感兴趣的区域。现在我们要做的是，加热它。当我们开始第一个循环时，我们把它加热到几乎沸腾，95摄氏度。这使得DNA双螺旋结构中的氢键断裂。因为它们只是分子液泡。

这里我们看到我们想要的基因的起始和结尾的引物。我们让物质冷却，现在引物有足够的吸引力在那里冷却。氢键，现在是特殊的taq聚合酶，它是DNA聚合酶的一种特殊形式。这些绿色的小东西是原始材料，原始的DNA核苷酸;漂浮在试管周围的砷、Ts、Cs和Gc。为什么?因为我们把它们放进去了。聚合酶进行复制。

当它到达终点时，它不会停止，因为它会一直复制，直到用完时间。我们最多只给它90秒来做这个。这是第一个循环的结束。我们该怎么办?我们把整个过程重新做一遍。你在想为什么呢?看看会发生什么。

再次加热到95摄氏度，使两面分离。这有时被称为融化DNA。我们让它足够冷却以便引物可以附着。这些和我们之前讲过的引物完全一样。他们还在试管里。然后我们把它提高到DNA聚合酶的最佳温度，通常是72度左右。然后让它延伸。我们给它足够的时间，它就会自动复制。注意这个带和这个带。我们只是制造了与我们感兴趣的基因大小完全相同的DNA片段。 At the end of cycle two. Let's move on to our third cycle.

再次加热。它分离。

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当我们把它冷却到60度时，底漆就可以附着了。你可以在这里看到它们。将其提高到taq聚合酶的最佳温度，它就会复制。是的，我们还在制作这些更长的拷贝。但现在，我们已经制造了两个分子，它们的大小与目标基因完全一致。我们只是一遍又一遍，一遍又一遍。现在让我们快进一点。现在我们开始第四个循环。

我们可以加热，也可以冷却。让底漆进入，然后把它恢复到72度，这是最理想的温度。它扩展了它。注意，我们制造了更多。这里有8个，那里有8个。现在你在想，“这真是一团糟。”问题是，这条边会增长得更快。它会经历指数增长。

当我们开始第五个循环时，我们再次打开它，加入引物，一切都发生了。这实际上是在机器内部发生的。你只需要加入化学物质，编程，然后就可以走了。等我们到了这里，你就会明白了。这些人寡不敌众。这里有22个目标分子只有10个。

这条边基本上会开始，就像我说的，呈指数级增长。这样做30次，大约需要90分钟。在这边，单位是十亿，这是60。这个会出现在凝胶上，这个不会。

这样一来，我们就有了无数我们感兴趣的DNA分子序列。这可以用在CSI中，你可以用它来鉴定。无论是放入一堆不同的引物还是只放入基因的引物，这部分在人与人之间是不同的。

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让我们来看看他们是如何进行DNA鉴定的。通常CSI这类的东西，他们寻找的是人们DNA中有重复元素的序列，有时被称为串联重复序列。无论是短串联重复还是可变数量的串联重复。在这个人身上，你可以看到这个重复框一遍又一遍地重复，比这个只重复三次的人多得多。

当我们对这个人的DNA进行聚合酶链反应时，他们会复制出更短的副本，这样可以移动得更远。然而，当我们对这个家伙做PCR时，从这里和那里开始引物，我们最终得到了一个更大的片段。因为每个人每个基因都有两个副本，一个来自妈妈，一个来自爸爸，假设你的父母没有两个相同的串联重复副本他们给了你，你最终有两个条带。这个人是纯合子4，其中一个串联重复。

现在，就像我之前说的，如果我们只是观察一个特定的基因，比如我们可以测试你是否被注射了HIV的DNA。我们所能做的就是用HIV病毒的引物进行PCR。用我的DNA比对，希望你什么都没发现。而HIV呈阳性的人，你会在不幸的位置看到一条带子。

聚合酶链反应的一个非常有趣的用途是DNA测序，它让我们对基因的知识有了突飞猛进的发展。它利用了一种特殊的核苷酸。让我们来看看。

这里我们看到一个标准的核苷酸。这是磷酸。这是五碳糖，叫做脱氧核糖这是DNA中的一种氮基As Cs Ts和Gs。

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这有什么不同?记住这是脱氧核糖。脱氧是什么意思?也就是说，这个碳上，应该有一个O和一个H。但如果它是核糖的话。我们把它去掉，得到脱氧核糖。看看这里发生了什么，氧气没了。这个叫做di(二)二脱氧核糖核酸。

你要做的是，你可以在试管里，有一大堆核苷酸，正常的DNA核苷酸和DNA聚合酶会一起形成一个长链，但是你放入一小部分的二脱氧核糖分子。看，这里的氧就是下一个核苷酸需要连接的东西。如果它不在那里，如果它消失了，DNA复制就会在那里停止。所以在试管中放入一小部分自由漂浮的核苷酸，以二脱氧的形式，你就会得到大量不同长度的链它们都停在a处，因为你放入了二脱氧腺嘌呤分子。

所以你可以有4个双脱氧腺嘌呤或者双脱氧鸟嘌呤，双脱氧胸腺嘧啶。或者人们为了变得更聪明，他们把四个都放进了同一个试管里。但是他们添加了其他的东西，使每一个都发出不同的颜色。然后你可以把它放在PCR机里，装进凝胶里，然后就可以离开了。你有一个摄像头，就在那里看着，然后说，“绿色的一定是a，黄色的一定是t。”它只是读取序列;就像Ts, g, Cs沿着DNA分子。这就是所谓的人类基因组计划背后的基本技术，他们一直在对人类DNA进行测序。

就像我之前说的，还有其他技术，比如基因芯片或微阵列。但PCR和RFLP是AP生物学测试的两篇主要文章。

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你要清楚的是它们之间的巨大区别。RFLP就是把DNA切成更小的片段，从大样本开始。而聚合酶链反应的方法是，从一个小样本开始，将你感兴趣的基因放大或复制无数倍。这使得PCR更加敏感和灵活。这就是为什么它成为大多数实验室的主要状态工具。

同样，你需要了解凝胶电泳，其基本思想是短分子可以快速通过，大分子则要慢得多。你是否练习过，以便使用标准曲线来计算未知DNA片段的长度?

再一次，上网，去那个虚拟实验室，因为那个特殊的实验室，六号实验室是AP生物考试的作者似乎每四年就会回到的，在作文问题中。它总是在选择题的某个地方。

然而，比考试成绩最大化更重要的是，理解生物学家现在拥有的这些神奇的新工具之一。他们用它来窥探我们身体的一些基本功能。因为当你有孩子的时候，你和你的配偶如果你对遗传问题有任何担忧，他们很可能会做一个测试，这样你就可以去看医生，很容易地确定你遗传那种特定综合症的几率有多大。