Kary Mullis laat een stukje DNA in een reageerbuis steeds verdubbelen

EMERYVILLE, DECEMBER 1983 - Op 16 december heeft de chemicus Kary Mullis van het bedrijf Cetus in Emeryville, Californië, laten zien dat een stukje DNA in een reageerbuis zichzelf kan laten kopiëren, ronde na ronde. Elke ronde verdubbelt het aantal kopieën. Het is de eerste proef. Collega's vinden de uitkomst nog niet eenduidig en willen meer controles en herhalingen zien.

Het probleem: één gen tussen enorme hoeveelheden DNA

Mullis wilde kleine veranderingen in menselijke genen opsporen, bijvoorbeeld één verkeerde letter in de code. Zo'n gen leest hij uit met de methode van Sanger, waarbij het DNA letter voor letter wordt uitgelezen. Daarvoor heeft hij een primer nodig: een kort stukje DNA dat precies past op het begin van het stuk dat je wilt lezen en daar als startpunt dient. In menselijk DNA komt een gen maar één keer voor, tussen enorme hoeveelheden andere code. Een primer vindt dan te veel plekken om aan vast te zitten. Het gen moet dus eerst in veel meer exemplaren aanwezig zijn dan de rest.

Twee beginstukjes en een kopieermachine

Het idee van Mullis is het stuk dat je wilt hebben te laten kopiëren, steeds opnieuw. Daarvoor heeft hij vier dingen nodig in dezelfde buis: het DNA, twee primers, de vier bouwstenen waaruit DNA bestaat, en DNA-polymerase. Dat laatste is het enzym dat een DNA-streng kopieert. Het begint bij een primer en bouwt van daar uit de rest van de nieuwe streng op.

De twee primers zijn zo gemaakt dat ze aan weerszijden van het gewenste stuk passen, elk op één van de twee strengen van het DNA en gericht naar elkaar toe. Ze omsluiten het stuk dat je wilt kopiëren.

Eén ronde bestaat uit drie stappen, bij drie temperaturen:

1. Je verhit de buis tot ongeveer 94 tot 98 graden Celsius. De twee strengen van het DNA gaan uit elkaar.
2. Je laat hem afkoelen tot ongeveer 50 tot 65 graden. De primers zoeken hun plek op de losse strengen en hechten er stevig aan vast.
3. Je verwarmt hem tot ongeveer 72 graden. Het polymerase bouwt vanaf elke primer een nieuwe streng.

Na één ronde is elke dubbele streng twee dubbele strengen geworden. In de volgende ronde dienen ook de nieuwe strengen als voorbeeld. Zo gaat het van 1 naar 2, 4, 8, 16. Na dertig rondes kunnen het er in theorie ruim een miljard zijn. Na de eerste rondes bestaat het grootste deel van de kopieën uit precies het stuk tussen de twee primers, en dat is waar het om gaat.

Er is nog een praktisch bezwaar. Het enzym dat Mullis gebruikt, komt uit de darmbacterie E. coli en overleeft de hitte van de eerste stap niet. Na elke ronde moet dus vers enzym in de buis. Dat maakt het werk veel handwerk, maar het principe werkt.

Teruggeblikt vanuit 2026

Het bleef niet bij handwerk. Cetus bouwde een machine, 'Mr Cycle', die na elke verhitting automatisch nieuw polymerase toevoegt. In 1985 stelde Mullis voor het enzym te gebruiken van een bacterie die in heet water leeft. Dat enzym, Taq-polymerase, is gewonnen uit de bacterie Thermus aquaticus en was in 1976 al gezuiverd uit een bron in Yellowstone. Het werkt bij 72 graden en overleeft de 94 graden van de eerste stap, zodat het enzym maar één keer in de buis hoeft.

Op 20 december 1985 verscheen in Science het eerste artikel waarin de methode werd gebruikt: Randall Saiki en collega's, onder wie Mullis, spoorden zo de erfelijke bloedziekte sikkelcelanemie op. De methode kreeg de naam PCR, polymerase chain reaction. In 1993 deelde Mullis de Nobelprijs voor scheikunde met Michael Smith. Veel mensen kennen PCR van de coronatests, waarbij een stukje virus-erfelijk materiaal genoeg wordt vermenigvuldigd om het op te sporen.

Het kopiëren van DNA werd goedkoop en snel, en dat versnelde het lezen van DNA. Zo ontstond een enorme berg erfelijke gegevens. AI-modellen die genen en eiwitten voorspellen, leren van die gegevens.