Η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) χρησιμοποιεί ένζυμα για την μαζική αντιγραφή ενός τμήματος ενός κλώνου δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA) για ευκολότερη ανάλυση, όπως η αναζήτηση γονιδίων ενδιαφέροντος. Όπως η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης είναι μια εκθετική διαδικασία που προχωρά όσο είναι διαθέσιμες οι πρώτες ύλες για τη διατήρηση της αντίδρασης. Σε αντίθεση με την αντιγραφή του DNA στον φυσικό κόσμο, η PCR μπορεί να αντιγράψει μόνο αρκετά μικρά κομμάτια DNA, με ανώτερη οροφή περίπου 2-3 κιλών ζευγών βάσεων (kb). Χρησιμοποιεί άψυχα ένζυμα για να επιτύχει το αποτέλεσμα αντιγραφής του, ξεχωρίζοντας το από άλλες προσεγγίσεις αντιγραφής που χρησιμοποιούν ενεργούς οργανισμούς.
Μια σύγχρονη αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης απαιτεί έξι βασικά συστατικά για να λειτουργήσει: το τμήμα DNA που θα αντιγραφεί, οι εκκινητές για να οριοθετήσουν το τμήμα, η πολυμεράση Taq για την αντιγραφή, τα νουκλεοτίδια DNA που χρησιμεύουν ως πρώτη ύλη, ένα χημικό ρυθμιστικό περιβάλλον και μια μηχανή που ονομάζεται θερμική ποδηλάτης. Ο θερμικός κυκλοποιητής συχνά κρατά πολλαπλούς δοκιμαστικούς σωλήνες με πολλαπλές PCR, ο καθένας χωρά 15 έως 100 μικρολίτρα, τιμές λίγο κάτω από ένα κυβικό χιλιοστό νερού. Χρησιμοποιούνται περίπου εκατό νανογραμμάρια βάσης DNA.
Η πολυμεράση Taq, το βασικό συστατικό για μια αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης, εξάγεται από ένα βακτηρίδιο που κατοικεί σε θερμικές αεραγωγές, το Thermus aquaticus. Λειτουργεί καλά για αντιγραφή, αλλά όχι τέλεια, κάνοντας ένα σφάλμα περίπου μία φορά κάθε 8 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Πριν από την πολυμεράση Taq, χρησιμοποιήθηκαν άλλες πολυμεράσες, αλλά πολλές από αυτές διασπάστηκαν στις απαραίτητες θερμοκρασίες για να ξεκινήσει η αντίδραση. Ο κύκλος θέρμανσης είναι περίπλοκος, αλλά περιλαμβάνει θερμοκρασίες που κυμαίνονται για λίγο σχεδόν μέχρι το σημείο βρασμού, επομένως η ανθεκτικότητα στην πολυμεράση είναι απαραίτητη.
Τα βασικά βήματα της PCR είναι τα εξής. Όλα τα συστατικά αναμιγνύονται μαζί σε ένα μικρό φιαλίδιο, συνήθως με όγκο 200 μικρογραμμάρια. Το μείγμα θερμαίνεται κοντά στο σημείο βρασμού για να σπάσει οι δεσμοί υδρογόνου στο DNA του ζευγαριού, δημιουργώντας μονούς κλώνους που είναι επιρρεπείς στην αντιγραφή. Αυτό ονομάζεται μετουσίωση. Όσο μεγαλύτερος είναι ο κλώνος που πρέπει να αντιγραφεί, τόσο περισσότερο διαρκεί η διαδικασία μετουσίωσης.
Το επόμενο βήμα στην αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης ονομάζεται ανόπτηση. Οι εκκινητές, οι οποίοι είναι κατά παραγγελία, σύντομοι κλώνοι DNA, έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να συνδέονται με θέσεις στην αρχή και στο τέλος του τμήματος που πρόκειται να αντιγραφεί. Εάν οι εκκινητές δεν έχουν σχεδιαστεί σωστά ή η θερμοκρασία σε αυτό το στάδιο είναι λανθασμένη, ο εκκινητής θα συνδεθεί τυχαία στο DNA, με αποτέλεσμα το λάθος αντίγραφο του τμήματος. Τα περισσότερα αστάρια λιώνουν στα δύο τρίτα περίπου του σημείου βρασμού και η ανόπτηση, μια διαδικασία 1-2 λεπτών, πραγματοποιείται σε λίγους βαθμούς κάτω από αυτό.
Τα τελευταία βήματα στην PCR ονομάζονται επέκταση και τελική επέκταση. Εδώ συμβαίνει η μαγεία. Η πολυμεράση αντιγράφει το τμήμα DNA γρήγορα, δημιουργώντας εκατομμύρια και εκατομμύρια αντίγραφα μέσα σε λίγα λεπτά. Συνήθως, ένας κύκλος αποτελείται από όλα τα προηγούμενα βήματα, που επαναλαμβάνονται περίπου είκοσι ή τριάντα φορές.
Το αποτέλεσμα είναι ένα μάτσο αντιγραμμένο DNA. Οι αλυσιδωτές αντιδράσεις πολυμεράσης έχουν ποικίλες χρήσεις, όπως τεστ πατρότητας, προσδιορισμό της παρουσίας ή απουσίας γενετικού ελαττώματος ή ιικού DNA, κλωνοποίηση γονιδίου, εισαγωγή ειδικών μεταλλάξεων, ανάλυση του DNA εξαφανισμένων ειδών ή νεκρών ατόμων, «γενετικό δακτυλικό αποτύπωμα» στο τόπος εγκλήματος και πολλά άλλα.