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PCR 传奇史：一个生物技术的故事（两个版本）
趣味版
想当年曾听施一公教授吐槽自家博后：“他刚进我实验室的时候，连PCR 都不会！”确实，对每个生
物狗来说，PCR 是基本技能，因为生物实验中用到PCR 的地方实在太TM 多了！
PCR 的全称是聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction），简单说就是用人工技术不断复制
DNA，让它一变二，二变四，越变越多。自然状态下提取的DNA 样本浓度一般都比较低，通常要通过
PCR 扩增后，才能用于检测、测序、转基因等操作。
PCR 实验大家都没少做，但要说到PCR 技术的发明过程，知道的人可能不多。而PCR 技术发明者
的灵感来源，说起来更是让人大跌眼镜。
“浪”出来的PCR 技术
1983 年，Cetus 生物公司的职员凯利·穆利斯和女同事约会的时候磕了些迷幻剂，嗑药后驾车在高速
公路飞驰时（危险动作切勿模仿），路边的两排路灯在他眼前幻化作DNA 双链，在他眼前不断离合、延
伸……穆利斯意识到，他发现了扩增DNA 的方法！
穆利斯觉得自己能搞个大新闻，兴冲冲地向公司汇报了自己的想法，领导们都震惊了：“TMD 在公
司乱搞男女关系、嗑药，还有脸拿出来说？！”
领导们一致决定，先给他降职转岗，如果他不能把他吹嘘的PCR 技术发明出来，再让他收拾包裹滚
蛋。顺便说一句，穆利斯之前的两份工作分别是自由作家和蛋糕店店员（店老板是他前妻），如果这份
工作也丢掉，他真的要吃土了。
在这种情况下，穆利斯还不忘跟公司讨价还价：“我生物底子太烂，能不能派几个技术员来帮我？”
公司领导：“少来了，你不是生物化学博士，还发过Nature 吗？”，穆利斯：“可我那篇Nature 是关于宇宙
学的！”
情景还原：穆利斯在加州大学伯克利分校读博时，过着白天实验室（合成迷幻剂），晚上宿舍（嗑
药）两点一线的生活。一次他嗑药磕嗨，在幻觉中看到了宇宙大爆炸，他醒来后把那个解释大爆炸宇宙
学的理论草草写下来投给Nature，竟然真发表了。学校见他发了Nature，便给了他一个博士学位（博士
迟迟不能毕业的生物狗切勿模仿，否则后果自负）。
公司领导一听，好家伙，嗑药都能发Nature，难道他这次嗑药出现的幻觉也大有价值？于是一下子
给他派了三个技术员，帮他研发PCR 技术。1984 年11 月，这些技术员们完成了第一次PCR 实验，对一
个49 bp 的DNA 片段进行了10 个PCR 循环的复制扩增。
“酶”女相助
生物狗都知道，PCR 循环主要分三步：变性，退火，延伸。先用高温让DNA 双螺旋结构变性，使两
条互补链分开变成单链；然后降低温度，让引物与单链DNA 结合；最后， DNA 聚合酶跟在引物后面，
给单链DNA 合成另一条互补的链，DNA 的复制就完成了。
穆利斯的PCR 技术最初用的DNA 聚合酶是使用大肠杆菌DNA 聚合酶，但这种酶不耐高温，一高温
就失活了。所以，技术员要在每一个PCR 循环的退火阶段及时加入聚合酶，让它进行DNA 复制，然后
到了下一个循环，这些聚合酶在高温变性阶段全部失活，只能在高温后加入新的聚合酶。这样不但麻烦
（否则穆利斯也不会需要这么多人手），而且成本非常高（生物狗都知道酶有多贵）。穆利斯也觉得这
样不行，提出要换一种耐高温的DNA 聚合酶，在高温状态也不会失活，这样整个PCR 过程只需要加一
次酶就够了。
那有没有这样的耐高温酶呢？还真有！美国的黄石国家公园有个大棱镜温泉（又叫大虹彩温泉），
它是美国最大、世界第三大的温泉，水温高达85℃。这个温泉的特异之处是，水面从里向外呈现出蓝、
绿、黄、橙、橘、红等各种颜色，像棱镜折射出来的太阳光一样五彩缤纷。
热气腾腾的大棱镜温泉
这些像玛丽苏头发一样的彩虹色，其实是嗜热菌的颜色。这个温泉里生活着大量的嗜热菌，它们在
85℃以上的高温也能生存，而且体内含有各种色素，使温泉呈现出各种颜色。
1973 年，台湾女生钱嘉韵赴美留学，她在辛辛那提大学生物系读研期间，从大棱镜温泉的嗜热菌中
提取了耐高温的DNA 聚合酶。但当时PCR 技术尚未发明，所以这种耐高温DNA 聚合酶也没有用武之
地。钱嘉韵的这个研究，只发了篇研究论文便宣告结束。
但这篇论文却成了穆利斯的灵感之光。1986 年，他按照钱嘉韵论文描述的方法，只花了三个星期就
成功提纯了耐高温DNA 聚合酶，把它用于PCR，效果好得惊人。这种聚合酶不但大大简化了PCR 工
作，同时专一性及活性都比之前使用的酶更强。
Cetus 公司高兴地把穆利斯推荐给诺奖得主詹姆斯·沃森（DNA 双螺旋结构发现者之一），沃森一见
穆利斯，顿感惊才艳绝，邀请他参加冷泉港实验室的“人类分子生物学”会议，报告PCR 的原理及实际应
用结果。这是穆里斯生平第一次受邀演讲，而且参会的都是学术界的大牛。
“机”友加盟
现在的PCR 操作非常简单，往管子里加样完毕，扔PCR 仪里跑上几十个循环，就可以拿出来愉快地
跑胶验证了。在PCR 仪跑循环的一两个小时里，勤快的生物狗可以做点其他实验，偷懒的就会摸鱼看个
电影玩个游戏什么的。
但穆利斯当时还没有PCR 仪，所以当时他做实验的画风是这样的：分别将三个水浴温度恒定在三个
温度：高温变性温度、退火温度、延伸温度，然后把一个装着PCR 管的小篮子，放进高温变性水浴槽里
泡着，十几秒钟后估计变性得差不多了，然后把篮子放退火水浴槽里泡几秒钟，再放延伸水浴槽里几十
秒。反应一个循环，就要把篮子在三个水浴锅依次泡过。几十个循环下来，技术员的手都抖得跟帕金森
一样。
为了减少这些生物民工的劳动量，Cetus 公司在1988 年发明了第一台PCR 自动化热循环仪 ，PCR
技术实现了自动化，同时一票PCR 技术员也随之失业……
有了耐高温DNA 聚合酶和PCR 仪这两大法宝，PCR 技术得到了很好的运用。1989 年，Science 杂志
隆重报道了PCR 技术和耐高温DNA 聚合酶，Cetus 公司也和罗氏公司合作，将PCR 技术用于临床诊
断。1991 年，罗氏药厂以三亿美元买下了Cetus 公司的PCR 技术专利。那可是九十年代初的三亿美元！
然而，这笔巨款没有穆利斯的份儿，因为在1985 年PCR 技术初见成果的时候，Cetus 公司催穆利斯
赶紧把这技术写论文投稿，但穆利斯沉迷电脑游戏迟迟懒得动笔，公司为了赶时间，让技术员先写了篇
论文投Science，等重度拖延症患者穆利斯终于写好论文想投稿时，关于PCR 的论文已经不新鲜了。穆利
斯表示被公司其他人抢了功劳很不爽，参加完沃森的“人类分子生物学”会议后不久就辞职离开。
穆利斯辞职时，只拿了一万美元和五个月薪水，日后PCR 技术的巨额利润，都没他什么事了。他后
来辗转在几家生物公司工作，靠着“PCR 发明者”的名头，也能混碗饭吃。
他就这样一直浪着，还迷上了冲浪，在1993 年的一个清晨，他冲浪回来被一群记者包围，他才知
道，他凭PCR 技术获得了诺贝尔奖！
穆利斯一下子C 位出道，名利双收，变得更浪了，他嗨皮地娶了第四任老婆，还写了一本名叫《心
灵裸舞》的自传，一听就知道不是什么正经书……
虽然PCR 发明故事如此狗血，但这项技术确实极大地推动了生物学的进步。所以说，只要你能做出
诺奖级的成果，你也可以随便浪（但是不能嗑药）！
正说版
现在让我们回到1953 年，双螺旋发现的那一年。那年Kary Mullis 8 岁，正是和小伙伴们漫山遍野瞎
跑的年纪。在他出生的1944 年，薛定谔出版了《生命是什么》。当然了，8 岁的他既看不懂这部生物学
著作，也完全理解不了DNA 结构的发现到底意味着什么。事实上很长一段时间里，他都对生物学毫无兴
趣。
Kary Mullis
比起生物，Mullis 反倒在化学领域上显得颇有天赋。十几岁的时候，他就从家里偷来糖，混上药店里
买来的硝酸钾，和小伙伴们自制火箭；在乔治亚理工学院修习化学学位期间，他也常常自己合成有毒物
质和爆炸物。很幸运，几乎没人管他，那段时光让Mullis 掌握了不少有机化学知识。
所以到底为什么他选择了生物化学作为接下来的研究方向呢？Mullis 自述只对小分子感兴趣，而
PCR 出现之前的DNA 又长又“稳如泰山”，和他喜欢的化学合成完全搭不上边。修完硕士修博士，在加州
大学伯克利分校读了六年生物化学，到1972 年毕业，Mullis 依旧是只懂化学，不懂生物。
好在他的导师Joe Neilands 很宽容，他并不限制学生选课程，所以Mullis 赫然选修了一门天体物理学。神
奇的是这门课他可能学得不错，甚至在1968 年时发表了一篇名为《十年逆转的宇宙学意义》的论文，发
在《自然》上。多亏了这篇论文，要不然他恐怕拿不到博士学位。
Mullis 此时应该没想到自己日后的成就
毕业后，Mullis 没有想好要做什么，于是就先随着妻子来到堪萨斯州。起初他想当个作家（执念很
深，后来确实出书了），但是遗憾的是毫无天赋。随后他在医院工作了一段时间，又因为离婚回了伯克
利，做了两年餐馆的经理人。
这里要提到一位好朋友Tomas White，是这位朋友劝说他回到学校继续深造，也是White 介绍他到
Cetus 工作，后来又在Mullis 难以立足的时候拉了他一把。
Mullis 来到加州大学旧金山分校，进行药物化学的博士后研究。学习期间，他了解到，DNA 也可以
通过化学方法来合成。Mullis 对此产生了兴趣。1979 年，他来到Cetus 的时候，也是负责合成寡核苷酸，
给公司其他部门的同事使用。
Mullis 确实在化学合成上有天赋，他很快搞出了计算机自动合成程序，工作流程大大简化。1981
年，他就当上了实验室的负责人。
128 号公路
1983 年春天的一个夜晚，Mullis 载着当时同在Cetus 工作的女友从旧金山前往乡下度过周末。汽车行
驶在蜿蜒盘旋的128 号公路上，此时一个念头出现在Mullis 的脑海中——扩增DNA 片段时，如果同时添
加两条引物，分别扩增正义链和反义链，那么只要引物足够，岂不是可以无限循环地扩增下去！
Mullis 马上靠边停车，掏出纸笔开始演算。这种扩增方法，每个循环得到的DNA 都是上一循环的二
倍，那么循环10 次DNA 就能扩增1000 倍，循环个30 次就能达到10 亿倍！
这个数字太惊人了，这个思路也太简洁了，Mullis 一时之间都无法相信，之前居然从未有人尝试过。
他反复查阅资料之后，在Cetus 内部的科研会议上分享了自己的想法。然而奇怪的是，同事们完全不觉这
有什么厉害之处。
Mullis 花了几个月时间寻求认同，但赞同他观点的科学家寥寥无几，这期间他与女友的感情也出现了
裂缝，直到9 月，他才开始第一次实验。
如果顺利，DNA 将不断以倍数扩增
在诺奖致辞中，Mullis 提到他不喜欢重复劳动，如果一件事需要反复做同一个流程，那么他会倾向于
写个程序来解决。所以那个夜晚，他把聚合酶加入试管后就径直回家了，满心以为DNA 已经在管中自己
成倍增加了。
然而第二天中午，Mullis 没能在凝胶中看到期望的条带。他不得不承认，反复地加热、冷却、添加聚
合酶，这枯燥的工作是绕不过去的坎儿。
接下来的三个月里，Mullis 磨磨蹭蹭地进行着实验，同时为了感情问题焦头烂额。终于在飘雪的圣诞
节，他终于成功实现了扩增一个pBR322 质粒的一个25bp 长的片段，同时也失去了爱情。
结束的开始
事情进展并不顺利。1984 年中，Mullis 再次在Cetus 的会议上向同事汇报了自己的成果，结果依旧无
人感兴趣。也是在这个会上，Mullis 和另外一位同事发生了口角，上升到了肢体冲突。这个突发事件以
Mullis 降职、另一人离开公司结束。
Mullis 的好友White 此时已经当上了Cetus 的技术副总裁，他帮助Mullis 拉起一支小组专门研究
PCR，其中有个名为才木的日本人。不知是不是日本人天性严谨又勤劳，这支小组成立后，研究很快得到
了推进，他们成功扩增了一个110bp 的人源蛋白基因片段。
进行了更多的尝试之后，研究者们决定撰写两篇论文，Mullis 主导的一篇介绍PCR 技术理论，才木
主导的另一篇介绍PCR 技术的应用。
出于某些原因——笔者本人相信可能是Mullis 的拖延癌又犯了——当才木的论文写好时，Mullis 几
乎还没动笔。
在前几节我们提过，此时Cetus 正把全力投在IL-2 开发上，公司急于从科研公司转型到制药公司，
没有时间耗费在不知能不能变现的技术上。高层没法等Mullis 完成论文，便催促才木赶快先把应用论文
发表。
12 月，才木的论文发表在了《科学》上，题目是《β-珠蛋白基因组序列的酶促扩增和限制性位点分
析诊断镰状细胞贫血》。
Mullis 的论文就没那么好运了，他先后投了《自然》和《科学》，都因为内容不够“原创”被拒稿，最
后不得已投了《酶学方法》，论文直到1987 年才出版[14]。
同一年里，Cetus 内另一组科学家也在为PCR 的进化添砖加瓦。PCR 最初的版本使用的是来自大肠
杆菌的DNA 聚合酶，这种酶不耐热，必须每个循环都重新添加，大大降低了自动化程度。
Cetus 与Perkin-Elmer 合作开发的热循环仪原型机，因为需要持续添加DNA 聚合酶，所以采用了敞口、
机械臂移动的方式
从耐热菌中分离聚合酶的想法是谁提出的不确定，最后进行这项工作的是David Gelfand 和Susanna
Stoffel。两位科学家在秋天从Thermus aquaticus 中分离到了能够在95℃高温下依旧不失活的TaqDNA 聚
合酶，Taq 酶马上就被应用到了PCR 中。这就是我们现在也在使用的PCR 第一次完整出现。
1986 年的热循环仪原型机
幻觉中的情圣
看起来PCR 已经走过最艰难的时刻，是该享受光辉和荣耀的时候了。然而不知为什么，共过苦的伙
伴，却很难同甘。
一方面，是PCR 发明人的身份争议；另一方面，Cetus 对PCR 团队也着实不太公平，虽然Mullis 获
得了一万美元的奖金，但是团队里的其他人只是象征性地收到了一美元，这让他们与其他团队之间的分
歧更大了。1986 年，Mullis 选择了离开Cetus。
1991 年，Cetus 折戟梦途；1992 年，身价3 亿美金的PCR 专利去往新东家Hofmann-La Roche；1993
年，Mullis 登上诺贝尔领奖台，大谈童年时光与128 号公路上的那个夜晚。
Mullis 与PCR 的故事其实到这里就差不多已经全部说完了。纵观他的一生，Mullis 表现出很多并不
那么像个德高望重的诺奖获得者的特征。
Mullis 在诺贝尔获奖致辞中反复提到分手的女友，甚至表示获奖的喜悦也抵消不了失去这个姑娘的悲
伤——就算那已经是十年前的事情了——表现得像个痴心的情圣，可他50 岁前就结了四次婚。据称他在
男女关系上确实不那么保守，也曾因此在公司内引发问题。
White 把Mullis 描述为一个充满创造力，但是有些过于随心所欲的角色。Mullis 才华横溢，而且没有
对权威的畏惧，但是另一方面他并不那么自律，实验进行得断断续续，这是他无法在Cetus 内部取信于人
的原因之一。他俩的友谊最后没能持续下去，但在之后的舆论纷争中White 一直站在Mullis 的一边。
Mullis 还有些不那么登得上台面的小爱好。1938 年，Albert Hofmann 首次合成了LSD，这种物质在十年
后被引入精神疾病治疗领域，然后在短短几年时间内成了倍受年轻人喜爱的时髦小玩意儿，成为史上最
有名的致幻剂。Mullis 上学的时候也好这一口——这是他亲口告诉Hofmann 的——并且Mullis 认为LSD
带来的幻觉帮助他在128 号公路上找到了PCR 的灵感。
Mullis 还有些甚至不太像科学家的地方。比如他认为HIV 病毒并非AIDS 的病因、全球变暖是个伪
命题；他相信占星术，相信转世，还宣称自己曾与伪装成荧光浣熊的外星人对话。
还有一个有趣的细节。前文曾讲过，Kleppe1971 年发在《分子生物学杂志》上的论文首次提到了修
补复制的概念，也提到了双引物系统。
人类学家Paul Rainbow 曾写过一本书“Making PCR：a story of biotechnology”，详细地讲了整个PCR
的发现故事，书中提到，其实1969 年的高登会议上，Kleppe 就公开发表过这个观点，当时在场的科学家
中有一位名为Stuart Linn。
巧了，这位科学家正是Mullis 就读加州大学伯克利分校期间的一位老师，而Linn 也的的确确曾在课
堂上演示过Kleppe 的设想，实验也成功了。所以Rainbow 认为，Mullis 可能只是个“追随者”，并非“开创
者”。
Mullis 是个“好人”吗？我们不知道。但是PCR，真真实实地改变了世界。
