陈铮
人人参予 摄影 路保林
自从此次新冠疫情开始，我们经常能听到一个词语：核酸检测。
咽拭子轻轻一刮，就能检出是否感染了新冠病毒。核酸检测到底是如何做到让看不见的病毒无处遁形的？这么牛的技术又是如何被发明和应用到病毒检测这个领域的？
从基因层面查寻蛛丝马迹
根据国家卫健委和国家中医药管理局联合下发的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版）》，“釆用RT-PCR或/和NGS方法在鼻咽拭子、痰和其他下呼吸道分泌物、血液、粪便等标本中可检测出新型冠状病毒核酸”，是确诊新冠病毒感染最重要的病原学检查依据。也就是说，核酸检测，可以确定咽拭子、痰液等标本中到底有没有新冠病毒。
说起核酸，它其实是所有生命体必不可少的一种组成物质，主要的职责就是携带生命体的遗传信息。核酸主要分为两种：脱氧核糖核酸（大家可能更熟悉它DNA这个名字）以及核糖核酸（RNA）。
DNA和RNA都是由一系列“核糖核苷酸”组成的链条，DNA是由两条链组成的双螺旋结构，而RNA则只有一条链。链条上不同种类核糖核苷酸的排列顺序，就是遗传信息。
在新冠病毒这样的病毒生物中，携带遗传信息的物质是RNA，每种病毒的RNA，都有其独特的分子排列特征，就像病毒的指纹。所谓病毒核酸检测，也就是使用特有技术，寻找病毒特有的RNA，能找到，我们就可以确定病毒的存在了。
寻找病毒RNA的方法有两种，就是上面提到的RT-PCR（反转录基因扩增）和NGS（基因组测序）。
RT-PCR出结果快（约3-6小时出结果），NGS测序比较慢（约24-72小时出结果），所以大多数人核酸检测采用的是RT-PCR这种方法。
用荧光标记快速定位病毒的RT-PCR技术
假设我们的咽拭子、鼻拭子、痰液等样本中含有新冠病毒，RT-PCR检测基本上是这样一个过程：
第一步，从标本中提取新冠病毒的RNA。简单来说，就是向咽拭子、鼻拭子、痰液等标本中加核酸提取试剂，这些提取剂会把病毒的外壳破坏掉，新冠病毒内的RNA核酸释放出来。
图片 大琦
第二步，是把新冠病毒RNA“反转录”成DNA。简单来说，就是使用“反转录酶”，和核糖核苷酸“原料”，把新冠病毒的单链RNA“配对”上另一条由“原料”组成的相呼应的单链，组成一种特殊的双链DNA——cDNA，暂且管它叫“新冠病毒cDNA”。这么做的原因主要是因为RNA只有一条链，结构很不稳定，稍不留神就会碎掉或者糊成一坨，这就没法做后面的检验了，而双链DNA就稳定得多。完成转录后，下面工作都将围绕这条双链的新冠病毒cDNA展开。
最主要的是第三步，进行新冠病毒cDNA的扩增与检测。简单来说，就是利用PCR技术（聚合酶链式反应）大量复制新冠病毒cDNA的数量。大家可以把cDNA的双链想象成一条拉链，PCR的过程其实就是先拉开拉链，把cDNA分成两条单链，然后利用“原料”核糖核苷酸合成与两条链分别配对的新单链，再利用DNA聚合酶作为拉链头，把原本拉开拉链产生的旧单链和配对好的新单链“拉上”，变成双链。这样原本一条拉链，就变成了两条拉链。反复重复这个过程，新冠病毒cDNA就会呈几何级数状被复制扩增出来。
寻找病毒特征的NGS技术
NGS基因组测序，简单来说，就是对咽拭子、鼻拭子、痰液等标本中所含的所有遗传物质进行基因测序，搞清这条单链上每一个“链齿”都是什么。
NGS的技术原理比较简单，但工作起来比较耗时。
与RT-PCR的前三步一样，做好RNA提取、逆转录，然后通过PCR技术将cDNA大量扩增。
完成前三步后，通过DNA剪切酶，把完整的cDNA链条打碎成一系列片段，然后使用高通量测序仪，把各个片段中所含的每一个核糖核苷酸的排列顺序都检测出来，得到一个排列顺序的“文库”。
之后，只需要用已知的新冠病毒核糖核苷酸序列特征，到“文库”中去作比对，一旦发现一致，就说明样本里是含有新冠病毒的，也就是檢测阳性。
结果阴性也非万事大吉
核酸检测阴性，也并不意味着就一定没有受到病毒感染。这种明明已经受到感染，核酸检查却呈现阴性的现象，被称为“假阴性”。
任何测量、检验的方法都难免有误差。如采集样本（如咽拭子）时，没有取到受到病毒感染的部位，样本中就可能不含病毒;如果所取到的样本中病毒太少，也会导致结果阴性;样本在储存、运输中出问题，导致样本中病毒核酸遭到破坏失去活性，检测结果可能会呈现阴性;试剂盒的质量稳定和一致性等因素也可能导致出现假阴性的状况。
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“自由散漫”催生的伟大技术
PCR的最早期理念，出自遗传信息之父、美籍印裔科学家哈尔·葛宾·科拉纳（H Gobind Khorana），科拉纳20世纪70年代就多次表示，如果有合适的酶和引物，DNA是可以在体外环境下被高效合成。当时，能够稳定使用的DNA聚合酶还没有被发现，因此，科拉纳还无法实现这一设想。
真正将PCR技术开发落地的，是美国科学家穆利斯（K Mullis）。
穆利斯是一个非常桀骜不驯且生活放荡不羁的人，在20世纪70-80年代，穆利斯似乎受了嬉皮文化的影响，经常和人起冲突。作为一个生物化学领域的学者，他却在自制迷幻药的过程中突发灵感，写了一篇解释宇宙大爆炸的物理学论文，而这篇“用幽默的大白话写成的论文”，居然还发表在颇具学术影响力的《自然》周刊上。随后，穆利斯也频繁转换自己的研究方向，但是每一个研究方向他都很快感到厌烦。
直到1979年，穆利斯加入了Cetus生物技术公司开始生物技术研究，才稍微稳定下来。1983年春季的一天，穆利斯在高速公路上疯狂飙车，突然迸发出了一个扩增DNA的技术灵感。
在初步实验中，穆利斯使用了循环复制和两个引物共同参与反应的方法，已经具备了PCR技术雏形。
1984年，穆利斯因为男女关系方面的不检点而得罪了Cetus公司的同事，整个公司从上到下对穆利斯怨声载道。Cetus公司告诉穆利斯，他只有1年时间，这期间公司会全力支持穆利斯的研究，如果研究失败，穆利斯就得收拾铺盖走人。
在Cetus公司研究员们的共同努力之下，穆利斯团队在1984年11月正式完成了全世界第一个PCR实验，将一个DNA片段进行了10次PCR循环的复制扩增。PCR技术终于问世！