Polymerase chain reaction (PCR) หรือปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส เป็นเทคนิคการเพิ่มชิ้นส่วนของ DNA ในหลอดทดลองในบริเวณที่ต้องการได้อย่างจำเพาะเจาะจง ทำให้มีปริมาณเพิ่มขึ้นเป็นทวีคูณ ภายในระยะเวลารวดเร็ว โดยเป็นการเลียนแบบหลักการของการจำลองตัวเองของ DNA (DNA replication) ในสิ่งมีชีวิต โดยส่วนประกอบหลักของปฏิกิริยา PCR มีดังต่อไปนี้
1. DNA ที่ทำหน้าที่เป็นแม่แบบ (DNA template) คือ DNA เริ่มต้นในปฏิกิริยา ทำหน้าที่เป็นแม่แบบในการสังเคราะห์ชิ้นส่วน DNA เป้าหมายที่เราต้องการเพิ่มปริมาณ
2. Primer เป็น DNA สายสั้นๆ มีขนาดประมาณ 18-25 เบส จะถูกนำมาใช้เริ่มต้นสร้าง DNA สายใหม่ ซึ่งจะมีลำดับ nucleotide เป็นคู่สม (complementary) กับลำดับ nucleotide ของ DNA เป้าหมายที่เราต้องการเพิ่มปริมาณ ซึ่งโดยปกติเราจะใช้ primer เป็นคู่ ได้แก่ forward และ reverse primer
3. Deoxynucleotides triphosphate (dNTPs) ประกอบด้วย nucleotide ทั้ง 4 ชนิด ได้แก่ dATP dTTP dCTP และ dGTP เป็นสารตั้งต้นที่จะถูกนำไปสังเคราะห์ DNA สายใหม่
4. DNA polymerase เป็นเอนไซม์ที่ช่วยในการสังเคราะห์ DNA สายใหม่
5. Divalent cations โดยทั่วไปจะใช้ Mg2+ (ในรูปของ MgCl2) ซึ่งทำหน้าที่เป็น cofactor ของเอนไซม์ DNA polymerase
6. PCR buffer ช่วยรักษาสภาวะที่เหมาะสมต่อการทำงานของปฏฺกิริยา PCR
เทคนิค PCR อาศัยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นรอบ (cycle) ถูกควบคุมโดยเครื่อง Thermal cycler หรือ PCR machine ซึ่งเป็นเครื่องที่สามารถปรับเปลี่ยนอุณหภูมิในระยะเวลาตามที่กำหนด แต่ละรอบมี 3 ขั้นตอนได้แก่ Denaturation Annealing และ Extension
Denaturation เป็นขั้นตอนการแยก DNA สายคู่ (double-stranded DNA) โดยการเพิ่มอุณหภูมิไปที่ 95°C ซึ่งจะทำให้พันธะ hydrogen ที่ยึด DNA สายคู่ถูกทำลาย ได้เป็น DNA สายเดี่ยว (single-stranded DNA)
Annealing เป็นขั้นตอนการลดอุณหภูมิลง เพื่อให้ primer มีการเข้าจับกับ DNA template บริเวณตำแหน่ง nucleotide ที่เป็นคู่สม เพื่อเริ่มการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ โดยอุณหภูมิที่ใช้อยู่ที่ประมาณ 50-60°C
Extension เป็นขั้นตอนการเพิ่มอุณหภูมิขึ้นไปที่ประมาณ 72°C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เหมาะสมต่อการทำงานของเอนไซม์ DNA polymerase ในการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ต่อจากปลาย 3′-OH ของ primer