La Polymerase Chain Reaction ha consentito di rivoluzionare la metodologia d’indagine finalizzata all’identificazione e alla caratterizzazione di segmenti d'acidi nucleici nel campo dell’ingegneria genetica e della diagnostica. Scopo della reazione di polimerizzazione a catena è amplificare la sequenza bersaglio di un acido nucleico (templato), in modo da ottenerne più copie possibili.

La PCR si svolge in tre fasi: denaturazione, ibridazione con i primer (o annealing) e sintesi. Dopo la denaturazione (esposizione del materiale genetico a 94°C per 15-30 sec.), segue l’ibridazione (a 50°-65°C per 30 sec.), fase in cui una coppia di sonde oligonucleotidiche (primer forward e primer reverse) si legano alle regioni fiancheggianti la sequenza bersaglio. Durante la fase di sintesi, infine, la DNA-polymerase (enzima termostabile estratto da Thermophilus acquaticus, attivo a 70°C), opportunamente aggiunta alla miscela di reazione, utilizza le sonde come innesco per la sintesi del filamento complementare. E’ possibile ottenere con una ventina di cicli circa un milione di copie della sequenza desiderata.

Per l’esecuzione della PCR, è necessario l’utilizzo d'apparecchiature in grado di realizzare il processo analitico in modo controllato, garantire la riproducibilità dell’esperimento e l’uniformità statica e dinamica. Gli amplificatori di sequenze nucleotidiche (Thermal cyclers) sono fondamentalmente costituiti da:

• BLOCCO PORTACAMPIONI: deve condurre il calore in maniera uniforme alle provette di reazione. La maggior parte dei blocchi portacampioni in uso è costruita in argento o alluminio ricoperto, metalli con elevatissime proprietà termoconduttive. La maggior parte dei termociclatori attualmente sul mercato sono estremamente flessibili, con la possibilità cioè di montare da due a quattro blocchi intercambiabili.Esistono apparecchiature dotate di più termoblocchi e di braccio robotizzato che trasferisce i campioni da un blocco all’altro.

• PIASTRE DI REAZIONE: A seconda dei blocchi impiegati, possono essere adottati tubi conici in polipropilene, anche se si ritiene che il propilene assorbe una parte del calore destinato alla reazione. Possono in alternativa essere impiegati tubi capillari in vetro che offrono un alto ed uniforme rapporto superficie/volume, o micropiastre a pozzetti o anche vetrini (per PCR in situ).

• SORGENTE TERMICA: vi sono diversi tipi di sistemi di riscaldamento: sistema di riscaldamento termoelettrico (Juole), sistema di riscaldamento Peltier, sistema di riscaldamento a lampada IR. Fra i sistemi di raffreddamento più in uso si annoverano: circuito frigorifero, basato su una pompa di compressione a vapore, sistema Peltier, sistema ad aria, sistema ad acqua.

• COPERCHIO: Sopra il blocco portacampioni può essere presente un coperchio dalle caratteristiche variabili. In modelli tecnologicamente più evoluti, è presente un coperchio riscaldato, allo scopo di prevenire la condensazione dei reagenti a livello delle provette, consentendo così di evitare l’aggiunta d'olio minerale o cera ai campioni. In taluni casi il coperchio può essere dotato di timer per il controllo della temperatura e della funzione di controllo della pressione.

• PANNELLO COMANDI E MICROPROCESSORE: L’interfaccia utente consiste in una tastiera numerica e soft-key, con un display grafico che permette in ogni momento la visualizzazione dei programmi in corso e del tempo di reazione. Il display mostra il profilo di temperatura e la conta del tempo per ogni segmento d'incubazione termica ed il numero di cicli completati. E’ possibile memorizzare anche un elevato numero di programmi (nei termociclatori a più termoblocchi il numero di programmi memorizzabili s'intende per ogni singolo blocco), inserire tempi d'attesa e segnalatori acustici. I software sono inoltre in grado di compensare le differenze di temperatura fra il blocco portacampioni e le piastre di reazione. Esistono modelli dotati d'auto-restart in caso d'interruzione dell’alimentazione elettrica.