home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TIME: Almanac 1993 / TIME Almanac 1993.iso / time / 081291 / 0812300.000 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-08-28  |  8.6 KB  |  193 lines

  1.                                                                                 SCIENCE, Page 54Ultimate Gene Machine
  2.  
  3.  
  4. A method of multiplying DNA is revolutionizing medical diagnosis,
  5. speeding forensic work and solving old mysteries
  6.  
  7. By J. MADELEINE NASH/CHICAGO -- With reporting by Anne Constable/
  8. London and Andrew Purvis/New York
  9.  
  10.  
  11.     Imagine an amplifier powerful enough to convert the
  12. inaudible whir of butterfly wings into a mighty roar. That's
  13. what a new tool called PCR routinely does to the most
  14. infinitesimal snippets of DNA, the molecule that carries the
  15. genetic blueprint for all living things. Within the space of a
  16. few hours, an unprepossessing aluminum box stuffed with test
  17. tubes can create a billion copies of what started out as a
  18. single strip of DNA. A dividing cancer cell would take at least
  19. a month to perform the same stupendous feat. "This technique,"
  20. marvels Dr. Harley Rotbart, a microbiologist at the University
  21. of Colorado School of Medicine, "can reproduce genetic material
  22. even more efficiently than nature."
  23.  
  24.     PCR stands for polymerase chain reaction, polymerase being
  25. the enzyme that triggers the replication of DNA inside dividing
  26. cells. All PCR does is reproduce, in a test tube, this basic
  27. biological process, turning it into a chain reaction that can be
  28. endlessly repeated by having a machine alternately raise and
  29. lower the temperature in the test tube. "The beauty of PCR is
  30. that it's technically so simple," observes cell biologist Peter
  31. Parham of Stanford University.
  32.  
  33.     Since the first working machine was developed six years
  34. ago by a team of Cetus Corp. researchers, including biochemist
  35. Kary Mullis, PCR has enabled researchers to study even the
  36. faintest, most fragmentary traces of DNA found in specks of
  37. dried blood, strands of hair, chips of bone. In the journal
  38. Nature last week, for example, a team of British researchers
  39. recounted how they successfully identified a teenage murder
  40. victim from skeletal remains eight years old. First they
  41. extracted DNA from bone cells in the dead girl's femur. Then
  42. they obtained DNA from blood samples donated by the couple
  43. believed to be her parents. Using a PCR machine as their
  44. microscope, they went on to magnify and examine the unique
  45. genetic markers the dead girl shared with her parents. The
  46. evidence helped to convict two men of the crime earlier this
  47. year.
  48.  
  49.     To date, PCR has been used to compare the DNA of extinct
  50. animals with their closest living relatives. It has assisted the
  51. U.S. military in identifying the remains of soldiers who died
  52. during Operation Desert Storm. It is beginning to help
  53. physicians detect small numbers of cancer cells circulating in
  54. the bloodstream and make prenatal diagnoses of genetic diseases
  55. such as sickle-cell anemia, as well as ensure better matches
  56. between organ donors and transplant recipients.
  57.  
  58.     PCR may also soon aid scientists in solving a number of
  59. historical mysteries. Among them: whether the man who drowned
  60. in Argentina in 1979 really was Nazi war criminal Dr. Josef
  61. Mengele, and whether Abraham Lincoln suffered from Marfan's
  62. syndrome, an inherited disease characterized by gangly limbs,
  63. poor eyesight and a weak heart. "The applications of this
  64. technology are literally as wide as your imagination!" exclaims
  65. University of Virginia geneticist Dr. Thaddeus Kelly.
  66.  
  67.     Among the areas where PCR is starting to make important
  68. inroads:
  69.  
  70.  
  71.  
  72.     MEDICAL DIAGNOSTICS. Already PCR has begun to help
  73. physicians determine which babies born to AIDS-infected mothers
  74. also harbor the virus. Since all newborns carry their mother's
  75. antibodies whether or not they are actually infected, standard
  76. antibody tests are inconclusive. PCR, however, can home in on
  77. the minute quantities of viral DNA that may be present in only
  78. 1 out of 100,000 cells. A positive diagnosis means the baby can
  79. immediately begin therapy with AZT.
  80.  
  81.     PCR-based diagnostic tests are also under development for
  82. Lyme disease, tuberculosis and viral meningitis. Present tests
  83. for tuberculosis, which involve culturing and growing the
  84. bacteria, take up to a month to confirm a diagnosis. PCR can do
  85. the job in a few hours. Current tests are unable to distinguish
  86. viral meningitis quickly from the far more dangerous bacterial
  87. form of the disease, which is most common in infancy. As a
  88. result, all babies found to have meningitis are treated as if
  89. they had the more lethal form. With a PCR diagnosis, those with
  90. viral meningitis could be spared unnecessary hospitalization and
  91. medication. "There is a big financial saving, a big emotional
  92. saving, and substantial reduction in risk to the baby," says
  93. Colorado's Rotbart, who is helping to develop the test.
  94.  
  95.  
  96.  
  97.     FORENSIC SCIENCE. Amplified by PCR, the DNA in a single
  98. sperm cell can link a suspect to a rape victim. Theoretically,
  99. a single epithelial cell found in saliva can be traced back to
  100. the person who, say, licked a stamp on a letter bomb. In
  101. California's San Mateo County, charges against a man arrested
  102. and jailed for a brutal rape were dropped in 1988 after a PCR
  103. test showed he could not have been the attacker. A year later
  104. another man was arrested in another rape case. Not only did a
  105. DNA marker make him a suspect in the unsolved rape, but the
  106. victim's jewelry was found in his girlfriend's possession and
  107. his fingerprint matched one found on the victim's car. Result:
  108. a conviction.
  109.  
  110.  
  111.  
  112.     EVOLUTIONARY BIOLOGY. Thanks to PCR, it is now possible to
  113. extract badly degraded DNA sequences from ancient sources and
  114. enlarge them like photographic prints. Thus far, PCR has been
  115. used to examine minuscule fragments of DNA taken from the brain
  116. cells of humans buried 8,000 years ago in a Florida bog.
  117. Analysis of such DNA can shed light on the emigration patterns
  118. of ancient peoples and perhaps some of the diseases that
  119. afflicted them. The technique has also been used to examine DNA
  120. from animal skins in natural-history museums and from the frozen
  121. remains of woolly mammoths. Among the unresolved questions that
  122. PCR may eventually shed light on is whether the Neanderthals
  123. were an unsuccessful offshoot of the evolutionary tree or the
  124. direct ancestors of modern humans. It may also be able to
  125. unravel the mystery of what happened to the ancient Celts, who
  126. once populated most of Western Europe. "Now," says University
  127. of Leicester geneticist Alec Jeffreys, "there is a genetic time
  128. machine for looking back into the past."
  129.  
  130.     Sometimes PCR is compared to a computer that speedily
  131. executes the most complex calculations. But its significance far
  132. exceeds a simple increase in efficiency and productivity. Like
  133. the radio telescope and the electron microscope, it represents
  134. an advance of a fundamental nature. Before PCR, scientists could
  135. not consider analyzing the DNA contained in a single cell, much
  136. less the degraded DNA recovered from dried blood or old bones.
  137. PCR, says Dr. Barry Eisenstein, chairman of the Department of
  138. Microbiology at the University of Michigan Medical School, "is
  139. enabling us to answer questions we only dreamed of five years
  140. ago."
  141.  
  142.     Ironically, the technology's biggest virtue is also its
  143. major drawback: it is so sensitive to tiny bits of DNA that even
  144. the most minute contamination of laboratory samples can lead to
  145. false results. This sometimes vexing problem, however, has not
  146. stopped the flow of creative and occasionally wild ideas about
  147. PCR's applications. Researchers at Hoffmann-La Roche Inc.,
  148. which recently agreed to pay Cetus $300 million for the rights
  149. to PCR, are interested in developing a whole series of DNA
  150. identification tags. To foil counterfeiting, for instance,
  151. everything from paper currency to designer jeans and compact
  152. discs might be laced with DNA markers. Oil carried in tankers
  153. and toxic chemicals carried in trucks might similarly be
  154. "branded" by molecules of synthetic DNA. With PCR, a spill of
  155. unknown origin could then be traced back to the responsible
  156. party.
  157.  
  158.     Like many, Arthur Caplan, director of the Center for
  159. Biomedical Ethics at the University of Minnesota, believes that
  160. PCR will revolutionize everything from medicine and biology to
  161. anthropology and history. It is a prospect he finds both
  162. exhilarating and disturbing. Technically, it would be possible,
  163. by examining DNA samples from the descendants of Thomas
  164. Jefferson and those of his slave Sally Hemings, to determine
  165. once and for all whether Jefferson, as rumored, fathered some
  166. of Hemings' children. Would this be an appropriate use of the
  167. new technology? "Let me put it this way," says Caplan. "Because
  168. of PCR, I'm not worried about going out of the bioethics
  169. business anytime soon."
  170.  
  171.  
  172.  
  173.  
  174.  
  175.  
  176.  
  177.  
  178.  
  179.  
  180.  
  181.  
  182.  
  183.  
  184.  
  185.  
  186.  
  187.  
  188.  
  189.  
  190.  
  191.  
  192.  
  193.