Taq 聚合酶是从嗜热细菌水生栖热菌中提取的热稳定（热稳定）DNA 聚合酶。  它的主要功能是聚合酶链式反应 (PCR) 技术，它使扩增特定 DNA 序列的重复步骤自动化。  聚合酶链式反应可以使 DNA 分子增加多达十亿倍。  这会产生大量特定基因，并在多种应用中下游使用。

Taq DNA 聚合酶已包含在称为家族 A 的 DNA 聚合酶家族中。PCR 使用来自（仅）家族 A 和家族 B DNA 聚合酶的 DNA 聚合酶。  家族 DNA 聚合酶包括 Tth 和 Tma DNA 聚合酶以及 Taq，并具有 5'-3' 外切核酸酶活性，但通常缺乏 3'-5'。  在没有 3'-5' 核酸外切酶活性的情况下，A 族聚合酶在掺入碱基对时容易出错。

相反，B 族 DNA 聚合酶具有高保真度（或校对）。   该家族包括 Pfu、Kod 和 Tli。  它们具有内在的 3'-5' 核酸外切酶活性，但缺乏 5'-3' 核酸外切酶活性。  这能够在 DNA 合成过程中去除错误掺入的核苷酸，从而提高其相对于 A 族聚合酶的准确性。

简而言之 PCR 扩增

PCR 技术涉及的步骤包括将 DNA 与过量的对选定基因组序列特异的引物孵育。  DNA聚合酶负责使用目标链作为模板来延伸引物。

1、变性 (94°C)： 孵育后，加热 PCR 混合物以分离 DNA 链

2、退火 (55-65°C)： 这使引物能够与新扩增的 DNA 的互补区域杂交。

3、延伸 (72°C)： Taq 聚合酶介导的引物结合序列的酶促复制。 这在 70°C 时以每秒约 60 个碱基的速率发生

该过程重复数次以增加拷贝数。  使用嗜热 DNA 聚合酶（如 Taq 聚合酶）可防止酶在加热步骤中发生变性，这是分离新合成链所必需的——这随后简化了 PCR 技术并提高了其效率。

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Taq 聚合酶的酶动力学

Taq 聚合酶在 37°C 下表现出显着的酶活性。  然而，它在更高的温度（~72°C）下运行最佳。  核苷酸以每分钟 2 到 4 kb 的速度掺入。

然而，在此温度下运行允许与 PCR 反应初始阶段发生的错误引发事件相关的非特异性扩增。  在第一个变性步骤（发生在 93–95°C）之前，可以从与模板 DNA 非特异性结合的寡脱氧核苷酸引物进行延伸。

规避这种情况的机制包括使用不耐热的抑制剂来阻断 Taq 聚合酶的活性，直到它被热灭活。  因此，Taq 聚合酶仅在 PCR 反应初始变性过程中温度破坏单克隆抗体后才变得活跃。  这种抗体介导的 Taq 聚合酶抑制方法允许在室温下组装 PCR 反应混合物。  因此，消除或减少了由错误引发事件引起的非特异性扩增。

Taq 聚合酶的局限性和与 B 家族 DNA 聚合酶的比较

尽管 Taq DNA 聚合酶是 PCR 应用中的金标准酶，但它们的局限性限制了它们在更复杂的应用中的结合。耐热 Taq DNA 聚合酶被认为是行业标准，适用于广泛的 PCR 应用。  然而，Taq 的性能在更具挑战性的应用中受到限制，例如需要高保真合成长 (> 2 kb) 扩增子和扩增富含 GC 的序列的应用。

最关键的是，Taq DNA 聚合酶由于缺乏 3'-5' 校对活性而缺乏校对活性。 这确实会导致低错误掺入率，估计在 1 到 10,000 个碱基之间 - 但会损害其保真度。 非校对聚合酶和校对聚合酶之间的碱基替换错误率比较大； 10 -2 到 10 -6 与 10 -6 到 10 -7 分别。

相比之下，古细菌 B 型 DNA 聚合酶可以去除错配的碱基，因为它们具有完整的 3'→5' 外切核酸酶活性，从而获得更高的保真度。 这些包括 Pfu DNA 聚合酶（来自古细菌 p yrococcus furiosus），它 在 95°C 下比 Taq DNA 聚合酶稳定约 4 倍（尽管 在体外表现出有限的持续合成能力（< 20 个碱基））

源自 Thermococcus kodakarensis 是另一种 B 型古细菌 DNA 聚合酶，具有 3'-5' 外切核酸酶（校对）活性。 的 最适温度 (75 o C) 和突变频率 (3.5 x 10 -3 ) 与 Pfu DNA 聚合酶相似，但延伸率高约 5 倍 (100-130 个核苷酸/秒)； 加工能力提高 10-15 倍； 富含 GC 的序列的扩增和使用粗样品进行操作的能力。

总的来说，这些特征减少了 PCR 运行时间的长度，这导致相对于 Taq 介导的 PCR 时间减少了约 66%。