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Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

Grundprinzip - Entdeckung - Replikation im Detail - Polymerase-Kettenreaktion - Fehler der Repl. - Evolution der Repl.

Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie wissen

  • wie die Polymerase-Kettenreaktion im Prinzip abläuft,
  • aus welchen Phasen die PCR besteht,
  • welche Anwendungsbeispiele es für die PCR gibt.
Das Grundprinzip der Polymerase-Kettenreaktion (engl. polymerase chain reaction = PCR) ist ganz einfach: "Man braucht nur ein Reagenzglas, ein paar Zutaten und eine Wärmequelle", so Kary B. Mullis, der Erfinder der PCR (Spektrum der Wissenschaft 12/1993, S. 16). In den USA gibt es sogar eine Firma, die ein PCR-Kit für ca. 40 Dollar an Privatleute verkauft, damit sie in ihrer Küche mit einfachsten Hilfsmitteln ihre eigene DNA vervielfältigen können ("PCR at Home", Scientific American 7/2000, S. 103).

Grundprinzip der PCR

1. Denaturierung

Bei 95°C wird die doppelsträngige DNA, die vervielfältigt werden soll, gespalten.

2. Hybridisierung

Die beiden Primer-Moleküle, die schon vorher zugesetzt worden sind, lagern sich bei 60°C an die Einzelstränge an.

3. Polymerisierung

Eine DNA-Polymerase synthetisiert, ausgehend von den Primern, bei 72°C die komplementären DNA-Stränge. Auf diese Weise werden aus der zu untersuchenden DNA zwei identische doppelsträngige DNA-Moleküle. Jetzt geht es weiter mit Schritt 1, dann wieder mit Schritt 2 und so fort.

Thermocycler

Ein ganzer Zyklus dauert nur wenige Minuten, weil man heute programmierbare Geräte einsetzt, so genannte Thermocycler, die die PCR quasi von selbst durchführen. Nach 30 solcher Zyklen hat man bereits 1 Milliarde DNA-Kopien aus der ursprünglichen DNA gefertigt.

Gelelektrophorese

Was macht man nun mit der so gewonnenen DNA? Wie macht man sie sichtbar, wie kann man sie analysieren?

Dazu bedient man sich des Verfahrens der Gelelektrophorese. Die DNA-Stücke werden auf ein gelartiges Material aufgetragen und dann mithilfe des elektrischen Stroms getrennt. Durch den Gleichstrom (ca. 50 Volt) wird ein elektrisches Feld erzeugt, in dem die negativ geladenen DNA-Moleküle innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine bestimmte Strecke zurücklegen. Mit besonderen Chemikalien oder durch UV-Licht werden die so getrennten DNA-Stücke dann sichtbar gemacht. Es entstehen die typischen Streifenmuster, die viele von Ihnen vielleicht aus Krimi-Serien wie CSI kennen.

Anwendungsgebiete

Das bekannteste Anwendungsgebiet der PCR ist sicherlich die Erstellung eines gentischen Fingerabdrucks (genetic fingerprint). Dieses Verfahren wird in der Kriminalistik zur Erkennung von Tätern eingesetzt. Jeder Täter hinterlässt Spuren am Tatort, sei es in Form von verlorenen Haaren, Hautschuppen, Blut, Sperma oder Speichel. Ein einziges Haar genügt den Biologen und Gerichtsmedizinern, um ein genetisches Profil des Täters zu erstellen. Dazu wird die Täter-DNA zunächst vervielfacht, und zwar mithilfe der PCR.

Von den in Frage kommenden Verdächtigen werden Speichelproben genommen und ebenfalls der PCR unterworfen.

Die Täter-DNA und die Verdächtigen-DNA wird nun auf eine gelartige Folie gegeben und dann der Elektrophorse unterzogen. Die Täter-DNA ergibt im UV-Licht ein typisches Bandenmuster, die DNA der Verdächtigen ebenfalls. Selbst der biologische Laie kann auf den ersten Blick erkennen, ob das Bandenmuster eines der Verdächtigen mit dem des Täters übereinstimmt.

Ein anderes Anwendungsbeispiel ist die Medizin. Mit der PCR / Gelelektrophorse kann man sehr schnell fremde DNA im körpereigenen Gewebe nachweisen. So kann man zum Beispiel Bakterien- oder Virenerkrankungen nachweisen, lange bevor der Körper des Patienten Antikörper produziert hat. Auch Erbkrankheiten kann man mit diesem Verfahren leicht erkennen.

In der Lebensmittelanalytik nutzt man die PCR, um fremde Gene in Lebensmitteln nachzuweisen.

In der Evolutionsbiologie schließlich kann man mit Hilfe von PCR und genetischem Fingerabdruck den Verwandtschaftsgrad zwischen verschiedene Arten und Gattungen relativ genau bestimmen, so dass man bessere und genauere Stammbäume aufstellen kann.

Übrigens kann man die PCR / Fingerabdruck - Methode auch zur Rekonstruktion menschlicher Stammbäume nutzen; ein Vaterschaftsnachweis ist heute kein Problem mehr.

Entdeckung

Das Verfahren der PCR wurde im Jahre 1983 von dem Amerikaner Kary Banks Mullis erfunden, als er nachts im Mondschein mit seiner Freundin im Auto unterwegs war. Behauptet er jedenfalls. Die Idee wurde von seinen Kollegen zunächst belächelt. So einfach, wie Mullis es darstellt, kann man doch keine DNA vervielfachen, dachten die meisten wahrscheinlich. Dann erkannten die Biologen aber langsam das gewaltige Potenzial, das hinter dieser PCR-Methode steckt. Mullis erhielt von seiner Firma eine Summe von 10.000 Dollar als Anerkennung für seine Erfindung. Später verkaufte diese Firma das PCR-Patent für 3 Millionen Dollar weiter. 1993 erhielt Mullis dann aber den Nobelpreis für Chemie, so dass er doch nicht verhungern musste.

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