Direkt zum Inhalt

Kompaktlexikon der Biologie: Polymerasekettenreaktion

Polymerasekettenreaktion, Abk. PCR, eine wichtige molekularbiologische Arbeitsmethode, mit deren Hilfe identische DNA-Abschnitte eines zu untersuchenden Ziel-DNA-Bereichs erzeugt werden können. Dabei wiederholt sich im Reaktionsgefäß ein Teilschritt der DNA-Replikation, bei dem eine Kopie eines DNA-Einzelstrangs synthetisiert wird. Die P. beginnt mit einer thermischen Denaturierung der Doppelhelix bei 94 °C. Dadurch können die PCR-Primer, die dem Reaktionsgemisch im Überschuss zugesetzt werden, an die für sie komplementären Abschnitte auf der DNA binden (so genanntes Annealing), sobald die Temperatur entsprechend dem AT/GC-Gehalt dieser Olignucleotide auf 50 – 60 °C abgesenkt wird. Anschließend erfolgt die Synthese der jeweils komplementären DNA-Stränge. Die Primer werden so ausgewählt, dass sie in dem durch P. zu amplifizierenden DNA-Abschnitt entsprechen und so spezifisch (selektiv) sind, dass i.d.R. nur ein PCR-Produkt gebildet wird ( vgl. Abb. ). Die Wiederholung von Denaturierung, Annealing und DNA-Synthese, die als PCR-Zyklus bezeichnet wird, wird technisch durch die Verwendung von hitzestabilen DNA-Polymerasen aus Bakterien, die heiße Quellen bewohnen, erleichtert. Die aus dem Bakterium Thermus aquaticus isolierte, so genannte Taq-Polymerase übersteht die Denaturierung unbeschadet und hat ein Temperaturoptimum bei 72 °C. In einem Reaktionsansatz können alle erforderlichen Bestandteile, (Primer, Nucleosidtriphosphate, Reaktionspuffer, DNA, Enyzme) vor Beginn der P. zusammengemischt werden. Die P. findet in speziell hierfür entwickelten Geräten statt. Diese Thermocycler sind in der Lage, Erhitzen und Kühlen durchzuführen, wobei sich die Reaktionsansätze in einem Metallblock befinden.

Jeder Reaktionsschritt der P. erzeugt neue identische DNA-Moleküle, die als Matrizenstränge für weitere Synthesen dienen. Die Anzahl der DNA-Moleküle steigt exponentiell an, wobei nach n Zyklen 2n DNA-Moleküle synthetisiert wurden. Bei 30 – 40 Zyklen kann aus geringsten Ausgangsmengen genügend DNA für weitere Analysen verwendet werden. Aus diesem Grund ist die P. in Verbindung mit anderen Techniken wie z.B. der DNA-Sequenzierung aus der molekularbiologischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Mit ihrer Hilfe lässt sich ein genetischer Fingerabdruck ebenso erstellen wie Gene aufgrund von bekannten Primer-Sequenzen isoliert werden können. Die P. kommt im medizinischen Bereich auch beim Nachweis von Erbkrankheiten zum Einsatz. Eine modifizierte Form der P. ist die RT-PCR.



Polymerasekettenreaktion: Schematische Darstellung der PCR. Nach dem ersten PCR-Zyklus liegen zwei partiell doppelsträngige DNA-Stränge vor. Durch eine Wiederholung entstehen vier Teilkopien, wobei jeder die zu amplifizierende Sequenz enthält. Ab dem zweiten Zykus nimmt die Anzahl der Moleküle, die exakt dem Abstand der beiden Primer entsprechen, exponentiell zu, sodass nach z.B. 30 Zyklen mehrere Mikrogramm des gewünschten DNA-Abschnitts synthetisiert werden. Stränge, deren 3'-Ende nicht durch einen Primer festgelegt werden, steigen zahlenmäßig nur linear an

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Die Autoren

Redaktion:
Dipl.-Biol. Elke Brechner (Projektleitung)
Dr. Barbara Dinkelaker
Dr. Daniel Dreesmann

Wissenschaftliche Fachberater:
Professor Dr. Helmut König, Institut für Mikrobiologie und Weinforschung, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Professor Dr. Siegbert Melzer, Institut für Pflanzenwissenschaften, ETH Zürich
Professor Dr. Walter Sudhaus, Institut für Zoologie, Freie Universität Berlin
Professor Dr. Wilfried Wichard, Institut für Biologie und ihre Didaktik, Universität zu Köln

Essayautoren:
Thomas Birus, Kulmbach (Der globale Mensch und seine Ernährung)
Dr. Daniel Dreesmann, Köln (Grün ist die Hoffnung - durch oder für Gentechpflanzen?)
Inke Drossé, Neubiberg (Tierquälerei in der Landwirtschaft)
Professor Manfred Dzieyk, Karlsruhe (Reproduktionsmedizin - Glück bringende Fortschritte oder unzulässige Eingriffe?)
Professor Dr. Gerhard Eisenbeis, Mainz (Lichtverschmutzung und ihre fatalen Folgen für Tiere)
Dr. Oliver Larbolette, Freiburg (Allergien auf dem Vormarsch)
Dr. Theres Lüthi, Zürich (Die Forschung an embryonalen Stammzellen)
Professor Dr. Wilfried Wichard, Köln (Bernsteinforschung)

Partnervideos