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BookmarkWas ist PCR?
Die PCR revolutioniert die molekulare Biologie
Wenige Erfindungen haben die Wissenschaften vom Leben (Life Sciences) so schnell und so tief greifend verändert wie die Polymerase Chain Reaction (Polymerase-Kettenreaktion, PCR). Mit der PCR lassen sich winzige Mengen von Erbinformationen (Desoxyribonukleinsäure, DNS) innerhalb weniger Stunden milliardenfach vervielfältigen. Theoretisch genügt dafür ein einziges DNS-Molekül. Die PCR ist damit eine der empfindlichsten biologischen Techniken überhaupt. Sie ermöglicht beispielsweise den Nachweis der Erbsubstanz von Krankheitserregern noch bevor es zur Bildung von Antikörpern gegen diese Erreger kommt. Durch die PCR ist die Diagnostik und Therapieüberwachung von Krankheiten wie Aids und Hepatitis auf völlig neue Grundlagen gestellt worden. Auch das riesige Humangenomprojekt zur Entschlüsselung des menschlichen Erbguts hätte ohne die PCR nicht verwirklicht werden können. Damit ist die PCR zu einem unverzichtbaren Werkzeug der modernen molekularbiologischen Wissenschaften geworden.
Für die Entdeckung der PCR erhielt Kary B. Mullis 1993 den Nobelpreis für Chemie.
In den letzten 10 bis 15 Jahren hielt die PCR-Technologie aber auch Einzug in viele nicht-medizinische Themenfelder, darunter der Lebensmittelanalytik, der Archäologie und der Gerichtsmedizin. Auch Vaterschaftstests beruhen auf der PCR.
1983 hatte Kary B. Mullis, ein damals 39-jähriger Chemiker aus Kalifornien, den Gedankenblitz, der zur PCR führte – und ihm wegen seiner umwälzenden Bedeutung schon zehn Jahre später den Nobelpreis für Chemie einbrachte. 1987 verkaufte er das Patent seinem damaligen Arbeitgeber, dem Biotech-Unternehmen Cetus. 1991 erwarb Hoffmann-La Roche die
weltweiten Rechte an der
PCR von Cetus.
Grundlagen
Um das Prinzip der PCR zu verstehen, sind einige Grundkenntnisse über die Struktur der Erbinformation unverzichtbar:
Die Trägerin der Erbinformation von Organismen ist die Desoxyribonukleinsäure (DNS) oder – beispielsweise bei Retroviren wie dem HI-Virus – die Ribonukleinsäure (RNS). Die DNS ist ein langes Molekül in Form einer Doppelhelix. Sie besteht aus zwei Strängen, die sich wie eine verdrillte Strickleiter regelmäßig umeinander winden.Die Stricke dieser Leiter bestehen aus Zuckern und Phosphaten, ihre Sprossen sind aus je zwei Basen zusammengefügt. Das sind die eigentlichen Träger der Erbinformation. Es gibt in der DNS insgesamt vier solcher Basen: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Eine gemeinsame Sprosse des Doppelstranges können jeweils nur zwei dieser Basen bilden: A und T einerseits und C und G andererseits. Andere Kombinationen passen nicht zueinander.
Die DNS besteht aus zwei Strängen, die sich wie eine verdrillte Strickleiter regelmäßig umeinander winden. Die Stricke dieser Leiter bestehen aus Zuckern und Phosphaten, ihre Sprossen sind aus je zwei Basen zusammengefügt, wobei immer Adenin an Thymin und Cytosin an Guanin bindet.
Die beiden Stränge der DNS sind komplementär zueinander. Das heißt aus der Basenfolge eines Stranges ergibt sich eindeutig die Basenfolge des gegenüberliegenden Stranges. Wo C ist, kann nur G binden, wo T ist, nur A – und umgekehrt. Jede Base ist immer mit einem Zucker- und einem Phosphatmolekül verknüpft. Eine solche Verbindung aus Base, Zucker und Phosphat wird als Nukleotid bezeichnet und ist der Grundbaustein von Nukleinsäuren wie DNS und RNS.
Wenn sich eine Zelle teilt und ihre Erbinformation weitergeben will, dann trennt sich der Doppelstrang der DNS wie ein Reißverschluss in zwei Einzelstränge auf – und an jedem Einzelstrang wird ein neues Gegenstück gebildet. An ein A bindet ein T und umgekehrt, an ein G ein C und umgekehrt – so dass nach der Teilung einer Zelle wieder zwei identische DNS-Doppelstränge vorliegen. Ein Strang dient also als Matrize zur Bildung seines Gegenübers. Damit das funktioniert und Base für Base in der richtigen Reihenfolge angefügt und verknüpft wird, verfügt jeder Zellkern über spezialisierte Enzyme, die Polymerasen. Sie katalysieren und kontrollieren die Vervielfältigung der Erbinformation. Auch haben sie der Polymerase-Kettenreaktion den Namen gegeben – denn ihre Fähigkeiten werden in der PCR auf geniale Weise genutzt.
Wenn sich eine Zelle teilt, trennt sich der DNS-Doppelstrang wie ein Reißverschluss in seine beiden Einzelstränge auf. An jedem der beiden Einzelstränge wird dann ein neues Gegenstück gebildet.