Was ist PCR und warum ist sie wichtig?

PCR, oder Polymerase-Kettenreaktion, ist eine Technik zur Amplifizierung von DNA-Sequenzen. Sie wurde in den 1980er Jahren von Kary Mullis entwickelt, der 1993 für seine Arbeit den Nobelpreis für Chemie erhielt. PCR hat die Molekularbiologie revolutioniert, indem sie es Forschern ermöglicht, DNA aus kleinen Proben zu amplifizieren und sie im Detail zu untersuchen.

PCR ist ein dreistufiger Prozess, der in einem Thermocycler stattfindet, einer Maschine, die die Temperatur eines Reaktionsgemisches schnell ändern kann. Die drei Schritte sind Denaturierung, Annealing und Verlängerung.

Im ersten Schritt, der Denaturierung, wird die doppelsträngige DNA auf eine hohe Temperatur (normalerweise etwa 95 °C) erhitzt, um die Wasserstoffbrücken zu brechen, die die beiden Stränge zusammenhalten. Dies führt zu zwei einzelsträngigen DNA-Molekülen.

Im zweiten Schritt, dem Annealing, wird die Temperatur auf etwa 55 °C gesenkt, um den Primern zu ermöglichen, sich an die komplementären Sequenzen auf der einzelsträngigen DNA anzuheften. Primer sind kurze DNA-Stücke, die so entworfen sind, dass sie zu den interessierenden Sequenzen auf der Ziel-DNA passen.

Im dritten Schritt, der Verlängerung, wird die Temperatur auf etwa 72 °C erhöht, um der Taq-Polymerase (einer Art DNA-Polymerase) zu ermöglichen, einen neuen DNA-Strang von den Primern aus zu synthetisieren. Die Taq-Polymerase stammt von einem Bakterium, das in heißen Quellen lebt, und ist in der Lage, die hohen Temperaturen, die bei PCR verwendet werden, zu überstehen.

Nach einem Zyklus der PCR sind zwei Kopien der Ziel-DNA-Sequenz das Ergebnis. Durch die Wiederholung der drei Schritte für eine Anzahl von Zyklen (typischerweise 30-40) kann die Anzahl der Kopien der Ziel-DNA-Sequenz exponentiell erhöht werden. Das bedeutet, dass selbst eine winzige Menge an Ausgangs-DNA amplifiziert werden kann, um Millionen oder sogar Milliarden von Kopien zu erzeugen.

PCR hat zahlreiche Anwendungen in der Forschung und Diagnostik. Sie wird in der Genetik verwendet, um die Funktion von Genen und Mutationen zu untersuchen, in der Forensik zur Analyse von DNA-Beweisen, in der Diagnostik von Infektionskrankheiten zur Erkennung von Krankheitserregern und in der pränatalen Diagnostik zum Screening auf genetische Störungen bei Föten.

PCR wurde auch für eine Reihe von Variationen angepasst, wie quantitative PCR (qPCR), die es ermöglicht, die Menge an DNA zu messen, und reverse Transkriptions-PCR (RT-PCR), die verwendet werden kann, um RNA-Sequenzen zu amplifizieren.

Trotz ihrer zahlreichen Anwendungen hat PCR jedoch Einschränkungen. Sie erfordert Kenntnisse über die Zielsequenz und das Design geeigneter Primer, und sie kann fehleranfällig sein, wenn die Reaktionsbedingungen nicht richtig optimiert sind. Mit sorgfältigem experimentellen Design und Durchführung bleibt PCR jedoch eines der leistungsstärksten Werkzeuge in der Molekularbiologie.