Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist eine Methode der Molekularbiologie, die es erlaubt, kleine Mengen von Desoxyribonukleinsäure (DNA) in biologischem Material, genauer gesagt bestimmte Fragmente davon, nachzuweisen und um ein Vielfaches zu vermehren. Sie werden dann visuell durch Gelelektrophorese identifiziert. Die Reaktion wurde 1983 von K. Mullis entwickelt und steht in der Liste der herausragenden Entdeckungen der letzten Jahre.
Was sind die Mechanismen der PCR
Die ganze Technik basiert auf der Fähigkeit von Nukleinsäuren sich selbst zu replizieren, was in diesem Fall künstlich in einem Labor durchgeführt wird. Die DNA-Reproduktion darf nicht in irgendeiner Region des Moleküls beginnen, sondern nur in Regionen mit einer bestimmten Nukleotidsequenz - Ausgangsfragmente. Damit die Polymerase-Kettenreaktion starten kann, werden Primer (oder DNA-Sonden) benötigt. Dies sind kurze Fragmente einer DNA-Kette mit einer bestimmten Nukleotidsequenz. Sie sind komplementär (d. h. korrespondierend) zu den Ausgangsregionen der DNA der Probe.
Um Primer herzustellen, müssen Wissenschaftler natürlich die Nukleotidsequenz der an der Technik beteiligten Nukleinsäure untersuchen. Es sind diese DNA-Sonden, die für die Spezifität der Reaktion und ihre Initiierung sorgen. Die Polymerase-Kettenreaktion läuft nicht ab, wenn nicht mindestens ein Molekül der gewünschten DNA in der Probe gefunden wird. Im Allgemeinen sind die obigen Primer, ein Satz von Nukleotiden, eine hitzebeständige DNA-Polymerase notwendig, damit die Reaktion stattfinden kann. Letzteres ist ein Enzym - ein Katalysator für die Synthese neuer Nukleinsäuremoleküle basierend auf der Probe. Alle diese Substanzen, einschließlich des biologischen Materials, in dem DNA nachgewiesen werden muss, werden zu einem Reaktionsgemisch (Lösung) vereinigt. Es wird in einen speziellen Thermostat gestellt, der für eine bestimmte Zeit - einen Zyklus - sehr schnelles Aufheizen und Abkühlen durchführt. Normalerweise sind es 30-50.
Wie funktioniert diese Reaktion
Seine Essenz liegt darin, dass während eines Zyklus die Primer an die gewünschten DNA-Abschnitte gebunden werden, wonach sie unter der Wirkung des Enzyms verdoppelt werden. Basierend auf den resultierenden DNA-Strängen werden in aufeinander folgenden Zyklen neue und neue identische Fragmente des Moleküls synthetisiert.
Die Polymerase-Kettenreaktion verläuft sequentiell, ihre folgenden Stufen werden unterschieden. Die erste ist durch eine Verdopplung der Produktmenge bei jedem Heiz- und Kühlzyklus gekennzeichnet. In der zweiten Stufe verlangsamt sich die Reaktion, da das Enzym geschädigt wird und auch an Aktivität verliert. Außerdem werden die Reserven an Nukleotiden und Primern aufgebraucht. Auf der letzten Stufe - einem Plateau - sammeln sich keine Produkte mehr an,weil die Reagenzien aus sind.
Wo es verwendet wird
Zweifellos findet die Polymerase-Kettenreaktion die breiteste Anwendung in Medizin und Wissenschaft. Es wird in der allgemeinen und privaten Biologie, Veterinärmedizin, Pharmazie und sogar Ökologie verwendet. Darüber hinaus tun sie dies in letzterem, um die Qualität von Lebensmitteln und Umweltobjekten zu überwachen. Die Polymerase-Kettenreaktion wird in der forensischen Praxis aktiv eingesetzt, um die Vaterschaft zu bestätigen und eine Person zu identifizieren. In der Forensik, wie auch in der Paläontologie, ist diese Technik oft der einzige Ausweg, da meist sehr wenig DNA für die Forschung zur Verfügung steht. Natürlich hat die Methode eine sehr breite Anwendung in der praktischen Medizin gefunden. Es wird in Bereichen wie Genetik, Infektionskrankheiten und onkologischen Erkrankungen benötigt.
