Die PCR

Für eine DNA-Analyse reicht die Menge aus einer Spur fast nie. Die PCR kopiert deshalb gezielt nur den Abschnitt, der untersucht werden soll — mit denselben Prinzipien wie die Replikation in der Zelle.

• PCR:Die Polymerase-Kettenreaktion (MULLIS 1983) vervielfältigt einen gewählten DNA-Abschnitt, die Zielsequenz, im Reaktionsgefäß; ein Thermocycler wechselt dazu automatisch die Temperatur.
• Primer:zwei kurze, künstlich hergestellte DNA-Einzelstränge (etwa 18–25 Nucleotide); jeder paart mit dem 3′-Ende der Zielsequenz auf einem der beiden Stränge und liefert das freie 3′-Ende für die Polymerase.
• Taq-Polymerase:DNA-Polymerase des Bakteriums Thermus aquaticus aus heißen Quellen; sie übersteht 95 °C und arbeitet am besten bei 72 °C.
• Weitere Zutaten:DNA-Vorlage mit der Zielsequenz, die vier Nucleotidbausteine (dNTPs: dATP, dTTP, dGTP, dCTP) und ein Puffer mit Mg²⁺-Ionen, die die Polymerase als Cofaktor braucht.
• Denaturierung (≈ 95 °C):Die Wasserstoffbrücken lösen sich, die Doppelstränge trennen sich in Einzelstränge.
• Primer-Anlagerung (≈ 50–65 °C):Beim Abkühlen paaren die Primer komplementär mit ihren Zielstellen; die passende Temperatur hängt von Länge und GC-Anteil der Primer ab.
• Elongation (72 °C):Die Taq-Polymerase verlängert jeden Primer an seinem 3′-Ende komplementär zur Matrize in 5′→3′-Richtung.

Weil jedes neue Produkt im nächsten Zyklus selbst als Matrize dient, wächst die Menge nicht gleichmäßig, sondern lawinenartig.

• Verdopplung:Im Idealfall verdoppelt jeder Zyklus die Zahl der Doppelstränge — die DNA-Menge wächst exponentiell.
• Lange Produkte:An den beiden Originalsträngen entstehen in jedem Zyklus neue Stränge, die am Primer beginnen, aber über die Zielsequenz hinausreichen; ihre Zahl wächst nur linear.
• Zielfragmente:Doppelstränge, die genau von Primer zu Primer reichen; sie entstehen erstmals im dritten Zyklus und machen bald fast die gesamte DNA aus.
• Plateau:Nach etwa 25–35 Zyklen steigt die Menge kaum noch: Primer und dNTPs werden knapp, die Polymerase verliert Aktivität, und Produktstränge paaren wieder miteinander statt mit Primern.
• Diagnostik:Nachweis von Mutationen, Erbkrankheiten und Krankheitserregern; bei RNA-Viren wie SARS-CoV-2 schreibt das Enzym reverse Transkriptase die RNA zuvor in DNA um.
• Forensik und Abstammung:Winzige Spuren wie eine Haarwurzel oder Speichel liefern genug DNA für eine Analyse, etwa zur Identifizierung von Personen oder für einen Vaterschaftstest.

Stelle mit den Reglern Zyklus und Schritt ein oder starte mit ▶ den Durchlauf. Die Lupe zeigt, was an den beiden Originalsträngen geschieht; im Reaktionsgefäß siehst du alle Stränge. Zähle mit: Ab wann gibt es Zielfragmente, und wie schnell werden es mehr?

Halte fest: In den ersten beiden Zyklen entstehen nur lange Produkte. Ab dem dritten Zyklus kommen exakte Zielfragmente hinzu, die sich danach Zyklus für Zyklus fast verdoppeln und alle anderen Stränge bald weit übertreffen.