PCR

Die PCR ist eine Methode der Gentechnologie zur gezielten Vervielfältigung von DNA-Abschnitten.


Funktion

PCR ist die englische Kurzform für Polymerase Chain Reaction (auf deutsch: Polymerase-Kettenreaktion).

Sie ist eine Methode zur gezielten Vervielfältigung von DNA-Abschnitten in sehr kurzer Zeit. Das passiert mithilfe der Taq-Polymerase.

Die vervielfältigte DNA wird dann für weitere gentechnische Verfahren genutzt.

Zutaten

Um eine PCR durchzuführen braucht man folgende Zutaten:

  • Einen DNA-Abschnitt
  • Nukleotide
  • Hochspezifische Primer (genau passend für die vorliegende DNA-Sequenz)
  • Hitzestabile DNA-Polymerase
  • Puffer (stabilisiert den pH-Wert für die Polymerase)
  • Magnesium-Ionen

Der ganze Prozess findet in einem Thermocycler statt. Dieser reguliert dann die Temperatur für jede Phase.

Ablauf

Die PCR findet in den folgenden 3 Phasen statt:

  • Denaturierung
  • Primerhybridisierung
  • Elongation

Die verschiedenen Phasen werden im Thermocycler durch die Regulierung der Temperatur eingeleitet.

Denaturierung

  • Erhitzen auf 94-96°C (20-30 Sek.)
  • Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen wird gebrochen
  • Der Doppelstrang wird in seine beiden Einzelstränge getrennt

Primerhybridisierung

  • Schnelles Abkühlen auf 50-65°C (20-40 Sek.)
  • Die genaue Temperatur hängt von der Primerlänge ab
  • Anlagerung der Primer an die Einzelstränge

Elongation

  • Erhitzen auf ca. 72°C
  • Die hitzestabile Taq-Polymerase beginnt mit der Verknüpfung der Nukleotide
  • Kontinuierliche Verknüpfung auf beiden Strängen (3´nach 5´ aus Sicht des Matrizenstrangs)
  • Die Dauer dieser Phase hängt von der DNA-Länge ab (30. Sek pro 500 Basenpaare)

Ergebnis

In kürzester Zeit entstehen so zahlreiche Kopien der DNA.

Die Vervielfältigung der DNA-Stränge läuft exponentiell ab, weil letztlich aus jedem Strang ein Neuer entsteht.

Die Formel für die Anzahl der DNA-Doppelstränge nach jedem Zyklus (n) lautet also:

\text{Anzahl} = 2^\text{n}Anzahl=2n\text{Anzahl} = 2^\text{n}
Die DNA wird bei der PCR exponentiell vermehrt, weil aus jedem Doppelstrang zwei neue entstehen. Am Anfang hat man einen Doppelstrang. Nach dem ersten Zyklus hat man 2 Doppelstränge, nach dem zweiten Zyklus hat man 4 Doppelstränge und nach dem dritten hat man 8 Doppelstränge.

Vergleich zur DNA-Replikation

PCR

DNA-Replikation

DNA-Doppelstrang wird durch

Temperatur getrennt (94-96°C)

DNA Doppelstrang wird durch das

Enzym Helicase aufgetrennt

Künstliche DNA-Primer

gesetzt (längere Primer)

RNA-Primer durch Primase gesetzt

(kürzere Primer)

Verläuft an beiden Einzelsträngen kontinuierlich

(verläuft immer von 3' zu 5')

Verläuft am Leitstrang kontinuierlich

und am Folgestrang diskontinuierlich

Verwendung der hitzestabilen

Taq-Polymerase

Verwendung von DNA-Polymerase


Wusstest du schon?

Die PCR-Methode wurde in den 80er Jahren von einem DNA-Chemiker namens Kary Banks Mullis erfunden.

1993 erhielt er dafür den Nobelpreis in Chemie.

Mittlerweile ist die PCR-Methode aus den Laboren nicht mehr wegzudenken.

In der modernen Biologie wird sie in verschiedenen Bereichen eingesetzt:

  • Molekularforschung
  • Evolutionsforschung
  • Forensische Forschung (genetischer Fingerabdruck)
  • Medizinische Forschung und Untersuchung
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