Die Polymerase-Kettenreaktion ist eine Methode, mit der Molekularbiologinnen und -biologen ein bestimmtes Gen auf einem Gen-Faden (DNA) innert kurzer Zeit tausendfach kopieren können. Auf Englisch heisst die Methode „Polymerase Chain Reaction“, woher auch die übliche Abkürzung PCR stammt. Ohne diese Vervielfältigung des Gens wäre gar nicht genug DNA vorhanden, um im Labor damit arbeiten zu können. Die Gen-Kopien untersucht man dann beispielsweise darauf, ob es Schreibfehler im Gen hat, die eine Krankheit verursachen könnten.
Um ein Gen kopieren zu können, muss man bereits etwas über die Abfolge seiner Buchstaben wissen. Zumindest muss bekannt sein, mit welchen Buchstaben es anfängt und mit welchen es aufhört.
Für die Polymerase-Kettenreaktion braucht es:
- Primer: kurze, einsträngige DNA-Stücke, die mit dem Anfang und dem Ende des Gens übereinstimmen.
- DNA-Polymerase: ein Enzym, das vom Primer beginnend DNA kopiert.
- Eine grosse Menge der Bausteine A, C, G und T.
- Ein Heizgerät für die Probengefässe, das automatisch einen vorher eingestellten Temperatur-Zyklus durchlaufen kann (sogenannter Thermocycler).
Primer, DNA-Polymerase und Bausteine werden in einem Röhrchen zusammengemischt und in das Heizgerät gestellt.
Der Replikationszyklus:
- 94°C: Die beiden Stränge des DNA-Doppelstrangs trennen sich und es entstehen zwei Einzelstränge (= Denaturierung).
- ca. 60°C: Die Primer heften sich an den Anfang und das Ende der beiden DNA-Einzelstränge (= Anlagerung).
- 72°C: Die DNA-Polymerase beginnt zu arbeiten. Sie startet bei den Primern und ergänzt den Einzelstrang zum Doppelstrang, indem sie einen Baustein nach dem anderen anfügt (= Verlängerung).
So entstehen zwei identische DNA-Doppelstränge. Beim nächsten Kopier-Zyklus werden diese wieder getrennt und mit Hilfe der Primer ein weiteres Mal verdoppelt. Aus einem Gen entstehen zwei, dann vier, dann acht Kopien, und so weiter und so fort. Da ein Zyklus weniger als drei Minuten dauert, kann man in einer Stunde Tausende von Kopien herstellen.
Ein Heizgerät, dass diesen Zyklus beliebig oft automatisch wiederholen kann, ist für die PCR enorm hilfreich. Denn sobald alle Zutaten in einem Röhrchen gemischt und die Temperaturen im Gerät richtig eingestellt sind, muss man nur noch das Röhrchen hineinstellen und den Vorgang starten. Bevor solche Heizgeräte für das Labor entwickelt worden waren, mussten die Forscherinnen und Forscher diese Zyklen von Hand mit Hilfe von unterschiedlich warmen Wasserbädern durchführen. Dies war extrem aufwendig und ist ein Beispiel dafür, wie moderne Entwicklungen die Geschwindigkeit der Forschung vorantreiben.