Gelelektrophorese einfach erklärt

Vertiefung zum Themagenetischer Fingerabdruck

Blaue Streifen in einem durchsichtigen Gel – so sieht das Ergebnis vieler Genetik-Experimente aus, vom Schullabor bis zum Kriminalfall. Wer die Gelelektrophorese verstanden hat, kann diese Bandenmuster lesen wie einen Strichcode: Welche Probe enthält welche DNA-Stücke, und wie lang sind sie?

Einfach erklärt

Diese Seite vertieft das Thema genetischer Fingerabdruck. Die Gelelektrophorese sortiert Stücke vom Erbgut nach ihrer Länge. Das Erbgut heißt auch DNA. Das Ergebnis siehst du als Streifen in einem durchsichtigen Gel.

DNA ist negativ geladen. Deshalb wandert sie im elektrischen Feld zum Pluspol. Das Gel wirkt dabei wie ein Sieb mit feinen Poren. Kurze Stücke rutschen leicht hindurch. Lange Stücke bleiben öfter hängen. Kurze Stücke wandern also weiter als lange.

Jeder Streifen heißt Bande. Er besteht aus Millionen gleich langer Stücke. Ein Größenmarker läuft immer mit. Das ist eine Mischung aus Stücken mit bekannter Länge. Damit liest du ab, wie lang die Proben sind. So kannst du zum Beispiel einen Vaterschaftstest auswerten. Für Kriminallabore ist das Gel zu ungenau. Sie nutzen feine Glasröhrchen.

Merke: DNA wandert zum Pluspol, und kurze Stücke wandern weiter als lange.

Gelelektrophorese einfach erklärt: das Prinzip

Das Wort setzt sich aus „Elektro“ und dem griechischen phorein für „tragen“ zusammen: Geladene Teilchen werden im elektrischen Feld getragen. Bei DNA sorgt dafür ihr Rückgrat. Jeder Nukleotidbaustein trägt eine Phosphatgruppe mit einer negativen Ladung. Legt man eine Spannung an, zieht der Pluspol (Anode) die DNA an, der Minuspol (Kathode) stößt sie ab.

Spannend ist, warum dabei überhaupt eine Trennung entsteht. Ein doppelt so langes DNA-Stück hat zwar doppelt so viele Ladungen, aber auch doppelt so viel Masse. Ladung und Masse stehen bei jeder DNA im selben Verhältnis. In reiner Flüssigkeit würden deshalb alle Stücke gleich schnell wandern. Erst das Gel macht den Unterschied: Es besteht aus einem dichten Netz feiner Poren, durch das sich die Moleküle schlängeln müssen. Kurze Stücke rutschen leicht hindurch, lange bleiben öfter hängen. Nach einer bestimmten Laufzeit sind die Stücke deshalb nach ihrer Länge sortiert.

Für DNA verwendet man meist ein Gel aus Agarose, einem Zucker aus Rotalgen, wie er auch im Agar von Nährböden steckt. Üblich sind 0,5 bis 2 Gramm Agarose pro 100 Milliliter Puffer. Je höher der Anteil, desto kleiner die Poren: Ein 2-%-Gel trennt kurze Stücke gut, ein 0,8-%-Gel eignet sich für lange.

Ablauf der Gelelektrophorese Schritt für Schritt

1. Gel gießenAgarose wird in Pufferlösung aufgekocht, bis sie klar ist, und in eine Form gegossen. Ein eingesteckter Kamm erzeugt Vertiefungen, die Taschen. Beim Abkühlen wird die Lösung fest.
2. Gel richtig einlegenDas Gel kommt in die Elektrophoresekammer und wird mit Puffer bedeckt, der den Strom leitet. Die Taschen müssen auf der Seite des Minuspols liegen, damit die DNA quer durch das Gel zum Pluspol wandern kann.
3. Proben vorbereitenDie DNA-Proben, zum Beispiel PCR-Produkte, werden mit Ladepuffer gemischt. Er enthält Glycerin, das die Probe schwerer macht, sodass sie in die Tasche sinkt, und Farbstoffe, an denen man den Fortschritt sieht.
4. Taschen beladenMit einer Pipette kommt in jede Tasche eine Probe. In eine Tasche gibt man den Größenmarker (DNA-Leiter): eine Mischung von DNA-Stücken mit bekannten Längen.
5. Spannung anlegenJe nach Gelgröße liegt die Spannung bei einigen Volt pro Zentimeter Abstand zwischen den Elektroden. Die Laufzeit beträgt meist eine halbe bis gut eine Stunde.
6. Färben und sichtbar machenDNA ist farblos. Ein Farbstoff lagert sich zwischen die Basenpaare ein. Früher war das meist Ethidiumbromid, das unter UV-Licht orange leuchtet, aber erbgutschädigend wirkt. Heute nutzt man oft sicherere Farbstoffe, die mit Blaulicht angeregt werden; im Schullabor auch Methylenblau, das im normalen Licht blaue Banden zeigt.

Jede sichtbare Bande ist übrigens kein einzelnes Molekül, sondern besteht aus Millionen gleich langer DNA-Stücke, die gemeinsam gewandert sind. Je mehr DNA in einer Bande steckt, desto kräftiger erscheint sie. Genau deshalb braucht man vorher meist eine PCR: Erst die Vervielfältigung liefert genug Material für eine gut sichtbare Bande.

Bandenmuster lesen: Größenmarker und Vaterschaftstest

Zum Auswerten vergleichst du jede Bande mit dem Marker. Liegt eine Bande auf derselben Höhe wie die 300-bp-Bande des Markers, ist das Stück etwa 300 Basenpaare lang. Liegt sie dazwischen, kannst du die Länge abschätzen. Abb. 1 zeigt ein Modellgel für einen Abstammungstest, wie er beim genetischen Fingerabdruck genutzt wird: Für zwei Merkmale (zwei variable DNA-Abschnitte) wurden Proben von Mutter, Kind und zwei Männern untersucht.

So gehst du vor: Bestimme zuerst für jedes Merkmal, welche Bande des Kindes von der Mutter stammen kann. Bei Merkmal 1 teilt das Kind die 450-bp-Bande mit der Mutter, die 500-bp-Bande muss also vom Vater kommen. Bei Merkmal 2 stammt 150 bp von der Mutter, 200 bp vom Vater. Prüfe dann die Männer: Ein möglicher Vater muss beide väterlichen Banden tragen. Die Auflösung findest du in Aufgabe 2.

Kapillarelektrophorese: Wie die DNA-Analyse heute arbeitet

Im Schullabor und in der Forschung ist das Agarosegel bis heute Standard, etwa um ein PCR-Produkt zu prüfen. Für den genetischen Fingerabdruck reicht seine Auflösung aber nicht. Die STR-Allele, die dort verglichen werden, unterscheiden sich oft nur um eine Wiederholung von vier Basen, manchmal sogar nur um eine einzige Base. Solche winzigen Unterschiede kann ein Agarosegel nicht sicher trennen.

Kriminaltechnische Labore nutzen deshalb die Kapillarelektrophorese. Das Prinzip ist dasselbe, nur die Form ist eine andere: Statt durch ein Gel wandert die DNA durch haarfeine Glasröhrchen, die mit einer siebenden Polymerlösung gefüllt sind. Weil die dünnen Kapillaren Wärme gut abgeben, verträgt die Methode hohe Spannungen und trennt schnell und auf die Base genau. Die DNA-Stücke wurden zuvor bei der PCR mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert. Am Ende der Kapillare regt ein Laser sie an, ein Detektor misst das Leuchten. Statt Banden entsteht ein Elektropherogramm mit Gipfeln (Peaks). Eine mitlaufende „Allelleiter“, die die häufigen Allele jedes Merkmals enthält, übernimmt die Rolle des Größenmarkers. Geräte mit vielen parallelen Kapillaren analysieren Dutzende Proben gleichzeitig und automatisch.

Zum Vergleich: Alec Jeffreys sah 1984 die ersten genetischen Fingerabdrücke noch als Banden auf einem Röntgenfilm. Seine Methode brauchte viel DNA und mehrere Tage Arbeit. Die Kombination aus PCR und Kapillarelektrophorese kommt heute mit Spuren von wenigen Zellen aus.

Vertiefung Oberstufe: Fragmentlängen aus dem Gel berechnen

Wie weit ein lineares DNA-Stück in einer bestimmten Zeit wandert, hängt in einem mittleren Größenbereich etwa linear vom Logarithmus seiner Länge ab: Je größer log(L), desto kürzer die Laufstrecke. Trägt man für die Markerbanden die Laufstrecke gegen den Logarithmus der Länge auf (halblogarithmisches Papier oder Tabellenkalkulation), erhält man näherungsweise eine Gerade, die Eichgerade. Aus ihr liest man für eine unbekannte Bande die Länge ab.

Rechenbeispiel: Die 1.000-bp-Markerbande ist 10 mm gewandert, die 100-bp-Bande 46 mm. Zwischen log(1.000) = 3 und log(100) = 2 liegen also 36 mm. Eine Probenbande liegt bei 28 mm, also 18 mm unterhalb der 1.000-bp-Bande – genau auf halber Strecke. Damit ist log(L) = 3 − 0,5 = 2,5 und L = 10^2,5 ≈ 316 bp. Wichtig: Zwischen 1.000 und 100 bp liegt die Mitte nicht bei 550 bp, weil die Skala logarithmisch ist.

Die Regel gilt nur für lineare, doppelsträngige DNA. Ringförmige Plasmide laufen anders: Eine stark verdrillte (superspiralisierte) Form ist kompakt und wandert oft schneller als ein gleich langes lineares Stück, eine an einem Strang eingeschnittene, entspannte Ringform langsamer. Deshalb zeigt eine ungeschnittene Plasmidprobe häufig mehrere Banden, obwohl alle Moleküle dieselbe Basenfolge haben. Um die Länge eines Plasmids zu bestimmen, schneidet man es vorher mit einem Restriktionsenzym auf.

Proteine trennt man ebenfalls elektrophoretisch, aber meist in Polyacrylamidgelen mit dem Detergens SDS. Es umhüllt die Proteine mit negativer Ladung, sodass auch sie nach Größe statt nach ihrer eigenen Ladung getrennt werden.

Fachbegriffe

Gelelektrophorese

Trennung geladener Moleküle wie DNA im elektrischen Feld durch ein Gel, bei DNA nach Länge.

Anode / Kathode

Pluspol / Minuspol. DNA wandert von der Kathode zur Anode.

Agarose

Gelbildender Zucker aus Rotalgen; bildet das Porennetz des Gels.

Größenmarker (DNA-Leiter)

Mischung von DNA-Stücken bekannter Länge, die zum Vergleich mitläuft.

Bande

Sichtbarer Streifen im Gel aus vielen gleich langen DNA-Stücken.

Kapillarelektrophorese

Elektrophorese in dünnen Kapillaren mit Fluoreszenzmessung; trennt DNA auf die Base genau.

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