PCR einfach erklärt: die Polymerase-Kettenreaktion

Vertiefung zum Themagenetischer Fingerabdruck

Ein Abstrich aus der Nase, eine Hautschuppe am Tatort, ein Knochen aus der Steinzeit: Fast immer ist viel zu wenig DNA da, um sie direkt zu untersuchen. Die PCR macht aus wenigen Molekülen in rund zwei Stunden Milliarden Kopien – und gehört deshalb zu den Klassikern jeder Genetik-Klausur.

Einfach erklärt

Diese Seite vertieft das Thema genetischer Fingerabdruck. Oft ist viel zu wenig Erbgut für eine Untersuchung da. Die PCR – das ist eine Kopiermaschine für Erbgut. Sie macht aus wenigen Stückchen Erbgut in rund zwei Stunden Milliarden Kopien.

Die PCR läuft in Runden ab. In jeder Runde verdoppelt sich die Menge von diesem Abschnitt. Nach 30 Runden sind es rund eine Milliarde Kopien. Die PCR hilft bei Tatort-Spuren, bei Virus-Tests und bei Erbkrankheiten. Sie ist aber sehr empfindlich. Schon eine fremde Hautschuppe kann das Ergebnis verfälschen.

Das Wichtigste:

• Bei etwa 95 Grad trennt die Hitze die beiden Stränge.
• Beim Abkühlen binden zwei Primer. Das sind kurze Startstücke.
• Bei 72 Grad baut die Polymerase die neuen Stränge. Dieses Kopier-Werkzeug aus einem Bakterium hält große Hitze aus.

Merke: Die PCR kopiert einen gewählten Abschnitt in Runden, und jede Runde verdoppelt die Menge.

Was ist PCR? Die Idee hinter der Kettenreaktion

Die Idee hatte der US-Biochemiker Kary Mullis 1983 bei der Biotechnik-Firma Cetus in Kalifornien. Er nutzte, was jede Zelle bei der DNA-Replikation ohnehin tut: Eine DNA-Polymerase kopiert einen Einzelstrang, sobald ein kurzes Startstück vorhanden ist. Der Trick der PCR: Man gibt zwei solche Startstücke vor, die links und rechts den gewünschten Abschnitt einrahmen. Dann wird nur dieser Abschnitt kopiert – und die Kopien dienen im nächsten Durchgang selbst als Vorlage. So entsteht eine Kettenreaktion.

Die erste Veröffentlichung erschien 1985. Damals hatte die Methode noch einen Haken: Die Polymerase stammte aus dem Darmbakterium E. coli und wurde beim Erhitzen zerstört. Nach jedem Zyklus musste jemand frisches Enzym hineinpipettieren. Den Durchbruch brachte 1988 die Taq-Polymerase aus Thermus aquaticus, einem Bakterium aus heißen Quellen im Yellowstone-Nationalpark. Sie übersteht die Hitze vieler Zyklen. Seitdem erledigt ein programmierbares Heizgerät, der Thermocycler, die ganze Reaktion automatisch. Mullis erhielt 1993 den Chemie-Nobelpreis.

Die Zutaten der PCR

In wenigen Mikrolitern Flüssigkeit steckt alles, was für die Kopierarbeit nötig ist:

Zutat	Aufgabe
Ausgangs-DNA (Template, Matrize)	Enthält den Abschnitt, der vervielfältigt werden soll – oft nur wenige Moleküle.
zwei Primer	Kurze, im Labor hergestellte DNA-Einzelstränge (meist 18–25 Basen). Jeder bindet an einen der beiden Stränge am Rand des Zielabschnitts und legt fest, wo das Kopieren beginnt.
Nukleotide (dNTPs)	Die vier Bausteine dATP, dCTP, dGTP und dTTP, aus denen die neuen Stränge entstehen.
hitzestabile DNA-Polymerase	Verlängert die Primer und baut den komplementären Strang auf, meist die Taq-Polymerase.
Puffer mit Magnesium-Ionen	Hält den pH-Wert stabil; Mg²⁺ braucht die Polymerase als Cofaktor.

Die Primer sind der Schlüssel zur Genauigkeit. Weil eine DNA-Polymerase neue Nukleotide nur an ein vorhandenes 3′-Ende anhängen kann, beginnt die Synthese genau dort, wo ein Primer gebunden hat. Die beiden Primer sitzen auf verschiedenen Strängen und zeigen mit ihren 3′-Enden aufeinander zu. Alles zwischen ihnen wird vervielfältigt, der Rest des Erbguts nicht.

Ablauf der PCR: die drei Schritte eines Zyklus

1. Denaturierung (ca. 94–96 °C)Die Hitze löst die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren. Die Doppelhelix trennt sich in zwei Einzelstränge. Das Rückgrat der Stränge bleibt dabei unversehrt.
2. Annealing oder Anlagerung (ca. 50–65 °C)Beim Abkühlen binden die Primer per Basenpaarung an ihre passenden Stellen. Ist die Temperatur zu niedrig, binden Primer auch an halb passende Stellen; ist sie zu hoch, binden sie gar nicht.
3. Elongation oder Verlängerung (72 °C)Die Taq-Polymerase arbeitet bei dieser Temperatur besonders gut. Sie hängt passende Nukleotide an das 3′-Ende jedes Primers und synthetisiert den Gegenstrang in 5′→3′-Richtung. Faustregel: etwa eine Minute pro 1.000 Basenpaare.

Danach beginnt der nächste Zyklus wieder mit der Denaturierung. Je nach Aufgabe laufen 25 bis 40 Zyklen. Vor dem ersten Zyklus wird die Probe meist einige Minuten lang erhitzt, damit sich auch lange, fest gepaarte DNA vollständig trennt.

PCR berechnen: Wie viele Kopien entstehen?

Im Idealfall verdoppelt jeder Zyklus die Zahl der Zielabschnitte. Aus einem DNA-Doppelstrang werden nach n Zyklen also 2ⁿ Doppelstränge. Startet man mit N₀ Molekülen, gilt N = N₀ · 2ⁿ.

Zyklen n	Kopien aus 1 Doppelstrang (2n)	davon mit genau passender Länge
1	2	0
2	4	0
3	8	2
4	16	8
10	1.024	1.004
30	1.073.741.824	1.073.741.764

Die dritte Spalte überrascht viele: In den ersten beiden Zyklen entsteht noch kein Stück, das genau an beiden Primern endet. Warum das so ist, erklärt die Vertiefung unten. Ab dem dritten Zyklus wachsen diese passgenauen Stücke aber so schnell, dass sie nach 30 Zyklen praktisch das gesamte Produkt ausmachen.

Rechenbeispiel aus der Forensik: An einer Zigarettenkippe haften 50 Zellen mit je zwei Kopien eines STR-Abschnitts, also 100 Zielmoleküle. Nach 28 Zyklen wären es im Idealfall 100 · 2²⁸ ≈ 2,7 · 10¹⁰, also rund 27 Milliarden Kopien. In der Praxis liegt die Effizienz E pro Zyklus unter 100 %. Dann gilt N = N₀ · (1 + E)ⁿ. Mit E = 0,9 ergeben sich nach 28 Zyklen „nur“ 100 · 1,9²⁸ ≈ 6,4 · 10⁹ Kopien. Gegen Ende flacht die Kurve ab, weil Primer und Nukleotide knapp werden (Plateau-Phase).

Wofür wird die PCR genutzt?

Forensik: Beim genetischen Fingerabdruck werden in einer einzigen Multiplex-PCR mehr als 20 STR-Abschnitte gleichzeitig vervielfältigt, jeder mit einem farbig leuchtenden Primer markiert. Wie daraus ein DNA-Profil wird, zeigt die Hauptseite genetischer Fingerabdruck; im Tatort-Labor kannst du es selbst ausprobieren.

Medizinische Diagnostik: Schon die erste PCR-Veröffentlichung von 1985 diente der Diagnose der Sichelzellanämie. Heute weist man mit PCR Erbkrankheiten, Krebsmutationen und Krankheitserreger nach. Bei RNA-Viren wie SARS-CoV-2 wird die RNA zuerst von einer reversen Transkriptase in DNA umgeschrieben; diese Variante heißt RT-PCR.

Quantitative PCR (qPCR, Real-Time-PCR): Ein Fluoreszenzfarbstoff leuchtet umso stärker, je mehr Produkt entstanden ist. Das Gerät misst nach jedem Zyklus. Der Ct-Wert (cycle threshold) ist der Zyklus, in dem das Signal eine festgelegte Schwelle überschreitet. Je mehr Ausgangs-DNA in der Probe war, desto früher ist das der Fall. Ein um 1 kleinerer Ct-Wert bedeutet bei idealer Effizienz etwa doppelt so viel Ausgangsmaterial.

Gentechnik und Forschung: Mit PCR gewinnt man Gene für den Einbau in Plasmide oder vervielfältigt DNA aus alten Knochen. Ob die Reaktion das richtige Produkt geliefert hat, kontrolliert man meist mit einer Gelelektrophorese: Das PCR-Produkt muss als Bande der erwarteten Länge erscheinen.

Kontamination: Warum die PCR so empfindlich ist

Die größte Stärke der PCR ist zugleich ihre größte Schwäche. Weil schon einzelne Moleküle genügen, wird auch jede fremde DNA mitvervielfältigt: eine Hautschuppe der Laborkraft, ein Aerosoltröpfchen aus einer früheren Reaktion. Labore trennen deshalb die Räume für das Ansetzen der Reaktion und für die Analyse der Produkte und arbeiten mit Einmalmaterial und Filterspitzen. Jede Versuchsreihe enthält eine Negativkontrolle mit Wasser statt DNA. Zeigt sie ein Produkt, ist der Ansatz verunreinigt und wertlos. Eine Positivkontrolle mit bekannter DNA beweist, dass die Reaktion überhaupt funktioniert hat.

Vertiefung Oberstufe: Warum das passgenaue Produkt erst ab Zyklus 3 entsteht

Die Polymerase hört nicht von selbst am Ende des Zielabschnitts auf. Im ersten Zyklus bindet je ein Primer an jeden der beiden langen Ausgangsstränge. Die Polymerase verlängert ihn so weit, wie es die Zeit erlaubt. Es entstehen zwei neue Stränge, die zwar exakt am Primer beginnen, aber über das Ende des Zielabschnitts hinausreichen („lange Produkte“).

Im zweiten Zyklus dienen sowohl die Ausgangsstränge als auch die langen Produkte als Vorlage. Wird ein langes Produkt kopiert, endet die Kopie dort, wo die Vorlage endet – also genau am anderen Primer. So entstehen die ersten Einzelstränge mit exakter Länge. Sie sind aber noch mit einem längeren Strang gepaart.

Erst im dritten Zyklus wird ein exakter Einzelstrang selbst kopiert. Dabei entsteht der erste Doppelstrang, dessen beide Stränge genau von Primer zu Primer reichen. Von da an verdoppeln sich diese Doppelstränge in jedem Zyklus, während die übrigen Produkte nur linear zunehmen: Die beiden Ausgangsstränge liefern pro Zyklus jeweils nur ein neues langes Produkt. Für einen Ausgangs-Doppelstrang ergibt sich nach n Zyklen eine Gesamtzahl von 2ⁿ Doppelsträngen, von denen 2ⁿ − 2n genau passend sind. Für n = 3 sind das 8 − 6 = 2, für n = 4 dann 16 − 8 = 8.

Dieselbe Logik nutzt die qPCR: Bei idealer Effizienz entspricht ein Unterschied von ΔCt Zyklen einem Mengenverhältnis von 2^ΔCt.

Fachbegriffe

Primer

Kurzer, synthetischer DNA-Einzelstrang, der an die Vorlage bindet und den Startpunkt für die Polymerase liefert.

Denaturierung

Trennung des DNA-Doppelstrangs in Einzelstränge durch Hitze (ca. 95 °C).

Annealing

Anlagerung der Primer an die Einzelstränge bei ca. 50–65 °C.

Elongation

Verlängerung der Primer durch die DNA-Polymerase bei 72 °C.

Taq-Polymerase

Hitzestabile DNA-Polymerase aus dem Bakterium Thermus aquaticus.

Ct-Wert

Zyklus, in dem das Fluoreszenzsignal einer qPCR eine Schwelle überschreitet; je kleiner, desto mehr Ausgangs-DNA.

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