PCR Anwendungen – grenzenlose Möglichkeiten

Mit der Polymerase Kettenreaktion, kurz PCR (engl. Polymerase Chain Reaction) lassen sich spezifische DNA Abschnitte auf eine Art und Weise vervielfältigen, die der natürlichen DNA Replikation in Zellen gleicht. Durch mehrfache Wiederholung dreier Reaktionsschritte (Denaturierung, Annealing und Elongation) ist es möglich, innerhalb kürzester Zeit auch kleinste Mengen an DNA Fragmenten zu vervielfältigen. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser bahnbrechenden Erfindung aus dem Jahr 1983 sind unglaublich vielfältig, vor allem seit der Weiterentwicklung des Verfahrens bis hin zum vollautomatisierten Durchlaufen der notwendigen Reaktionsschritte. Heute ist die PCR Methode aus keinem Labor in Industrie und Forschung mehr wegzudenken. Ob Molekularbiologie, Genetik, Medizin, Diagnostik, Lebensmittelanalytik oder Kriminalistik – wir zeigen Ihnen einige spannende Anwendungsbeispiele, die weit über die derzeit bekannteste PCR Anwendung, die Detektion einer Corona-Infektion, hinausgehen.  

Inhalt

1. PCR Anwendung in der Medizin: Der Goldstandard
2. PCR Anwendung in der Lebensmittelanalytik: Wissen wo’s herkommt
3. PCR Anwendung in Forschung und Pharmaindustrie: Hilfreiche Gentechnik
4. PCR Anwendung in Forensik, Paläontologie etc.: Der Tausendsassa

1. PCR Anwendung in Medizin und Diagnostik: Der Goldstandard

Die PCR Methode gewinnt in unzähligen Bereichen immer mehr an Bedeutung. Besonders in medizinischen und diagnostischen Anwendungen ist sie weit verbreitet.

Die Erkennung von Erbkrankheiten zählt zu den PCR Anwendungen, die mit Hilfe dieser Methode deutlich schneller durchführbar ist als zuvor. Erbkrankheiten werden durch Veränderungen des Erbguts hervorgerufen. Zur Erkennung kann jedes in Frage kommende Gen mittels PCR mit den entsprechenden Primern vervielfältigt werden. Im Anschluss kann die Sequenz der Nukleotide im DNA Doppelstrang ausgelesen werden – Mutationen sind so schnell aufspürbar. Weit über 600 Erbkrankheiten können mit dem PCR Verfahren detektiert werden.

Gerade in jüngster Zeit (Coronapandemie) ist die PCR Anwendung des Infektionsnachweises mit viralen Erkrankungen in aller Munde. Die in einer Probe erhaltene Virus-DNA kann vervielfältigt und bei Verwendung der quantitativen PCR (qPCR) sogar die Viruslast bestimmt werden. Bei der Bekämpfung des Coronavirus SARS-CoV II ist das zum Beispiel interessant, bei der Identifizierung sogenannter „Superspreader“ mit extrem hoher Viruslast. Aber auch bei anderen viralen Erkrankungen ist die qPCR hilfreich, zum Beispiel die genaue Viruslast bei einer bekannten HIV-Infektion zu bestimmen. Schlägt die Therapie erfolgreich an, sinkt auch die Viruslast.

Vorteile der qPCR/ Quantitativen Echtzeit-PCR

In der klinischen Diagnostik müssen Ergebnisse in kürzester Zeit und mit großer Genauigkeit vorliegen. Außerdem werden viele parallellaufende Proben bearbeitet. Seit Einführung der vollautomatisierten qPCR ist dies gewährleistet. Zudem verhindern die vollkommen geschlossenen Systeme die Kontamination der Proben, die früher ein großes Problem darstellte.

2. PCR Anwendung in der Lebensmittelanalytik: Wissen wo’s herkommt

In Europa sind gentechnisch veränderte Lebensmittel kennzeichnungspflichtig. Doch kann sich der Verbraucher auch immer darauf verlassen? Mit Hilfe der Polymerase Kettenreaktion PCR lassen sich gentechnisch veränderte Lebensmittel wie Mais, Reis oder Soja nachweisen – die Methode erkennt dabei die veränderten Gene. Werden gentechnisch veränderte Lebensmittel aber weiterverarbeitet (zum Beispiel zu Gewürzen oder anderen Zusätzen), dann lässt sich der Nachweis schon nicht mehr ganz so leicht erbringen.

Die PCR Methode wird auch eingesetzt, um Allergene in Lebensmitteln zu detektieren – für viele Menschen wird das zunehmend wichtig, denn Lebensmittelallergien sind auf dem Vormarsch. Egal ob Erdnuss, Gluten, Krustentiere, Sellerie oder Soja – mit spezifischen PCR Kits lässt sich alles auch in geringsten Mengen nachweisen. Auch schädliche Mikroorganismen in Bier- und Weinproduktion fallen so auf.

Letztlich lässt sich mit Hilfe der PCR Anwendung sogar der Nachweis erbringen, ob ein bestimmtes Produkt wirklich hält was es verspricht: Ist das teure Olivenöl tatsächlich aus Italien und der Criollo-Edelkakao sein Geld wert?

3. PCR Anwendung in Forschung und Pharmaindustrie:

In der Landwirtschaft noch umstritten und kennzeichnungspflichtig, ist Gentechnik in der Arzneimittel- und Impfstoffherstellung bereits weitestgehend etabliert. Für die Produktion des Humaninsulins beispielsweise kommt auch die Polymerase Kettenreaktion PCR zur Anwendung. In einem Teilschritt wird aus Insulin produzierenden, menschlichen Zellen, mRNA isoliert und aufgereinigt, mittels reverser Transkriptase in cDNA umgewandelt und diese dann über PCR vervielfältigt.

4. PCR Anwendung in Forensik, Paläontologie etc.: Der Tausendsassa

In Forensik und Kriminalistik werden kleinste Spuren der am Tatort gefundenen DNA untersucht. Damit die Proben für alle möglichen Untersuchungen ausreichend zur Verfügung stehen, werden sie mittels PCR vervielfältigt. Auch für Vaterschaftstests und Abstammungsuntersuchungen reichen dank PCR kleinste Mengen an DNA Material. 

Das trifft im Übrigen auch auf sehr alte DNA Proben zu. Aus einer winzigen Knochenprobe der 1991 in Südtirol gefundenen Gletschermumie konnte dank PCR „Ötzis“ gesamtes menschliches Erbgut entschlüsselt werden. Heute weiß man sogar, dass der seit über 5300 Jahren tote Mann aus dem Eis noch nichts von Zahnpflege hielt und Parodontose hatte. Man untersuchte dazu die vervielfältigte nichtmenschliche DNA aus dem 0,1g schweren Knochensplitter und fand darin den Parodontose Erreger.

Auch der Paläontologie verhilft die Polymerase Kettenreaktion dazu, mehr DNA Material von gefunden fossilen Lebewesen zu generieren. Daraus können dann weitere wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen werden. 

Fazit

Ohne die Methode der Polymerase Kettenreaktion wären Labor- und Lebensmittelanalytik, Forschung, Medizin und Diagnostik und viele weitere naturwissenschaftliche Bereiche heute nicht denkbar. Für PCR Anwendungen gibt es so viele Einsatzmöglichkeiten, dass hier nur ein Bruchteil angerissen werden konnte. Wer mehr über die vielfältigen Anwendungsgebiete der PCR Methode sucht, findet in den Themenwelten PCR weitere Hintergrundinformationen und spannende Einblicke und in der weltweit größten Marktübersicht Thermocycler auch das passende Equipment.