DNA-Technologie

Dreißig PCR-Zyklen machen aus einem DNA-Stück rund eine Milliarde Kopien.

DNA im Reagenzglas kopieren

Für die meisten Untersuchungen braucht man viel mehr DNA, als ein Blutstropfen oder ein Haar enthält. Hier hilft die Polymerase-Kettenreaktion, kurz PCR. Das NHGRI nennt sie molekulares Fotokopieren: ein schnelles und günstiges Verfahren, um einen ausgewählten kleinen DNA-Abschnitt zu vervielfältigen. Dabei gelten dieselben Regeln der Basenpaarung wie in der Zelle. Zuerst wird die Probe erhitzt, sodass sich die beiden Stränge trennen. Dann wird sie abgekühlt, damit sich kurze Startstücke, die Primer, links und rechts vom Zielabschnitt anlagern können. Schließlich baut eine hitzebeständige DNA-Polymerase an jeder Vorlage einen neuen Gegenstrang auf. Das ist ein Zyklus.

Jeder Zyklus kann die Zahl der Kopien verdoppeln, deshalb wächst sie schnell. Nach 10 Zyklen könnten aus einem Molekül 2¹⁰ = 1024 Kopien werden, nach 20 Zyklen 1 048 576 und nach 30 Zyklen 1 073 741 824, also rund eine Milliarde. In echten Ansätzen klappt die Verdopplung nicht ganz perfekt, am Prinzip ändert das nichts. Kary Mullis, der die PCR 1983 entwickelte, erhielt 1993 den Nobelpreis für Chemie. Das NHGRI nennt ihre Anwendungen: den größten Teil der Kartierung im Humangenomprojekt, den genetischen Fingerabdruck, den Nachweis von Bakterien und Viren und die Diagnose von Erbkrankheiten.

Stücke nach Größe sortieren

Um zu sehen, was eine Reaktion hervorgebracht hat, nutzen Labore oft die Gelelektrophorese. OpenStax erklärt das Verfahren. Eine Platte aus Agarosegel, hergestellt aus einem Stoff aus Meeresalgen, liegt in einer Salzlösung, und die DNA-Proben werden an einem Ende in kleine Taschen gefüllt. Wegen ihrer Phosphatgruppen ist DNA negativ geladen. Fließt Strom durch das Gel, wandert die DNA deshalb zur positiven Elektrode. Das Gel wirkt wie ein dichtes Geflecht: Kleine Stücke schlüpfen schnell hindurch, große bleiben zurück. Nach einiger Zeit liegen die kleinsten Fragmente am weitesten von den Taschen entfernt. Ein Farbstoff macht die Banden dann sichtbar.

Die Buchstaben und das ganze Genom lesen

Das Bestimmen der Basenreihenfolge heißt Sequenzierung. Frederick Sanger entwickelte die Kettenabbruchmethode. Sie nutzt leicht veränderte Nukleotide, die einen wachsenden Strang an der Stelle stoppen, an der sie eingebaut werden. Sortiert man die abgebrochenen Stücke nach Größe, ergibt sich die Sequenz Base für Base. Sanger erhielt 1980 den Nobelpreis für Chemie, und mit seiner Methode wurde das Humangenomprojekt durchgeführt. Das Projekt begann offiziell im Oktober 1990 und wurde im April 2003 abgeschlossen, mehr als zwei Jahre früher als geplant. Es erfasste etwa 92 Prozent des Genoms, so viel, wie die damalige Technik zuließ. Die letzten 8 Prozent, voller Wiederholungen, schloss das Telomere-to-Telomere-Konsortium 2022 ab. Damit lag eine vollständige Sequenz von 3.055 Milliarden Basenpaaren vor.

Der Vergleich von Genomen zeigt, wie ähnlich sich Menschen sind. Laut NHGRI heißt es oft, die Genome zweier Menschen seien zu etwa 99.9 Prozent gleich. Bei rund 3 Milliarden Basen sind 0.1 Prozent aber immer noch etwa 3 Millionen Unterschiede, genug, um das DNA-Muster jedes Menschen unverwechselbar zu machen.

DNA bearbeiten

Werkzeuge zur Genomeditierung wirken wie Scheren, die DNA an einer gewählten Stelle schneiden. Dort können Fachleute dann DNA entfernen, einfügen oder ersetzen. Das NHGRI beschreibt CRISPR als einfacher, schneller, billiger und genauer als ältere Verfahren, und viele Forschende, die Genome bearbeiten, arbeiten heute damit. Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna teilten sich den Nobelpreis für Chemie 2020 „für die Entwicklung einer Methode zur Genomeditierung“. In der Forschung schaltet man damit einzelne Gene bei Tieren wie Mäusen und Zebrafischen ab, um herauszufinden, wofür diese Gene zuständig sind. Behandlungen werden entwickelt, doch das NHGRI weist auf offene Probleme hin: Manchmal schneiden die Werkzeuge an der falschen Stelle, und Veränderungen an Eizellen, Spermien oder Embryonen würden an künftige Generationen weitergegeben. Viele Länder beschränken solche Eingriffe, und die NIH fördern keine Forschung zur Bearbeitung menschlicher Embryonen.