Methoden und Technologien zur DNA Analyse

Als DNA-Analyse bezeichnet man ein molekularbiologisches Verfahren, dessen Kernpunkt die Untersuchung der Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist. Dieses Makromolekül, das sich durch seine Doppelhelix auszeichnet und in jedem Zellkern vorkommt, ist Träger der Erbsubstanz und besteht aus den Hauptbasen oder Nukleotiden Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin und Uracil. Diese Nukleotide sind in der Doppelhelix jeweils in Basenpaaren angeordnet. Zwei Basen werden dadurch mithilfe von Wasserstoffbrücken miteinander verbunden. Bei der DNA-Analyse wird die spezifische Anordnung dieser Basenpaare untersucht. Diese Anordnung ist bei jedem Individuum einzigartig. Hier erfahren Sie mehr über die verschiedenen Methoden und Technologien zur DNA Analyse.

Die Entwicklung der DNA-Analyse

Die DNA-Analyse wird heute für viele verschiedene Zwecke eingesetzt. Dazu gehören in erster Linie:

• Die medizinische Diagnostik
• Die Forensik
• Die Ahnenforschung
• Die Genetik

Die moderne DNA-Analyse hat ihre Grundlage in der vollständigen Entschlüsselung des menschlichen Genoms. Dieses Humangenomprojekt wurde im Jahr 1990 gestartet. Mittlerweile sind alle drei Millionen Basenpaare, aus denen die menschliche Erbinformation besteht, vollständig entschlüsselt. Durch neue Technologien für die Sequenzierung und die Genotypisierung erfolgt heute die DNA-Analyse wesentlich rascher und effizienter als früher.

Wie funktioniert die DNA-Analyse?

Für die DNA-Analyse stehen heute mehrere technologische Verfahren zur Verfügung. Vor allem die Polymerase-Kettenreaktion hat in den letzten Jahrzehnten die Analyse wesentlich beschleunigt. Zu den wichtigsten dieser Analysemethoden zählen:

• Die PCR
  Die Polymerasekettenreaktion oder kurz PCR genannt, wurde bereits in den 1980er-Jahren entwickelt. Mit ihrer Hilfe können DNA-Abschnitte im Labor beliebig oft kopiert werden. Somit lässt sich schon mit geringen DNA-Spuren eine gezielte Analyse durchführen.
• Echtzeit-PCR
  Bei dieser Methode werden die einzelnen DNA-Variationen mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen analysiert. Die Emission dieser Farbstoffe geschieht in Echtzeit, was dieser Methode auch den Namen quantitative Echtzeit-PCR verliehen hat.
• DNA-Microarray
  Diese Technologie untersucht gleichzeitig mehrere Tausend DNA-Sequenzen. Diese befinden sich an der Oberfläche der Arrays oder auch Chips genannt. Beim Kontakt dieser Arrays mit einer DNA-Probe wird ein Fluoreszenzsignal freigesetzt, welches fotometrisch gemessen wird und der Analyse dient.

Die einzelnen Methoden sowie alternative Methoden der DNA-Analyse werden weiter unten eingehender beschrieben. Bevor eine DNA-Analyse überhaupt möglich ist, muss die DNA erst aus Zellen extrahiert werden.

Woraus wird die DNA gewonnen?

Als DNA-Proben dienen meist Blut, Körperflüssigkeiten, aber auch Haare oder der Zahnschmelz. Letzterer dient vor allem bei Brandleichen als DNA-Quelle, da der Zahnschmelz im Zahn gut eingebettet ist und daher auch hohen Temperaturen widersteht. Zur DNA-Gewinnung werden oft Haare herangezogen, die allerdings über eine Haarwurzel verfügen müssen. Aus diesen Proben wird in einem speziell dafür zugelassenen Labor die DNA extrahiert. Dies geschieht mithilfe verschiedener Verfahren. Dafür müssen die Zellen zuerst lysiert werden. Für diese Auflösung der Zellen gibt es mechanische und nicht-mechanische Methoden. Bei der mechanischen Auflösung werden die Zellen mit einem Pistill zerrieben oder mithilfe kleinster Kügelchen in speziellen Mühlen zerkleinert. Bei der chemischen Methode gibt man die Zellen in eine sogenannte Pufferlösung, welche die Zellwände auflöst.

Die DNA-Extraktion

Nach der Lyse wird schließlich die DNA aus dem Zellkern extrahiert. Dies geschieht in den meisten Fällen durch die Zwei-Phasen-Extraktion oder die Ethanolfällung. Die Extraktion ist ein Verfahren, das der Reinigung oder der Trennung von flüssigen und festen Stoffen zwischen zwei nicht miteinander mischbaren Lösungen. Die Zwei-Phasen-Extraktion nutzt dabei die spezifischen Eigenschaften von Biomolekülen, sich in wässrigen Lösungen unterschiedlich zu verteilen. Als Lösungen dienen Phenol-Chloroform oder Phenol-Chloroform-Isomylakohol oder Trizol. Dabei werden RNA, DNA und Proteine voneinander getrennt.

Bei der sogenannten Fällung sondert sich die DNA durch die Zugabe bestimmter Substanzen ab und sinkt im Probenröhrchen zu Boden. Dafür verwendet man meist eine Alkohollösung aus Ethylalkohol oder Isopropanol. Wasser hat eine andere dielektrische Leitfähigkeit als Ethanol. Gibt man der Probe Ethanol hinzu, wird der DNA Wasser entzogen, wodurch sie schließlich zu Boden sinkt. Die DNA wird als weiße, gelartige Substanz sichtbar und kann danach analysiert werden.

Spezifische Methoden der DNA-Analyse

Seit der Nutzung der DNA-Analyse haben sich mehrere Methoden dafür entwickelt. Die PCR ist eine der neuesten Methoden. Davor analysierte man die DNA mithilfe anderer Technologien.

1. Das Fingerprinting
   Diese Methode der DNA-Analyse ist eine der ältesten und wurde bereits in den 1980er-Jahren erstmals in der Kriminalistik erfolgreich angewandt. Die Spaltung der DNA erfolgt dabei mithilfe spezifischer Enzyme. Die dadurch entstehenden Bruchstellen unterscheiden sich bei jedem Individuum und erzeugen damit einen typischen genetischen Fingerabdruck. Für diese Form der DNA-Analyse sind jedoch relativ große Mengen an DNA notwendig. Meist werden dafür 1 bis 2 Mikrogramm DNA benötigt. Zudem muss die gewonnene DNA sehr hochwertig, also hochmolekular, sein.
2. Die locusspezifischen Polymorphismen
   Diese Form der Analyse wird hauptsächlich in den USA angewandt. Dabei werden mithilfe der sogenannten RFPL-Methode Single-Locus-Systme (SLS) untersucht. Unter einem Single-Locus verstehen Wissenschaftler eine bestimmte Position an einem Chromosom, an dem sich ein spezifisches Gen oder ein Marker befindet. Hinter dem Kürzel RFLP verbirgt sich die Bezeichnung Restriktionsfragment-Längenpolymorphismus. Dabei können bestimmte Schnittmuster auf dem DNA-Strang identifiziert werden. Diese Methode wird vor allem in der Medizin heute meist in Verbindung mit der PCR durchgeführt.
3. PCR: Polymerase Kettenreaktion
   Mit der PCR können Genabschnitte beliebig oft vervielfacht werden. Das ist vor allem vorteilhaft, wenn nur geringe Spuren von DNA zur Analyse vorhanden sind. Die PCR wird vor allem in jenen Fällen eingesetzt, bei denen die herkömmlichen Methoden der DNA-Analyse versagen. Allerdings können durch die PCR auch Dopplungsmuster oder andere künstliche Nebenprodukte entstehen.

Die Technik der PCR

Die PCR ist eine relativ junge Methode, um DNA zu analysieren. Diese Analysetechnik entwickelte der Biochemiker Kary Mullis 1983. Im Jahr 1993 erhielt er dafür den Nobelpreis. Die Methode erfolgt in drei Schritten.

1. Denaturierung
   In dieser Phase erhitzt man die DNA auf rund 95º C. Die Hitze löst die Wasserstoffbrücke zwischen den Strängen auf, sodass zwei Einzelstränge entstehen.
2. Hybridisierung
   In diesem Schritt wird die DNA wieder auf 50º C abgekühlt. Dabei binden sich die sogenannten DNA-Primer an die DNA-Stränge und bilden somit den Ausgangspunkt für die komplette PCR.
3. Elongation
   In diesem Schritt wird die DNA schließlich kopiert. Die Probe wird dabei wieder auf 72º C erhitzt. Die Folge ist eine exakte Kopie des ursprünglichen DNA-Strangs. Dieser Vorgang wird beliebig oft wiederholt, bis eine ausreichend große Anzahl an DNA-Strängen vorliegt.

Wofür wird die DNA-Analyse eingesetzt?

Die DNA-Analyse setzt man heute hauptsächlich in der Forensik ein. Dabei können Blutspuren oder Spuren von Körperflüssigkeiten an Tatorten analysiert und einer bestimmten Person zugeordnet werden. Für die Zuordnung einer unbekannten DNA gibt es mittlerweile spezielle Datenbanken, in denen das genetische Profil von Straftätern gespeichert ist. In Deutschland ist das beispielsweise die Datenbank DAD beim Bundeskriminalamt BKA.
Außerdem setzt man diese Analyseverfahren auch in der medizinischen Forschung zur Untersuchung von Krankheiten ein. Auch Bakterien oder Viren können mit einer DNA-Analyse identifiziert werden. Zudem ist die DNA-Analyse auch bei Pflanzen und Tieren möglich. Ferner wird sie heute in der Lebensmittelindustrie zur Analyse von pflanzlichen oder tierischen Produkten eingesetzt.