DNA-Analyse: Methoden und Technologien

PCR, Echtzeit-PCR und Microarray erklärt — die Verfahren hinter moderner DNA-Analyse und ihre Anwendungen.

DNA-Analyse ist ein Sammelbegriff für Verfahren, mit denen Erbmaterial sichtbar, vervielfältigt und ausgewertet wird. Welches Verfahren zum Einsatz kommt, hängt von der Frage ab: Ein Vaterschaftstest, eine Herkunftsschätzung und der Nachweis eines Krankheitserregers arbeiten mit unterschiedlichen Werkzeugen.

Schritt eins: Probe und Extraktion

Am Anfang steht die Probe — bei Verbrauchertests fast immer ein Abstrich der Wangenschleimhaut oder Speichel, in der Forensik auch Blut, Haarwurzeln oder Knochenmaterial. Die Zellen werden aufgeschlossen, Proteine und Zellreste entfernt, die DNA gereinigt. Wie sorgfältig dieser unscheinbare Schritt abläuft, entscheidet über die Qualität aller folgenden.

Die PCR: aus wenig wird genug

Die von Kary Mullis 1983 entwickelte Polymerasekettenreaktion löste das Grundproblem der Analyse: Meist ist von der interessierenden Sequenz viel zu wenig vorhanden. Die PCR vervielfältigt sie in Zyklen aus drei Schritten:

• Denaturierung — Erhitzen auf etwa 95 °C trennt die beiden DNA-Stränge.
• Hybridisierung — beim Abkühlen lagern sich kurze Startermoleküle (Primer) an die gesuchte Stelle an.
• Elongation — eine hitzestabile Polymerase verlängert von dort aus den Gegenstrang.

Da jeder Zyklus die Menge verdoppelt, entstehen aus einer Handvoll Moleküle in rund 30 Zyklen Millionen Kopien. Mullis erhielt 1993 den Chemie-Nobelpreis.

Echtzeit-PCR und Microarrays

Die Echtzeit-PCR (qPCR) misst die Vervielfältigung während sie läuft, über Fluoreszenzsignale. Damit lässt sich nicht nur feststellen, ob eine Sequenz vorhanden ist, sondern auch wie viel davon — der Grund, warum das Verfahren in der Infektionsdiagnostik Standard ist.

DNA-Microarrays gehen den umgekehrten Weg: Auf einem Chip sitzen Hunderttausende bekannter Sonden, an die passende Bruchstücke aus der Probe binden. Ein Array prüft damit sehr viele bekannte Positionen gleichzeitig — genau das machen kommerzielle Herkunfts- und Gesundheitstests. Wichtig zu verstehen: Ein Array liest nicht dein Genom, sondern fragt eine vorher festgelegte Auswahl von Positionen ab. Was der Anbieter nicht auf den Chip gesetzt hat, sieht er auch nicht.

Wie verlässlich ist ein Ergebnis?

Die Verfahren selbst sind ausgereift; die Fehlerquellen liegen fast immer davor und danach. Kontamination ist die häufigste: Weil die PCR winzige Mengen millionenfach vervielfältigt, wird auch fremde DNA mitvervielfältigt, die versehentlich in die Probe geraten ist. Deshalb die Hinweise auf den Beipackzetteln — vor dem Abstrich nichts essen, trinken oder rauchen, das Stäbchen nicht mit den Fingern berühren.

Der zweite Punkt ist die Qualitätssicherung im Labor. Die Akkreditierung nach ISO/IEC 17025 ist der internationale Standard für Prüflaboratorien und umfasst Gerätekalibrierung, Personalqualifikation und Rückverfolgbarkeit jeder Probe. Für einen Vaterschaftstest, der vor Gericht Bestand haben soll, ist sie die Mindestanforderung — bei reinen Unterhaltungstests fragt sie kaum jemand ab.

Und schließlich die Auswertung: Ein Array liefert Rohdaten, aus denen erst eine Interpretation ein Ergebnis macht. Zwei Anbieter können dieselben Rohdaten unterschiedlich einordnen — bei Herkunftsschätzungen ist das der Regelfall, nicht die Ausnahme.

Wo DNA-Analysen eingesetzt werden

• Abstammung und Verwandtschaft — Vaterschaftstests und Herkunftsschätzungen.
• Medizin — Diagnostik seltener Erkrankungen, Tumorprofile, Verträglichkeit von Wirkstoffen.
• Forensik — Spurenauswertung und Identifizierung.
• Lebensmittel und Umwelt — Artbestimmung, Nachweis von Verunreinigungen und Krankheitserregern.

Welche Anbieter welches Verfahren einsetzen und wie wir ihre Genauigkeit bewerten, steht im Vergleich.

Häufige Fragen