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Dann braucht man zwei kurze einzelsträngige DNA-Stücke (meistens um die 18-30 Nukleotide lang), die Primer, die komplementär zu der DNA-Sequenz vor und nach dem DNA Stück sind, das man kopieren möchte. Komplementär bedeutet, dass die Primer genau zu einem bestimmten Abschnitt der DNA passen (siehe dazu auch den Artikel Was ist DNA). Dazu muss also die Sequenz vor und nach dem DNA Stück, welches kopiert wird, schon bekannt sein.
Die nächste wichtige Zutat sind künstlich hergestellte Nukleotide. Das sind die Einzelbausteine (Monomere), aus denen die DNA später zusammengesetzt wird. Es gibt vier verschiedene Nukleotide. Jedes besteht aus einem Phosphatrest, einem Zuckermolekül (Pentose) und einer von vier Basen: Adenin, Guanin, Thymin oder Cytosin.
Die letzte wichtige Zutat ist die DNA-Polymerase. Eine Polymerase ist ein Enzym, das die Fähigkeit hat, einzelne Moleküle (Monomere) zu einer Kette (Polymer) zu verknüpfen. Die DNA-Polymerase kann Nukleotide zu einem DNA Strang verknüpfen. Als Vorlage braucht sie stets einen DNA-Einzelstrang, damit sie weiss, in welcher Reihenfolge die Nukleotide verknüpft werden sollen. Die Primer dienen der DNA-Polymerase als Startpunkt, an dem sie mit der Arbeit beginnen kann. DNA-Polymerase kommt in allen Lebewesen vor und ermöglicht die Verdopplung der DNA.
Die Zutaten werden alle zusammen mit etwas wässriger Lösung in ein kleines Plastikgefäss gegeben. Dieses wird in einen Thermocycler gestellt, einen Apparat, der heizen und kühlen kann und so für die richtige Temperatur während der Reaktion sorgt.
Die Reaktion kann losgehen
Um die DNA zu vervielfältigen, muss der DNA-Doppelstrang zuerst erhitzt werden bis die Basenpaare auseinandergehen und sich der Doppelstrang in zwei komplementäre Einzelstränge auftrennt. Dies geschieht für einige Minuten bei etwa 96°C. Dieser Prozess wird Denaturierung genannt.
Im nächsten Schritt wird die Temperatur etwas reduziert, was den Primern erlaubt, spezifisch an die komplementäre Sequenz der Einzelstränge anzudocken (Primerhybridisierung). Die Wahl der Temperatur hängt von der Länge der Primer und von ihrer Sequenz ab. Wird die falsche Temperatur gewählt, docken die Primer an vielen falschen Stellen oder gar nicht an.
Nach der Primerhybridisierung wird die Temperatur so eingestellt, dass die DNA-Polymerase optimal arbeiten kann (72°C). Sie bindet jeweils an ein Ende eines Primers und beginnt ihn an dieser Stelle zu verlängern, indem sie neue synthetische Nukleotide hinzufügt und diese zu einer wachsenden Kette verknüpft. Dafür benutzt sie den DNA-Einzelstrang, an dem der Primer angedockt ist, als Vorlage. Aus einem Einzelstrang entsteht somit ein Doppelstrang. Da beide DNA-Einzelstränge des ursprünglichen Doppelstrangs kopiert werden, entstehen schliesslich zwei Doppelstränge. Dieser Schritt wird Elongation genannt.
Wenn der Vorgang abgeschlossen ist, wird die Temperatur wieder erhöht, damit sich die neu entstandenen Doppelstränge wieder auftrennen. Mit dem nächsten Temperaturzyklus beginnt der Prozess von neuem und die DNA wird exponentiell vervielfacht. Meistens besteht eine PCR aus 30-40 solcher Zyklen. Dann ist genug DNA kopiert worden, um damit weiterzuarbeiten.