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Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist ein fundamentales Verfahren der Gentechnik zur gezielten, exponentiellen Vervielfältigung von DNA-Abschnitten in vitro.
Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) fungiert als molekularer Kopierer, der es ermöglicht, aus einer minimalen DNA-Probe Millionen identischer Kopien eines spezifischen Abschnitts zu erzeugen. Dieser Prozess findet in vitro, also im Reagenzglas, statt und simuliert die natürliche DNA-Replikation unter kontrollierten Temperaturbedingungen.
Für die Durchführung werden fünf Grundkomponenten benötigt: Die Matrizen-DNA (das Original), spezifische Primer (kurze DNA-Startmoleküle), die Taq-Polymerase (ein hitzestabiles Enzym), freie Nukleotide (dNTPs) als Baumaterial und ein passendes Puffersystem.
Ein PCR-Zyklus besteht aus drei Schritten. Zuerst erfolgt die Denaturierung bei ca. 95 °C. Hierbei werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren gelöst, wodurch die Doppelhelix in zwei Einzelstränge zerfällt. Dies ersetzt die Funktion der Helikase in der lebenden Zelle.
Der zweite Schritt ist das Annealing (Anlagerung) bei ca. 50–65 °C. Die Primer binden spezifisch an die komplementären Sequenzen am Anfang und Ende des Zielabschnitts auf den Einzelsträngen. Die Temperatur muss hier präzise gewählt werden, damit die Primer stabil binden, aber keine Fehlpaarungen entstehen.
Im dritten Schritt, der Elongation (Verlängerung) bei ca. 72 °C, synthetisiert die Taq-Polymerase den neuen DNA-Strang. Sie stammt aus dem Bakterium *Thermus aquaticus* und ist daher bei den hohen Temperaturen der Denaturierung stabil, ohne zu denaturieren.
Da das Produkt eines Zyklus als Matrize für den nächsten dient, wächst die DNA-Menge exponentiell (2^n). Nach 30 Zyklen sind theoretisch über eine Milliarde Kopien entstanden. Dies ermöglicht Analysen selbst bei geringsten Spuren von Ausgangsmaterial.
Die Sanger-Sequenzierung nutzt dieses Prinzip zur Bestimmung der Basenabfolge. Hierbei werden zusätzlich Didesoxynukleotide (ddNTPs) eingesetzt. Diesen fehlt die 3'-OH-Gruppe, weshalb nach ihrem Einbau keine weitere Bindung möglich ist und die Synthese abbricht (Kettenabbruchverfahren).
Der Genetische Fingerabdruck basiert auf der Analyse von STRs (Short Tandem Repeats). Das sind nicht-codierende DNA-Bereiche, in denen sich kurze Sequenzen oft wiederholen. Da die Anzahl dieser Wiederholungen individuell variiert, entstehen bei der PCR unterschiedlich lange Fragmente, die eine eindeutige Identifizierung ermöglichen.
