PCR: Aus eins mach viel!

Jede neue Coronawelle schiebt auch eine neue Testwelle an, in den Laboren herrscht dann Hochbetrieb. PCR-Tests sind jetzt gefragt, um Coronainfektionen nachzuweisen. Das Kürzel steht für den englischen Begriff „Polymerase Chain Reaction“, auf Deutsch „Polymerase-Kettenreaktion“. „PCR ist nicht nur Teil von Diagnoseverfahren, in denen man mit ihrer Hilfe kleinste Spuren von Viren-Erbgut finden kann“, erklärt Dr. Stefan Börno vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin: „Sie ist ein sehr vielfältiges Werkzeug.“

Was wird dabei gemacht?

PCR ist eine Methode, mit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Labor Abschnitte der Erbsubstanz DNA in kurzer Zeit vervielfältigen können. So erhalten sie ausreichende DNA-Mengen, um damit weiterarbeiten und zum Beispiel Coronaviren nachweisen zu können. Bei der PCR läuft im Labor in einer Art Kochtopf – dem Thermocycler – etwas Ähnliches ab wie in unseren Zellen, wenn diese sich teilen. Das Werkzeug dazu ist das Enzym DNA-Polymerase.

Es fügt die DNA-Bausteine aneinander und verbindet sie. Der Clou bei der Laborvariante: Sie läuft als Kettenreaktion ab. In einer Reihe von Zyklen wiederholen sich immer die gleichen Schritte. Die in einem Zyklus hergestellten DNA-Stränge sind die Vorlagen für den nächsten Durchlauf. Im ersten Schritt entstehen aus einer Vorlage zwei Kopien, im nächsten vier, dann acht – und so weiter. „Rechnerisch erzeugt die PCR in 30 Zyklen aus einem einzelnen DNA-Molekül in einem winzigen Tropfen ­eine Milliarde Kopien“, sagt Börno. In der Praxis ist die Ausbeute geringer. Für die meisten Anwendungen genügen rund 30 Zyklen, die je nach Gerät insgesamt ein bis drei Stunden dauern.

Wie profitiert die Forschung?

Seit ihrer Erfindung durch den US-amerikanischen Biochemiker Kary Mullis im Jahr 1983 hat sich die PCR zu einer der wichtigsten Methoden der Molekularbiologie entwickelt – sie ist billig, einfach und schnell. Mullis erhielt für seine Entwicklung 1993 den Nobelpreis für Chemie. „Fast immer, wenn irgendwo Erbgut untersucht werden soll, sorgt PCR dafür, dass genügend Material für die Analysen bereitsteht“, so Molekularbiologe Börno. In Forschung, Medizin und Humangenetik, aber auch in der Kriminalistik, Lebensmittelkon-
trolle oder Paläontologie gibt es zahlreiche Anwendungen. Mit der Coronapandemie kam eine weitere dazu: Selbst winzige Spuren von Viren-­Erbgut aus einem Rachen- oder Nasenabstrich lassen sich mithilfe von PCR so vervielfältigen, dass Infektionen mit SARS-CoV-2 zuverlässig erkannt werden