DNA strand, lab and Coronavirus

PCR – Ein Kopierapparat auf molekularer Ebene

Gut ein Jahr nach dem Ausbruch der Coronavirus-Pandemie ist sie den meisten Menschen ein Begriff: die Polymerase-Kettenreaktion, kurz PCR (englisch: polymerase chain reaction). Sie ist im Moment eines der verlässlichsten Werkzeuge, um eine Coronavirusinfektion nachzuweisen. Was passiert bei der PCR und warum ist sie soviel genauer als ein Antigentest? Die PCR ist ein Prozess, bei dem DNA-Information anhand einer Vorlage kopiert und neu hergestellt wird. Dabei steht – wie so oft – wieder einmal ein Enzym im Mittelpunkt des Geschehens. In diesem Fall handelt es sich dabei um die DNA-Polymerase, die der Reaktion auch ihren Namen gibt. Wie genau die PCR funktioniert, wird in folgendem „Life is Science“ Video erklärt: Somit ist die PCR also ein Prozess, der auf sehr präzise Weise vorhandene DNA Stücke vervielfältigen kann, um sie für weitere Vorgänge in ausreichender Menge verfügbar zu machen: man kann sie nun zB sequenzieren, also den Code zwischen den Startsignalen (Primern) entschlüsseln. Anhand dieses Codes kann man dann nachweisen, aus welchem Organismus die DNA kommt.
Das Allzweck-Werkzeug in der Biotechnologie
Bin ich mit dem Coronavirus infiziert? Bin ich der Vater meines Kindes? Trage ich eine genetisch bedingte Krankheit in mir? Je nach Fragestellung werden von den Experten entsprechende Primer designt, die hochselektiv an die Ziel-DNA andocken, die PCR einleiten und uns über die Beschaffenheit der Erbinformation in unserem Körper innerhalb weniger Tage in Kenntnis setzen können. Die Anwendungsbereiche sind vielfältig: von der medizinischen Diagnostik, über die Forensik bis hin zur Entdeckung neuer Organismen und die Aufklärung unbekannter DNA-Sequenzen ist die PCR eine höchst zuverlässige Methode.
PCR und Pandemie
Aktuell hören wir das Wort „PCR“ auch sehr oft im Zusammenhang mit dem Nachweis der Covid-19 Infektionen. Das Corona-Virus hat jedoch keine DNA, sondern RNA. Die Erbinformation liegt also in anderer Form vor. Der Corona-PCR-Test ist deshalb keine einfache PCR, wie eben beschrieben, sondern etwas komplexer und nennt sich eigentlich Real-Time PCR (RT-PCR). Dabei ist noch ein weiterer Schritt vor der eigentlichen PCR vorgeschalten, bei dem ein spezielles Enzym, die Reverse Transkriptase eine wichtige Rolle spielt. Mit Hilfe dieses Enzyms schreibt man die RNA des Virus in DNA um. Wie auch schon das PCR-Enzym, die Polymerase, benötigt auch die Reverse Transkriptase einen Startpunkt (Primer). Ausgehend davon setzt die Reverse Transkriptase dann die passenden DNA-Bausteine an die RNA Vorlage des Virus, und so entsteht nun ein DNA Strang, der die gleiche Information enthält wie das Virus Genom. Dieser DNA Strang dient nun als weitere Vorlage und die PCR nimmt ihren Lauf.
Das Leuchten des Virus
Der Corona-Test hat allerdings noch eine weitere Besonderheit, denn die Real-Time PCR ermöglicht auch eine Aussage über die Menge der vorhandenen DNA. Die Abschätzung der Menge funktioniert über ein Floureszenzsignal, das während der PCR gebildet wird. Bei der Real-Time PCR befinden sich neben den spezifisch bindenden Primern noch sogenannte DNA-Sonden im Reaktionsgefäß. Diese Sonden binden hochsensitiv nur an den gesuchten Coronavirus-Bereich zur gleichen Zeit zu der auch die Primer binden. Die Sonden haben eine Fluoreszenzmarkierung, die allerdings inaktiv ist, solange die Sonde intakt ist. Wenn die Polymerase mit der Arbeit beginnt und die DNA Stränge kopiert, ist die Sonde allerdings im Weg und wird im Zuge des Kopierprozesses abgebaut. Dadurch wird dann die Fluoreszenz freigesetzt und die Probe beginnt zu leuchten.  Der gemessene Fluoreszenzwert lässt dann eine Aussage über die Menge der vorhandenen DNA in der Probe zu. Hier kommt der CT-Wert ins Spiel. Er bezeichnet die Zahl der Zyklen (CT kommt von Cycle Threshold, zu deutsch soviel wie Schwellenwert Zyklus), die eine PCR gelaufen ist, bevor die Fluoreszenz detektierbar wird. Je mehr Virus-RNA zu Beginn in DNA umgeschrieben und dann vervielfältigt wurde, desto schneller geht das. Ein hoher CT-Wert steht also für eine geringe Zahl an Viren im Ausgangsmaterial der PCR, zum Beispiel im Rachen-Abstrich eines Patienten. Und je niederer der CT-Wert ist, desto mehr Virus-RNA war in der Probe vorhanden.  Die PCR ist also ein hochsensitiver Mechanismus, um kleinste Mengen DNA nachweisen zu können. Die Reaktion hat sich in den letzten 30 Jahren zu sowas wie unserem täglich Brot im Forschungsalltag entwickelt. Und in den Jahren 2020 und 2021 wird sie uns wohl auch als eines der vielen Puzzlesteinchen neben Impfung, Antigentests, Medikamenten & Co in der Bekämpfung dieser Pandemie nützlich sein.
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