Elektrophorese

Das DNA-Molekül ist ein dünner Faden – ein sehr dünner Faden mit einem Durchmesser von rund 2 Nanometern (1 nm = 10-9 m) und selbst mit einem guten, normalen Lichtmikroskop nicht sichtbar. Nur im Elektronenmikroskop kann man den Faden erkennen. Details wie die der Helixstruktur oder gar die Basenpaare sind selbst da nicht sichtbar. Der Faden ist dünn, aber lang! Das menschliche Genom misst etwa 1 m, d. h. in jeder Zelle liegt 1 m DNA vom Vater und 1 m von der Mutter vor.

In der Molekularbiologie interessiert die Information, d. h. die Basenabfolge der DNA. Diese wird durch DNA-Sequenzierung bestimmt. In der Laborroutine reicht es meistens aus, die Länge eines DNA-Abschnitts zu bestimmen, um Gene zu analysieren oder um DNA-Stücke im Reagenzglas gezielt zusammenzusetzen. Nur wenn es erforderlich ist, wird abschließend, z. B. zur Bestätigung, die aufwändigere Sequenzierung eingesetzt.

Um die Länge von PCR- oder Restriktionsfragmenten (definierten DNA-Stücken) zu bestimmen, verwendet man die Gel-Elektrophorese. Dabei nutzt man die elektrische Ladung des DNA-Moleküls, das negativ geladen ist. Im elektrischen Feld bewegt sich DNA deshalb zum positiven Pol.

Um DNA-Stücke nach ihrer Größe zu sortieren oder die Länge eines Fragments zu bestimmen, verwendet man ein sehr feinmaschiges „Sieb“ (Gel), ein Netzwerk aus Agarose, einem Geliermittel. Dieses Gel erinnert von seiner Konsistenz her an Wackelpudding oder Götterspeise.

In diesem Netzwerk müssen sich DNA-Fäden im elektrischen Feld durch kleine Poren bewegen. Je länger ein Faden ist, umso länger braucht er, um durch die feinen Löcher zur Kathode zu kommen. Kurze Stücke können hingegen schneller wandern. Die Wanderungsgeschwindigkeit ist also ein Maß für die Länge eines DNA-Stücks. Schaltet man nach einer gewissen Zeit das elektrische Feld ab, so findet man kleine Stücke näher an der Kathode als große. Ein Gemisch aus großen und kleinen Stücken wird so nach Größe sortiert. Stücke der gleichen Größe wandern genau in der gleichen Position.

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Die blau gefärbte DNA-Lösung wird auf das Gel aufgetragen. Bildnachweis: Science Bridge

Leider ist DNA farblos. Um sie sichtbar zu machen, braucht man bestimmte Farbstoffe, die spezifisch an die DNA binden. Damit kann man die DNA anfärben, so dass im Ergebnis „Banden“ (Striche) zu erkennen sind. Diese Banden zeigen die Positionen an, wo die DNA-Stücke gleicher Größe im Gel angekommen sind, als das elektrische Feld abgeschaltet wurde. Ein, zwei, drei oder hundert DNA-Stücke an einer Position sind zu wenig um sichtbar zu werden. Man braucht schon etliche Millionen Stücke – das ist aber z. B. mit der PCR (→Wie funktioniert eine PCR-Maschine?) kein Problem!

Autor: Wolfgang Nellen

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