Jaja, die DNA. Man kann soviel darüber schreiben. Sie ist ein wirklich fantastisch gestaltetes Molekül. Nicht nur dass sie eben diese Doppelhelix hat, die sie sehr stabil macht, das wirklich neue an der DNA war, evolutionär gesehen, dass sie zwei Stränge hat. Einen „Sense“ Strang und einen „Antisense“ Strang. Also einen der Sinn ergibt und einen der genau umgekehrt gelesen werden müsste damit er Sinn ergibt. Man sagt auch „rückwärts komplementär“. Was ist daran so toll? Da sich die Basen, die ja den genetischen Code ausmachen, nur ganz spezifisch verbinden können ist ein Strang immer gleich der Bauplan für den anderen.

Jetzt nehmen wir einmal an, die Zelle möchte sich vermehren. Dazu muss sie erst einmal ihre DNA verdoppeln, damit jede Tochterzelle je einen Satz DNA (und somit Chromosomen) erhalten kann. Das passiert schon sehr weit vor der eigentlichen Zellteilung denn die Zelle muss ihre DNA auf Fehler prüfen. Ist da vielleicht eine Base falsch zugeordnet? Oder ist sie irgendwo angeknackst? Ist alles okay geht die DNA Replikation los.

Ein Enzym namens Helicase lagert sich zwischen den beiden Strängen an und löst die Verbindungen zwischen den Basen, die beiden Stränge gehen auf wie bei einem Reißverschluss. Jetzt kann sich die Polymerase anlagern. Polymerasen sind Enzyme, die DNA synthetisieren. Sie erkennt die Base auf dem Strang und sucht die passende aus. Bei einem Adenin hält sie also ein Thymin hin, bei einem Guanin ein Cytosin und umgekehrt. Wie ein kleiner Amor beschleunigt sie die Verbindung zwischen den beiden Basen. An den Basen hängt schon das Zuckerphosphatgerüst dran, man nennt sie Nukleotide.

Die Polymerase hat einen Nachteil, sie kann nur in eine Richtung synthetisieren. Die Richtung ergibt sich hier aus den Phosphatzuckerresten, die das Gerüst der DNA bilden. Wir Biologen reden von einem 5-Strich (5′) und einen 3-Strich-Ende (3′) und wer kein Chemie mag überspringt den Rest dieses Absatzes. Chemiker zählen die Kohlenstoffe von Molekülen gerne um sie genau beschreiben zu können. Die Bestandteile der DNA haben je einen Ring aus 5 Zuckern die von 1-5 durchgezählt werden. Am dritten und am fünften sind die Zucker über das Phosphat verbunden. Es geht jetzt darum ob die Reihenfolge der gegenläufigen Stränge 5′ zu 3′ oder 3′ zu 5′ ist. Die Polymerase kann nur von 5′-3′ synthetisieren.

Vor allem braucht sie dazu einen Primer. Ein Primer ist ein kleines Stück RNA, das ist so ähnlich wie DNA. Er bindet sich an die DNA und dient als Startpunkt an dem die Polymerase ansetzen kann. Die Primer werden später zerstört und ersetzt.

Auf dem 5′-zu 3′ Strang der DNA kann die Polymerase einfach ab dem Primer lossynthetisieren, sie muss nur der Helicase hinterherlaufen. Da die Helicase die DNA nicht komplett öffnet sondern nur kleine „Bläschen“ erzeugt in der die DNA gerade offen ist, kann die Polymerase nicht warten bis der gesamte Strang geöffnet ist und dann von der anderen Seite her loslegen. Daher werden immer nur kleine Stückchen DNA repliziert, weil die Polymerase entgegen der Richtung arbeiten muss in der der Strang aufgeht. So setzt sie ein Enzym namens Primase immer neue Primer, zwischen denen die Polymerase dann die DNA synthetisiert. Diese Stücke nennt man Okazaki-Fragmente. Die RNA-Primer werden danach zerstört und durch DNA ersetzt.

Vielleicht haben manche von euch schon einmal von der Polymerasen Kettenreaktion oder PCR (Polymerase Chain Reaction) gehört. Das ist eine sehr häufig in der Biologie angewandte Grundlagenmethode. Eigentlich passiert vom Prinzip her nicht viel anderes als in der Zelle auch. Wir verwenden keine Helicase sondern erhitzen die DNA einfach sehr hoch, dann trennt sich der gesamte Strang (er denaturiert) auf. Dann senken wir die Temperatur, die künstlich hergestellten Primer binden an den zu ihnen passenden DNA-Abschnitt und die Polymerase kann loslegen. Wir verwenden spezielle, hitzeresistente Polymerasen die man sonst in Mikroorganismen in heißen Quellen findet. Eine kleine Änderung gibt es aber dennoch: Nur ganz selten wollten Forscher das gesamte Genom eines Organismus’ replizieren. Oft sind wir nur an einem Gen oder einer speziellen Stelle interessiert. Dafür bauen wir Primer, kleine DNA-sequenzen die eine bestimmte Stelle auf der DNA finden und daran binden. Mit einem zweiten Primer markieren wir das Ende. Die Polymerase sieht den einen Primer als Startpunkt und synthetisiert los bis sie an den nächsten anstößt. Ist die Synthese komplett wird die DNA wieder erhitzt, der frisch synthetisierte Strang trennt sich vom alten, die Temperatur wird wieder gesenkt und es kann erneut synthetisiert werden.

Die PCR findet unter anderem Anwendung beim klonieren, also beim vervielfältigen, verändern oder verbinden von Genen im Labor. Sie ist aber auch analytisch anwendbar. Wir können feststellen ob unsere Labor-Mäuse ein bestimmtes Gen besitzen oder nicht, oder wir können Verunreinigungen durch Mikroorganismen in unseren Zellkulturen nachweisen. In der Forensik nimmt man die PCR oft zur Ermittlung des genetischen Fingerabdrucks, zum Beispiel um einen Täter zu überführen oder um eine Vaterschaft nachzuweisen. Letzteres ist natürlich schöner.