DNA-Hybridisierung

DNA-Hybridisierung einfach erklärt

Das Erbgut von Mensch und Schimpanse unterscheidet sich nur in etwa 1,6 Prozent der Gene — das haben Forscher mithilfe der DNA-Hybridisierung herausgefunden. Aber wie funktioniert das Verfahren?

In der Biologie verstehst du unter einer Hybridisierung, dass sich zwei Einzelstränge der DNA oder der RNA zu einer doppelsträngigen Nucleinsäure verbinden. Das kann nur stattfinden, wenn auch die Basenabfolge in beiden Einzelsträngen weitestgehend zusammenpasst — also komplementär ist. Hierbei bilden sich Wechselwirkungen zwischen den jeweiligen Basenpaaren aus — sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen . 

Den Mechanismus der Hybridisierung machen sich viele Forscher zu Nutze, um beispielsweise Verwandtschaftsbeziehungen zu ermitteln und bestimmte Nucleinsäureabschnitte in einem Gemisch zu identifizieren. 

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DNA-Hybridisierung Ablauf  

Schauen wir uns nun Schritt für Schritt an, wie eine DNA-Hybridisierung abläuft. 

1. Denaturierung 

Zunächst wird doppelsträngige DNA erhitzt — und zwar auf circa 90 Grad Celsius. Die hohen Temperaturen sorgen dafür, dass sich die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den DNA-Doppelsträngen auftrennen. Das bezeichnest du als Denaturierung . Wir erhalten nun aus einem DNA-Doppelstrang zwei DNA-Einzelstränge. 

Beispiel: Der Verwandtschaftsgrad von Mensch und Schimpanse soll herausgefunden werden. Dazu werden jeweils DNA-Proben des Menschen und des Schimpansen in getrennten Gefäßen erhitzt, um Einzelstränge zu erhalten. 

2. Renaturierung

Das Gemisch wird nun langsam abgekühlt — etwa um 25 Grad weniger als der Schmelzpunkt. Hierbei kommt es zur Renaturierung. Dabei lagern sich zwei passende Einzelstränge wieder aneinander. Handelt es sich um unterschiedliche Einzelstränge, sprichst du hier von einem Hybrid. 

Beispiel: Die Einzelstränge der menschlichen DNA werden nun mit Einzelsträngen der Schimpansen-DNA gemischt. Nach dem Abkühlen entsteht eine sogenannte Hybrid-DNA. Dabei handelt es sich also um ein ‚Gemisch‘, das aus je einem menschlichen DNA-Einzelstrang und einem Schimpansen-DNA-Einzelstrang besteht.

Bei einer Verwandtschaftsanalyse kommt nun noch ein 3. Schritt dazu: 

3. Erhitzen der Hybrid-DNAs

Um jetzt herauszufinden, wie hoch der Grad der Verwandtschaft ist, muss das Gemisch noch einmal erhitzt werden. Somit kannst du herausfinden, wie viele Basenpaare sich zwischen den Einzelsträngen ausgebildet haben. 

Es gilt: Je ähnlicher die komplementäre Basensequenz der beiden Einzelstränge in der Hybrid-DNA ist, desto mehr Energie — also eine höhere Temperatur — ist für die Trennung in die jeweiligen Einzelstränge nötig. Das liegt daran, dass sich bei einer besseren Basenpaarung auch mehr Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden.

Du kannst also sagen: Je höher der Schmelzpunkt der Hybrid-DNA, desto enger ist der Grad der Verwandtschaft.  

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Gensonden

Mithilfe der DNA-Hybridisierung können auch bestimmte DNA-Abschnitte aus einem Gemisch identifiziert werden. Beispielsweise wollen Forscher damit eine bestimmte Genmutation finden. Hier verwendest du in der Regel sogenannte Gensonden (auch DNA-Sonden). Darunter verstehst du kürzere, synthetisch hergestellte, einzelsträngige DNA-Ketten, die komplementär zu einem gesuchten DNA-Abschnitt sind — hier zum Beispiel zu der gesuchten Mutation.

Meist sind die Sonden radioaktiv markiert oder mit einem Fluoreszenzmarker versehen. So lässt sich eine Hybridisierung am Schluss leicht nachweisen.  

So funktioniert’s:

1. Markierung der Sonde: zum Beispiel mit Fluoreszenzfarbstoff oder radioaktiven Isotopen. 
2. Fixierung der DNA (oder RNA): Die denaturierte Nucleinsäure wird auf einem Trägermaterial aufgetrennt, zum Beispiel auf einem Agarose– oder Polyacrylamidgel.
3. Hybridisierung: Die Gensonden werden zu der DNA hinzugegeben. Die Sonden können nun mit den passenden DNA-Strängen hybridisieren, falls sich im Gemisch eine passende Sequenz befindet.
4. Detektion der Marker: Die neu gebildeten Moleküle können nun aufgrund der Markierung nachgewiesen werden. 

Mithilfe des Verfahrens lassen sich zum Beispiel Erbkrankheiten, wie die Sichelzellanämie, nachweisen. 

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Anwendung und Nutzen

Hier haben wir dir einige Anwendungsbereiche der Hybridisierungstechnik aufgelistet: 

• Wiederholende DNA-Sequenzen im Genom: Hier wird gemessen, wie schnell eine Renaturierung erfolgt. So kann ermittelt werden, wie hoch der Anteil sich wiederholender DNA-Abschnitte im Genom sind. Beim Menschen sind das etwa 30 bis 35 Prozent. 
• Verwandtschaftsbeziehungen zwischen verschiedenen Organismen: Je nach Höhe der Schmelztemperatur einer hybridisierten DNA kann der Grad der Verwandtschaft bestimmt werden. Auf dieser Basis können Stammbäume erstellt und die Evolution der jeweiligen Arten nachvollzogen werden. 
• Kombination mit weiteren molekulartechnischen Verfahren:
  • Southern Blot: Das Verfahren dient dem Nachweis einer DNA-Sequenz in einem DNA-Gemisch.
  • Northern Blot: Mit der Methode kannst du bestimmte RNA-Moleküle aus einem RNA-Gemisch nachweisen. 
  • In-situ-Hybridisierung: Mit dem Verfahren lassen sich Nukleinsäuren in Geweben, einzelnen Zellen oder auf Chromosomen identifizieren. 

Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

Auch bei der Polymerase-Kettenreaktion — kurz PCR — machen Forscher sich das Prinzip der DNA-Hybridisierung zu Nutze. Bei der PCR handelt es sich um eine Methode, um gewünschte DNA-Abschnitte zu vervielfältigen.

Um den Startpunkt des Abschnittes festzulegen, benötigst du sogenannte Primer. Das sind kurze, einzelsträngige Moleküle, die aus mehreren Nukleotiden bestehen. Da sie genau an den Startbereich des DNA-Abschnitts passen, kann eine Hybridisierung (hier: Primerhybridisierung) stattfinden. 

Hättest du gedacht, dass die PCR-Reaktion auch in der Kriminalistik angewendet wird, um Tätern auf die Spur zu kommen? Das und weitere spannende Anwendungsbereiche erfährst du in unserem extra Video dazu!