Ein Tag im Alfried Krupp-Schülerlabor

Der Biologie-LK von Herrn Eilken war zwar thematisch mitten in der Ökologie, doch die Termine im Schülerlabor sind schwer zu bekommen. So fuhr der Leistungskurs an einem Dienstag im April nach Bochum, um sich mit gentechnischen Methoden und Anwendungen zu beschäftigen. Das Alfried-Krupp- Schülerlabor ist der Ruhr-Universität angegliedert und bietet ein weites Spektrum an Themen und Projekten für alle Altersstufen.
 
Unser Projekt hieß: Auf den Spuren unserer Vorfahren. Was verrät uns die mitochondriale DNA?
 
Mitochondrien sind die „Kraftwerke“ unserer Zellen. In jeder Zelle befinden sich etwa 1000 dieser Organellen. In ihnen findet die Atmungskette statt, über die ATP regeneriert wird. Weil Mitochondrien wahrscheinlich von aeroben Bakterien abstammen, die in größere Zellen eingewandert sind und nun mit diesen symbiontisch zusammenarbeiten, besitzen sie eine eigene DNA und eine unabhängige Teilungsfähigkeit. Mitochondrien werden fast ausschließlich „maternal“, also über die Mutter, vererbt. Bei der Befruchtung bleiben die Mitochondrien, die sich im Mittelstück des Spermiums befinden, „außen vor“. Deshalb finden sich in den Nachkommen immer nur die mütterlichen Mitochondrien. Alle Kinder derselben Mutter haben die gleiche mitochondriale DNA. Man kann so einen genetischen Blick werfen auf die Herkunft der mütterlichen Ahnen, aber auch „genetische Vettern“ aufspüren, Personen also, die über gemeinsame Vorfahren miteinander verbunden sind. Ein mtDNA-Test untersucht bestimmte Gruppen von Haplotypen, das sind Varianten von Nukleotidsequenzen.
   Die Gewinnung von Zellen gelingt leicht durch das Abkratzen von Mundschleimhautzellen. Die anschließende DNA-Extraktion versucht, über die Fraktionierung (Trennung) der Zellbestandteile zu möglichst reinem Material zu kommen. Als Methoden stehen dafür zur Verfügung: enzymatische und/oder mechanische Zerkleinerungsschritte und mehrere hintereinander erfolgende Zentrifugationen.
   Das Problem für die weitere Verarbeitung bzw. Analyse sind die geringen DNA- Mengen. Seit den 1980er Jahren steht eine Methode zur Verfügung, um die DNA „in vitro“ (also künstlich im Reagenzglas) zu vervielfältigen: die Polymerase-Ketten- Reaktion (PCR). In modernen Laboren, so auch im Alfried-Krupp-Schülerlabor, benutzt man inzwischen PCR-Maschinen, die die notwendigen Temperaturveränderungen automatisch und genau durchführen. Zunächst wird die Doppelhelix der DNA durch Hitze in die Einzelstränge getrennt („Denaturierung“), dann werden bei ca. 60 °C sogenannte „Primer“ (künstlich hergestellte Oligonukleotide) angelagert („Hybridisierung“), dann führt die Arbeit der hitzestabilen Taq-Polymerase bei 70 °C zur Auffüllung der Stränge mit freien Nukleotiden. Nach etwa 20 Zyklen erhält man dann eine labortechnisch verwertbare Menge an DNA.
   Das Endziel ist es, die zu vergleichenden DNA-Fragmente in ihrer jeweiligen Länge sichtbar zu machen. Man bedient sich dafür der Gel-Elektrophorese. Man ruft hierbei eine unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeit der DNA-Fragmente in einem Gel hervor, das unter Einfluss eines elektrischen Feldes steht. DNA bzw. DNA-Fragmente weisen immer eine negative Ladung auf. Deshalb bewegen sie sich als Anionen in Richtung einer positiv geladenen Anode. Die Wanderungsgeschwindigkeit hängt dabei von der Molekülgröße ab: je kleiner, desto schneller. Die entstehenden Banden werden mittels radioaktiver Markierung oder Farbstoffen sichtbar gemacht.
   So die Theorie... Das Ergebnis entsprach am Tag unseres Laborbesuches nicht den Erwartungen, die Banden waren kaum zu erkennen. Irgendetwas war schiefgegangen. Ein interessantes Labor-Projekt endete mit einer kleinen Enttäuschung.