Gelelektrophorese - [Verfahren zur DNA-Analyse] - [Biologie, Gentechnik]

In diesem Video werden wir uns mit der Gelelektrophorese beschäftigen, einem Verfahren, mit Hilfe dessen sich einzelne DNA-Fragmente nach ihrer Größe auftrennen lassen.
Allein die Begriffserklärung wirft Fragen auf: Warum sollte man DNA-Fragmente – also DNA-Abschnitte nach ihrer Größe ordnen – was bezweckt man damit? Und was für DNA-Fragmente sind das, die man sich da anguckt? Und wie erfolgt der Vorgang der Auftrennung?
Die gesamte, genomische DNA eines Organismus, die in jeder Zelle vorliegt, ist ein einzelner langer, sehr dünner Faden. Damit überhaupt DNA-Abschnitte entstehen können, muss die DNA – nachdem man sie aus einem Organismus isoliert hat - aufgeschnitten und in Fragmente bzw. Abschnitte zerlegt werden. Diesen Schritt übernehmen sogenannte Restriktionsenzyme – diese kann man sich wie molekulare Scheren vorstellen (Video einblenden), die die DNA an spezifischen Erkennungssequenzen schneiden, sodass aus der gesamten, genomischen DNA ganz viele unterschiedlich große DNA-Fragmente entstehen.
Diese unterschiedlich großen DNA-Fragmente lassen sich anschließend als Banden auf einem Elektrophorese-Gel einfach sichtbar machen. Die Fragmente werden an einem Ende eines halbfesten Gels (meist aus Agarose oder Polyacrylamid), das in einer mit Pufferlösung gefüllten Wanne liegt, in Taschen gegeben, die anschließend auf dem Gel entlang wandern. Warum machen sie das? Aufgrund der negativ geladenen Phosphatgruppen, die die DNA trägt, ist sie selbst auch leicht negativ geladen. Ihr wisst, dass sich entgegengesetzte Ladungen anziehen – wenn man ein elektrisches Feld so anlegt, dass sich die Fragmente beim negativen Pol, der Kathode, befinden, dann wird die DNA vom positiven Pol angezogen und wandert entsprechend zum positiven Pol nach unten. Das Gel weist Poren auf – kleine Poren, wodurch das Gel als Sieb fungiert. Weil die Poren im Gel klein sind, hat das zur Folge, dass kleine DNA-Moleküle schneller das Gel durchwandern als größere Moleküle. Auf diese Weise findet also die Auftrennung der DNA-Fragmente nach ihrer Größe statt: Kürzere Fragmente wandern schneller (und dadurch auch im selben Zeitraum weiter) als die längeren Fragmente (sichtbar machen neben dem Gel: kürzere Fragmente; längere Fragmente). Indem man die Fragmente beispielsweise mit einem radioaktivem Isotop markiert oder mit einem fluoreszierendem Farbstoff versieht, können die DNA-Fragmente als sogenannte Banden im Gel sichtbar gemacht werden. Wenn im Zusammenhang der Gelelektrophorese die Rede von Bandenmuster ist, dann sind das Bereiche im Gel, in denen sich die DNA-Fragmente ansammeln.
Soviel zum Ablauf der Gelelektrophorese. Wie eben erwähnt, nutzt man je nach Anwendungsbereich der Gelelektrophorese ein Gel entweder aus Agarose oder aus Polyacrylamid. Weil ein Polyacrylamid-Gel engere Maschen besitzt, kann es für die Auftrennung kleinerer Moleküle genutzt werden kann im Vergleich zur Agarose-Gelelektrophorese, die etwas weitmaschiger ist und somit größere Moleküle wie DNA auftrennen kann. Derartige Unterschiede sind aber zumindest im schulischen Kontext nicht relevant zu lernen.
Nachdem wir jetzt wissen, wie der Vorgang der Auftrennung von DNA-Molekülen erfolgt, können wir uns der viel wichtigeren Frage nach dem Warum widmen – warum ordnet man DNA-Fragmente nach ihrer Größe und um was für DNA-Fragmente handelt es sich dabei?