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Gelelektrophorese: DNA trennen und Banden deuten
Bei der Agarose-Gelelektrophorese wandern DNA-Fragmente in einem elektrischen Feld durch ein poröses Gel. Weil DNA negativ geladen ist, bewegt sie sich zur positiven Anode. Kurze Fragmente kommen leichter durch die Poren und wandern weiter als lange. So entsteht ein Bandenmuster, das du mit einem Größenmarker vergleichst.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie trennt das Gel DNA-Fragmente?
Stell dir eine Mischung aus unterschiedlich langen DNA-Fragmenten vor. Im Reaktionsgefäß liegen sie durcheinander. Im Gel werden sie räumlich getrennt.
Gelelektrophorese
Die Gelelektrophorese ist ein Analyseverfahren. Geladene Moleküle bewegen sich in einem elektrischen Feld durch eine Gelmatrix und werden dabei nach ihrer Ladung und Größe getrennt.
Für DNA braucht der Aufbau:
- eine Elektrophoresekammer mit Pufferlösung,
- ein Agarosegel mit kleinen Probentaschen,
- eine negative Kathode und eine positive Anode,
- ein Netzgerät für das elektrische Feld,
- einen Farbstoff, der die späteren Banden sichtbar macht.
DNA trägt durch ihre Phosphatreste negative Ladungen. Sie wird deshalb auf der Kathodenseite in die Taschen gegeben. Die Kathode stößt sie ab, die Anode zieht sie an. DNA wandert also vom Minuspol zum Pluspol.
Das Agarosegel enthält Poren und wirkt wie ein Molekülsieb. Kurze Fragmente werden weniger stark behindert und gelangen in derselben Laufzeit weiter. Lange Fragmente bleiben näher an den Starttaschen.
Drei DNA-Fragmente starten im selben Gemisch: ein kurzes, ein mittellanges und ein langes Fragment. Nach dem Lauf liegt die Bande des kurzen Fragments am weitesten vom Start entfernt. Die Bande des langen Fragments liegt am nächsten am Start. Entscheidend ist nicht, dass kurze DNA stärker geladen wäre, sondern dass sie leichter durch die Gelporen gelangt.
Bei DNA gilt im selben Gel und unter denselben Laufbedingungen: kurz läuft weiter, lang bleibt näher am Start.
Wie liest du ein Bandenmuster?
Nach der Trennung ist DNA nicht automatisch sichtbar. Ein geeigneter Farbstoff und eine passende Lichtanregung machen die getrennten DNA-Mengen als Banden erkennbar. Moleküle ähnlicher Länge sammeln sich an ähnlichen Positionen.
Größenmarker
Ein Größenmarker oder eine DNA-Ladder ist ein Gemisch aus DNA-Fragmenten bekannter Länge. Er läuft in einer eigenen Spur neben der Probe und dient als Maßstab für die Größenabschätzung.
So wertest du ein einfaches Gel aus:
- Finde die Starttaschen und bestimme die Wanderrichtung.
- Suche im Marker die Banden mit bekannten Fragmentlängen.
- Vergleiche die Position einer Probenbande mit den Markerbanden.
- Formuliere das Ergebnis als Abschätzung, nicht als exakte Messung.
- Prüfe erst danach das gesamte Muster und vorhandene Kontrollen.
Im Marker liegen Banden bei 1000, 700 und 400 Basenpaaren. Eine Probenbande liegt auf gleicher Höhe wie die 700-Basenpaar-Bande. Du schätzt ihre Länge daher auf ungefähr 700 Basenpaare. Daraus folgt noch nicht, dass beide Fragmente dieselbe Basenfolge besitzen: Das Gel zeigt hier vor allem eine ähnliche Länge.
Auch die Bandenintensität liefert nur begrenzte Information. Eine kräftigere Bande kann auf mehr DNA dieser Fragmentlänge hindeuten. Die Menge lässt sich daraus jedoch nur ungefähr abschätzen.
Wie arbeiten PCR und Gelelektrophorese zusammen?
PCR und Gelelektrophorese erfüllen verschiedene Aufgaben. Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt einen ausgewählten DNA-Abschnitt. Die Gelelektrophorese vervielfältigt nichts: Sie trennt die vorhandenen Fragmente und macht ihr Größenmuster sichtbar.
Ein typischer Zusammenhang ist:
- Die PCR erzeugt viele Kopien des gewünschten DNA-Abschnitts.
- Das PCR-Produkt wird in eine Tasche des Agarosegels gegeben.
- Die Fragmente werden im elektrischen Feld getrennt.
- Das Bandenmuster wird mit Marker und Kontrollen verglichen.
Kontrollen helfen, ein Ergebnis vorsichtig zu beurteilen:
- Eine Positivkontrolle sollte die erwartete Bande zeigen. Dann ist erkennbar, dass der Ablauf grundsätzlich funktionieren konnte.
- Eine Negativkontrolle enthält keine Ziel-DNA und sollte keine entsprechende Bande zeigen. Eine Bande dort warnt vor Verunreinigung oder einer anderen Fehlerquelle.
Erwartet wird ein PCR-Produkt von ungefähr 700 Basenpaaren. Die Positivkontrolle zeigt eine Bande bei 700 Basenpaaren, die Negativkontrolle keine Bande und die Probe ebenfalls eine Bande bei 700 Basenpaaren. Das Ergebnis passt zu einem PCR-Produkt der erwarteten Länge. Es beweist aber noch nicht allein, dass die Basenfolge korrekt ist.
Welche Schlüsse sind erlaubt – und welche nicht?
Ein Gel liefert Messdaten in Form von Positionen, Banden und Intensitäten. Die Deutung muss zur Fragestellung passen.
Begründete Schlüsse sind zum Beispiel:
- Ein sichtbares Fragment liegt ungefähr in einem bestimmten Größenbereich.
- Ein PCR-Produkt hat die erwartete Länge.
- Zwei Proben zeigen an den betrachteten Stellen ähnliche oder unterschiedliche Bandenmuster.
- Eine stärkere Bande kann auf eine größere DNA-Menge hindeuten.
Zu weit gehende Schlüsse sind zum Beispiel:
- Gleiche Bandenposition bedeutet sicher gleiche Basenfolge.
- Ein ähnliches Muster beweist allein die Identität einer Person oder eine Verwandtschaft.
- Die Bandenintensität liefert ohne weitere Auswertung eine exakte DNA-Menge.
- Typische Laufzeit oder Spannung gilt für jedes Gel und jedes Gerät gleich.
Geräte, Gel, Puffer, Spannung, Laufzeit und Fragmentbereich beeinflussen die Trennung. Angaben wie 45 bis 120 Minuten oder Faustregeln zur Spannung gehören deshalb immer zu bestimmten Bedingungen und sind keine allgemeingültigen Rezepte.
DNA-Farbstoffe und die Lichtquelle erfordern passende Sicherheitsmaßnahmen. Ethidiumbromid und UV-Licht werden in den Ausgangsdaten genannt; zugleich gibt es Farbstoffe, die mit blauem oder blaugrünem Licht angeregt werden können. Die praktische Durchführung gehört deshalb in ein angeleitetes Labor mit festgelegter Sicherheitsausstattung.
Kannst du ein Kontrollgel auswerten?
Du siehst vier Spuren eines gedachten Gels:
- Marker: Banden bei 1000, 700 und 400 Basenpaaren
- Positivkontrolle: eine Bande bei 700 Basenpaaren
- Negativkontrolle: keine Bande
- Probe: eine Bande bei 700 Basenpaaren
Beantworte drei Fragen:
- Hat die Trennung grundsätzlich funktioniert?
- Gibt es in der Negativkontrolle einen sichtbaren Hinweis auf Verunreinigung?
- Was darfst du über die Probe sagen?
Lösung: Die Positivkontrolle zeigt die erwartete Bande; der Ablauf konnte also grundsätzlich funktionieren. In der Negativkontrolle ist keine Bande sichtbar, daher liefert sie keinen sichtbaren Hinweis auf Ziel-DNA oder Verunreinigung. Die Probenbande liegt beim 700-Basenpaare-Marker. Das Fragment hat somit ungefähr die erwartete Länge. Seine genaue Basenfolge ist damit nicht bewiesen.
Nun ändert sich nur ein Befund: In der Negativkontrolle erscheint ebenfalls eine Bande bei 700 Basenpaaren.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Gelelektrophorese
- Trennprinzip: Negative DNA wandert zur Anode; kurze Fragmente wandern weiter.
- Auswertung: Marker schätzen Fragmentlängen; Kontrollen sichern die Deutung.
- Aussagegrenzen: Gleiche Position ist nicht gleiche Sequenz; Intensität zeigt Mengen nur ungefähr.
- Zusammenspiel: PCR vervielfältigt; das Gel trennt und kontrolliert Größen.