Polymerase-Kettenreaktion

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 4. September 2026

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Die Polymerase-Kettenreaktion stellt ein Verfahren aus der Molekularbiologie dar, das Abschnitte aus dem genetischen Material (Desoxyribonukleinsäure, DNA) vervielfältigt. Aus kleinsten DNA-Mengen werden Millionen identischer Kopien hergestellt. Auf diese Weise liegen Mengen vor, die für verschiedene Untersuchungen ausreichend sind.

Was ist die Polymerase-Kettenreaktion?

Die Polymerase-Kettenreaktion stellt ein Verfahren aus der Molekularbiologie dar, das Abschnitte aus dem genetischen Material (Desoxyribonukleinsäure, DNA) vervielfältigt.

Der Begriff Polymerase-Kettenreaktion (englisch: Polymerase Chain Reaction, PCR) beschreibt die in vitro (lateinisch: im Glas) Umsetzung mit Hilfe eines Enzyms, der Polymerase (DNA Polymerase), die zur Vervielfältigung bestimmter Gen-Sequenzen führt. Dabei ist das Produkt der Reaktion gleichzeitig Ausgangsmaterial für einen neuen Zyklus dieser Reaktion. Die Anzahl der Moleküle verdoppelt sich, und die Kopien dienen gleichzeitig als Vorlage für einen neuen Zyklus. Man spricht von einer exponentiellen Vervielfachung.

Sie läuft im Labor mit großer Geschwindigkeit ab, ähnlich einer Kettenreaktion; ein einzelner Zyklus dauert nur wenige Minuten. Bei diesem Laborverfahren wird die unter natürlichen Bedingungen vorkommende Verdopplung der Erbinformation (DNA) während der Replikation nachgeahmt. Der amerikanische Chemiker K. B. Mullis gilt als Entdecker dieses Verfahrens. Im Jahre 1983 führte er dieses DNA-Syntheseverfahren ein und erhielt zehn Jahre später den Nobelpreis für Chemie.

Der Reiz des Verfahrens liegt in seiner Arithmetik. Weil sich die Zahl der Kopien in jedem Zyklus verdoppelt, wächst sie nicht gleichmäßig, sondern potenziert: Nach zehn Zyklen liegt der gesuchte Abschnitt rund tausendfach vor, nach zwanzig Zyklen bereits etwa millionenfach. Deshalb genügen wenige Ausgangsmoleküle, um innerhalb weniger Stunden eine Menge zu erzeugen, die sich messen, sichtbar machen und weiterverarbeiten lässt. Gegen Ende eines Laufs verlangsamt sich die Vermehrung allerdings, weil Bausteine und Enzym aufgebraucht sind und die bereits entstandenen Stränge einander behindern. Die Kurve flacht ab und geht in eine Sättigung über, sodass die Menge am Ende nichts mehr darüber aussagt, wie viel Material zu Beginn vorhanden war.

Eine entscheidende Voraussetzung schuf erst ein Enzym aus einem hitzeliebenden Bakterium. In den ersten Versuchen musste die Polymerase nach jedem Erhitzungsschritt neu zugegeben werden, weil die Hitze sie zerstörte. Mit der Polymerase aus dem in heißen Quellen lebenden Bakterium Thermus aquaticus, nach ihm Taq-Polymerase genannt, stand ein Enzym zur Verfügung, das die hohen Temperaturen der Denaturierung übersteht und über den gesamten Lauf hinweg arbeitsfähig bleibt. Erst dadurch ließ sich die Reaktion in einem einzigen geschlossenen Gefäß automatisieren. Das dafür gebaute Gerät, der Thermocycler, durchläuft das eingestellte Temperaturprogramm selbsttätig und beliebig oft.

Damit wurde aus einer aufwendigen Handarbeit ein Routineverfahren. Die Polymerase-Kettenreaktion gehört heute zur Grundausstattung nahezu jedes molekularbiologischen Labors und steht am Anfang vieler weiterer Techniken: Bevor ein Abschnitt des Erbguts Buchstabe für Buchstabe gelesen, in ein anderes Erbgut eingefügt oder auf eine bestimmte Veränderung hin geprüft werden kann, muss er in ausreichender Menge vorliegen. Genau diese Menge liefert die Polymerase-Kettenreaktion.

Funktion, Wirkung & Ziele

Diese Abschnitte umfassen in der Regel nicht mehr als dreitausend Basenpaare, im Vergleich zu zirka zweimal drei Milliarden Basenpaaren pro Körperzelle des Menschen. Für die Polymerase-Kettenreaktion wird eine einzel- oder doppelsträngige DNA-Kette benötigt, deren Struktur wenigstens teilweise bekannt sein muss. Neben dem Enzym, der Polymerase, kommen zwei Primer zum Einsatz. Dabei handelt es sich um kurze DNA-Abschnitte, die als Start- und Endpunkt fungieren. Sie zeichnen sich durch eine Sequenz aus, die genau zu dem zu amplifizierenden Bereich passt.

Im Labor wird die Polymerase-Kettenreaktion in einem programmierbaren Heizblock durchgeführt. Die notwendigen Komponenten wie Polymerase, Primer, die Bausteine, um den neuen Strang aufzubauen (Desoxyribonucleosidtriphosphate) und Magnesium-Ionen werden in einer Pufferlösung zusammengegeben. Das Temperatur-Zeit-Programm für die Reaktion startet mit der Denaturierung bei einer Temperatur oberhalb von 94 °C. Dabei wird die doppelsträngige DNA gespalten und liegt einzelsträngig vor. Im nächsten Schritt, bei etwa 50 bis 65 °C, wird der Primer an die Gensequenz gebunden und bildet den Startpunkt für die Enzymreaktion. Die Polymerase synthetisiert von hier aus den komplementären Strang. Diese Verlängerung läuft bei etwa 72 °C ab, der Arbeitstemperatur der hitzestabilen Polymerase.

Im Anschluss beginnt ein neuer Zyklus, wieder bestehend aus den drei Schritten Denaturierung, Primerbindung und Synthese des DNA-Stranges. Anwendung findet die Polymerase-Kettenreaktion in der Rechtsmedizin, der klinischen Diagnostik und in der klinischen Forschung. In der Kriminalistik wird DNA aus der Haut, dem Speichel, aus Haaren, Sperma oder Blut von Tatorten gewonnen und nach der Amplifikation mit bekannten Proben verglichen und zur Identifizierung bestimmter Personen eingesetzt.

Mit Hilfe dieses genetischen Fingerabdrucks kann in einem modifizierten Ansatz auch die Vaterschaft geklärt werden. Bei der Aufklärung von Krankheiten werden mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion die betroffenen Gene verifiziert. Einige bakterielle Erkrankungen lassen sich über die Erkennung spezifischer Sequenzen klassifizieren. Viruserkrankungen können charakterisiert werden, wenn die Virus-DNA oder die RNA umgewandelt und amplifiziert wird. Im Blutspendedienst gelingt es, zu einem sehr frühen Zeitpunkt Hepatitis- oder HIV-Infektionen zu entdecken.

In der Tumordiagnostik findet sie Anwendung bei der Identifizierung von Tumorzellen. Damit lässt sich der Tumor klassifizieren, der Verlauf der Erkrankung, der Therapieerfolg und die Prognose beurteilen. In der Forschung wird die Polymerase-Kettenreaktion genutzt, um Gene zu identifizieren, die mit den verschiedenen Krankheiten im Zusammenhang stehen. Für das Klonieren von Genen, was nicht mit dem Klonieren eines Organismus gleichzusetzen ist, wird das Gen vervielfältigt, bevor es in einem Vektor (lateinisch: Reisender, Träger) auf andere Organismen übertragen wird. Diese können als Modell fungieren, um Krankheiten besser zu studieren, oder zur Herstellung von Eiweißen, die als Arzneimittel verwendbar sind.

Von der ursprünglichen Form haben sich zahlreiche Abwandlungen abgeleitet, die jeweils eine bestimmte Schwäche des Grundverfahrens ausgleichen. Die Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion erweitert es auf RNA. Da die Polymerase nur an DNA arbeitet, wird die RNA zunächst mit einem eigenen Enzym, der reversen Transkriptase, in eine dazu passende DNA umgeschrieben; diese dient dann als Vorlage. Auf diesem Weg lassen sich Erreger nachweisen, deren Erbmaterial aus RNA besteht, und es lässt sich beurteilen, welche Gene in einer Zelle gerade abgelesen werden.

Die Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion verlegt die Messung in den laufenden Vorgang. Statt am Ende ein Gel zu betrachten, wird nach jedem Zyklus ein Lichtsignal erfasst, das mit der Menge des entstandenen Produkts zunimmt. Aus der Zahl der Zyklen, nach der dieses Signal einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, lässt sich zurückrechnen, wie viel Ausgangsmaterial in der Probe vorhanden war. Damit wird aus einem Nachweisverfahren ein Messverfahren, das etwa die Menge von Viren im Blut über den Verlauf einer Behandlung hinweg verfolgen kann. Weil sich die gebräuchlichen Abkürzungen der Echtzeitvariante und der Variante mit reverser Transkription ähneln, werden beide im Alltag häufig verwechselt, obwohl sie Verschiedenes bezeichnen und oft gemeinsam angewendet werden.

Bei der Multiplex-Polymerase-Kettenreaktion laufen mehrere Primerpaare in einem Ansatz nebeneinander, sodass ein Durchgang gleichzeitig auf mehrere Ziele prüft. Bei der verschachtelten Variante folgt auf einen ersten Lauf ein zweiter mit Primern, die innerhalb des zuerst erzeugten Abschnitts binden; das erhöht die Empfindlichkeit, vergrößert aber zugleich die Gefahr einer Verschleppung. Bei der digitalen Variante wird der Ansatz in sehr viele winzige Teilvolumina aufgeteilt, in denen jeweils nur wenige oder gar keine Zielmoleküle liegen; ausgewertet wird dann nicht die Stärke des Signals, sondern die Zahl der positiv ausgefallenen Teilvolumina.

In der Krankenversorgung hat das Verfahren die Erregerdiagnostik verändert. Wo früher die Anzucht auf einem Nährboden über Tage abgewartet werden musste, genügt heute vielfach der Nachweis eines für den Erreger kennzeichnenden Abschnitts. Das gilt für Bakterien, die sich nur schwer oder gar nicht anzüchten lassen, etwa die Erreger der Tuberkulose oder einer Infektion mit Chlamydien, ebenso wie für Viren. Wie sehr die Methode die Versorgung inzwischen prägt, zeigte sich bei COVID-19, wo der Nachweis des viralen Erbmaterials zum Bezugsmaßstab der Diagnostik wurde. Auch eine Antibiotikaresistenz lässt sich auf diesem Weg erkennen, indem gezielt nach den dafür verantwortlichen Abschnitten gesucht wird. Bei einer Blutvergiftung und bei Infektionen abwehrgeschwächter Patienten fällt der Zeitgewinn besonders ins Gewicht.

Ähnlich breit ist der Einsatz in der Diagnostik nicht übertragbarer Erkrankungen. In der Humangenetik dient die Polymerase-Kettenreaktion dazu, eine bekannte Veränderung in einem Gen sichtbar zu machen, etwa bei der Abklärung einer Mukoviszidose. In der Krebsmedizin werden mit ihrer Hilfe Veränderungen bestimmt, an denen sich die Wahl der Behandlung ausrichtet; nach abgeschlossener Therapie lässt sich damit außerdem eine sehr kleine Restmenge von Tumorzellen aufspüren, wie es bei einer Leukämie üblich ist. In der Fortpflanzungsmedizin gehört sie zu den Techniken der Polkörperdiagnostik, mit der einzelne mütterliche Anlagen vor der Befruchtung geprüft werden.

Risiken & Gefahren

Vollkommen unbekannte Sequenzen lassen sich nicht durch dieses Verfahren vermehren. Die Produkte einer Amplifizierung lassen sich anschließend visualisieren. Ist das erwartete Signal nicht sichtbar, obwohl die gesuchte Sequenz vorhanden war, liegt ein falsch negatives Resultat vor. Am häufigsten ist das die Folge von nicht oder schlecht optimierten Reaktionsbedingungen. Diese müssen in Abhängigkeit von der Zielsequenz ermittelt werden. Dazu werden unterschiedliche Temperatur- und Zeitprofile, Primer-Sequenzen und -mengen sowie Konzentrationen weiterer Stoffe im Reaktionsgemisch getestet. Falsch positive Ergebnisse zeigen sich als Signale, die nicht dem gewünschten Produkt zuzuordnen sind.

Große Probleme bereiten Verunreinigungen mit DNA, die vom Untersucher oder aus einer anderen als der zu analysierenden Quelle stammen. Auch DNA bakterieller Herkunft beeinflusst das Resultat einer Polymerase-Kettenreaktion. Durch das Tragen von Handschuhen und große Sorgfalt lassen sich solche Fehler verhindern und zuverlässige Aussagen zu den amplifizierten Produkten formulieren. Zusätzlich gehören Ansätze ohne Probenmaterial als Negativkontrolle zum Standard, damit Verunreinigungen erkannt werden.

Eine besonders schwer zu beherrschende Fehlerquelle ist das Verfahren selbst. Ein abgeschlossener Lauf hinterlässt eine sehr große Zahl von Kopien genau jenes Abschnitts, nach dem gesucht wird. Gelangen davon auch nur winzige Mengen als feiner Tröpfchennebel, über Geräte oder über Arbeitsflächen in einen neuen Ansatz, so wird das Gesuchte vermehrt, ohne dass es je in der Probe war, und das Ergebnis fällt fälschlich positiv aus. Laboratorien begegnen dem durch räumliche Trennung: Das Zusammenstellen der Reagenzien, das Einbringen der Probe und die Arbeit mit den fertigen Produkten finden in getrennten Bereichen mit eigenem Gerät statt, und die Arbeitsrichtung führt nie zurück. Daneben stehen chemische Verfahren zur Verfügung, mit denen sich Produkte früherer Läufe vor dem Start eines neuen Ansatzes gezielt zerstören lassen.

Umgekehrt kann ein Ansatz versagen, obwohl das Gesuchte vorhanden ist. Manche Bestandteile der Probe hemmen die Polymerase; dazu zählen unter anderem Blutfarbstoff, Gallenbestandteile und Zusätze aus dem Entnahmeröhrchen. Deshalb wird häufig eine zusätzliche, in jeder Probe vorhandene Sequenz mitgeführt. Bleibt deren Signal aus, ist die Reaktion gehemmt und das Ergebnis nicht verwertbar. Neben dieser Kontrolle und dem Ansatz ohne Probenmaterial gehört ein Ansatz mit bekanntem Material zum festen Bestandteil eines Laufs, weil sonst offenbliebe, ob ein fehlendes Signal auf die Probe oder auf den Ansatz zurückgeht.

Eine dritte Gruppe von Fehlern entsteht nicht im Labor, sondern davor. Wird das Material an der falschen Stelle, zu früh oder zu spät im Verlauf einer Erkrankung gewonnen, kann das gesuchte Erbmaterial dort schlicht nicht vorhanden sein; ein negatives Ergebnis schließt die Erkrankung dann nicht aus. Auch Transport und Lagerung wirken sich aus, weil vor allem RNA rasch zerfällt.

Eine eigene Schwierigkeit liegt schließlich in der Deutung des Befundes. Die Polymerase-Kettenreaktion weist Erbmaterial nach, nicht einen lebenden oder vermehrungsfähigen Erreger. Nach einer überstandenen Infektion können Reste des Erbmaterials noch längere Zeit nachweisbar bleiben, ohne dass daraus eine ansteckende oder behandlungsbedürftige Lage folgt. Umgekehrt sagt der bloße Nachweis nichts darüber, ob der gefundene Keim die vorliegenden Beschwerden verursacht oder nur mitbesiedelt. Gerade wegen ihrer hohen Empfindlichkeit verlangt die Methode eine Einordnung in das klinische Bild; für sich genommen trägt der Laborwert die Diagnose nicht.

Auch die Auswahl der Primer entscheidet über die Aussagekraft. Passt eine Primersequenz nicht nur auf den gesuchten Abschnitt, sondern auch auf einen ähnlichen an anderer Stelle des Erbguts, entstehen Nebenprodukte, die das Bild verfälschen. Verändert sich umgekehrt ein Erreger gerade an der Stelle, an der ein Primer binden soll, kann der Nachweis ausfallen, obwohl der Erreger vorhanden ist. Aus diesem Grund stützen sich Nachweise häufig auf zwei voneinander unabhängige Zielabschnitte, deren gleichzeitiges Versagen unwahrscheinlicher ist.

Ein letzter Gesichtspunkt betrifft nicht die Technik, sondern den Umgang mit dem Ergebnis. Untersucht wird Erbmaterial, das über die gestellte Frage hinaus Auskunft geben kann und das immer auch Angehörige betrifft. Genetische Untersuchungen am Menschen sind deshalb an die Einwilligung der untersuchten Person und, je nach Fragestellung, an eine vorherige Beratung gebunden; für die Aufbewahrung und die Weitergabe der Daten gelten besondere Anforderungen. Für die Anwendung in der Genetik und in der Rechtsmedizin ist zudem geregelt, zu welchem Zweck ein Befund überhaupt erhoben und verwendet werden darf.

Quellen

• Alberts, B., Heald, R., Johnson, A., et al.: Molekularbiologie der Zelle.
  ISBN: 9783527353644

• Neumeister, B., Geiss, H. K., Braun, R. W., Kimmig, P. (Hrsg.): Mikrobiologische Diagnostik.
  ISBN: 9783137436027

• Fuchs, G. (Hrsg.): Allgemeine Mikrobiologie.
  ISBN: 9783132434776

• Modrow, S., Truyen, U., Schätzl, H.: Molekulare Virologie.
  ISBN: 9783662617809

• Murken, J., Grimm, T., Holinski-Feder, E., Zerres, K. (Hrsg.): Taschenlehrbuch Humangenetik.
  ISBN: 9783132416871

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