Thermocycler (PCR)

Mit den Biometra Thermocyclern bieten wir Ihnen eine ausgewogene Auswahl von PCR-Geräten für unterschiedlichste Applikationsanforderungen.
Alle Biometra Thermocycler wurden für höchste Qualitäts- und Leistungsansprüche  entwickelt und werden in Deutschland nach diesen Maßstäben produziert. Neben den bedienungsfreundlichen Thermocyclern sorgt eine optionale Thermocycler-Management-Software für effiziente und GMP-gerechte, komfortable Laborarbeit. 
Damit Sie sich über Jahre auf Ihre PCR-Ergebnisse verlassen können, unterstützt Sie neben unserem applikativen Support auch unser technischer Service mit verschiedenen Leistungsangeboten und einem eigens entwickelten hochgenauen Temperaturmesssystem.

PCR-Thermocycler

Zur Durchführung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) kommen heute Thermocycler zum Einsatz. Diese Geräte sind in der Lage, die verschiedenen Phasen der PCR selbständig und automatisch zu durchlaufen. Analytik Jenas Produktportfolio umfasst eine Vielzahl von PCR-Thermocyclern für verschiedenste Anforderungen und Anwendungen. Für Labore, die vorwiegend Geräte für  Standard-PCR-Applikationen benötigen, eigenen sich die leistungsstarken Thermocycler der Biometra-Reihe ideal. 

Geschichte und Grundlagen der PCR

Es ist etwas umstritten, wer genau für die Entwicklung der PCR verantwortlich ist. Der Norweger Kjell Kleppe kam bereits in den 1970er Jahren auf die Idee, DNA mit Hilfe von Primern – Marker für spezifische DNA-Sequenzen – zu amplifizieren. Allerdings erhielt die Idee erst 1983 durch den Biochemiker Kary Mullis so richtig Auftrieb. Mullis entwickelte ein Verfahren zur Synthetisierung von DNA durch zyklische Verdopplung unter Zuhilfenahme des Enzyms Polymerase. Die Polymerase sorgt in Zellen während des Teilungsvorgangs für die Verdopplung der DNA und kommt in allen Organismen vor. Dazu bindet sie sich an einen DNA-Strang und synthetisiert mittels eines Primers einen komplementären Strang. Mullis griff dieses natürliche Prinzip auf und stellte es künstlich im Labor nach, um das Erbgut von E. coli Bakterien zu vervielfältigen. Er erhitzte die DNA dazu bis auf 96°C, bis sie in Einzelstränge zerfiel und kühlte sie danach wieder ab. Der Vorgang musste mehrfach wiederholt werden, um eine ausreichende Amplifikation zu erreichen. Das Verfahren war noch sehr ineffizient und die Polymerase von  E. coli musste immer wieder, mit jedem Heizzyklus, erneut hinzugefügt werden, da sie bei hohen Temperaturen nicht stabil war. Die grundlegende Funktionsweise konnte jedoch dargestellt werden. 1993 erhielt Mullis dafür den Nobelpreis. In den Anfängen der PCR wurden noch Wasserbäder zum Erhitzen und Abkühlen verwendet, was den gesamten Prozess sehr langwierig und ungenau machte. Inzwischen existieren mit den PCR-Thermocyclern technologisch anspruchsvolle Lösungen, die schnelle und präzise Ergebnisse liefern. Entscheidend für den Durchbruch des PCR-Verfahrens war auch der Einsatz von thermostabilen DNA-Polymerasen, die auch Temperaturen von um die 100 °C widerstehen können und dabei nicht denaturieren. Diese Polymerasen werden meist aus Thermophilen gewonnen – speziellen Bakterien oder Archaeen.

Aufbau eines PCR-Thermocyclers

Das zentrale Bauelement eines PCR-Thermocyclers ist der Heizblock. Dieser kann mit Mikroreaktionsgefäßen bestückt werden, deren Anzahl sich nach den üblichen Formaten für Mikrotiterplatten richtet – meist von 8 bis 384, je nach Durchsatzbedarf. Um Verdunstungen zu verhindern, wurden die Gefäße bei frühen Modellen mit einem Sealing (Versiegelung) aus Mineralöl versehen. Heute wird Verdunstungen mit beheizbaren Deckeln entgegengewirkt. Der Heizblock sorgt für das gleichmäßige Erhitzen und Abkühlen der Gefäße. Moderne Thermocycler verfügen über eine Gradientenfunktion, die das Temperieren besonders schonend skalieren kann. Das technologische Grundprinzip des Heizblocks ist der Peltier-Effekt. Durch das Umkehren der Stromrichtung zwischen zwei Halbleitern wird hier zwischen Heiz- und Kühlphase gewechselt. Ein PCR-Thermocycler kann so sehr schnell die für die PCR benötigten Temperaturen zwischen 4°C und 96°C erreichen.

Prozess der PCR mit Hilfe eines Thermocyclers

Die PCR, also die Amplifikation (Vervielfältigung) der Nukleinsäuren, läuft in den Mikroreaktionsgefäßen des Thermocyclers ab. In der Regel werden Volumina zwischen 10 und 100 µl genutzt. Zur Durchführung der PCR werden neben der zu amplifizierenden DNA zusätzliche Reagenzien und Materialien benötigt: 1. Zwei Primer, die den Start- und Endpunkt des zu synthetisieren DNA-Abschnitts markieren, 2. DNA-Polymerase zur Replikation der DNA, 3. Desoxyribonukleosidtriphosphate, die Bausteine des synthetisierten DNA-Abschnitts, 4. Mg²⁺-Ionen zur Stabilisierung der Anlagerung von Primern und 5. Pufferlösungen, die optimale chemische Bedingungen für die Reaktion gewährleisten.

Der PCR-Prozess besteht aus vierwesentlichen Schritten: Zunächst muss die Polymerase bei der initialen Denaturierung bei hoher Temperatur aktiviert werden, darauf folgen die eigentlichen, sich wiederholenden PCR-Zyklen. Es folgt die Denaturierung, d.h. durch Erhitzen werden die DNA-Doppelstränge in Einzelstränge aufgespalten. Bei Temperaturen um die 95°C werden die Wasserstoffbrückenbindungen, die die Doppelhelix zusammenhalten, gespalten. Danach folgt das Annealing, auch Primerhybridisierung genannt. In dieser Phase werden die Reaktionsgefäße heruntergekühlt, um die Anlagerung der Primer zu ermöglichen – meist zwischen 55 und 65°C. Ist die Temperatur zu hoch, besteht die Gefahr, dass die Primer nicht richtig andocken. Ist die Temperatur zu niedrig, ist es möglich, dass die Primer sich auch an nicht spezifischen DNA-Sequenzen anlagern. Gewöhnlich richtet sich die Annealing-Temperatur daher nach der Sequenz und Länge der Primer. Die dritte und letzte Phase ist die Elongation, in der die Polymerase neue DNA-Stränge bildet.

Die PCR-Zyklen werden so lange wiederholt, bis die gewünschte Menge an Ziel-DNA oder -RNA amplifiziert wurde. Der Nachweis erfolgt bei der Standard-PCR in der Regel über ein Elektrophoreseverfahren. Die amplifizierte DNA wird hierbei meist auf ein Agarosegel aufgetragen, an das eine Spannung angelegt wird. Kurze DNA-Sequenzen wandern dann schneller  zum Pluspol, als lange. Mit Hilfe einer DNA-Leiter kann dann die gesuchte DNA-Sequenz auf dem Gel identifiziert werden. Jedoch lassen sich so nur Aussagen darüber treffen, ob die gesuchte DNA vorhanden ist oder nicht. Für die Quantifizierung der Ziel-DNA wird daher die qPCR (quantitative Real-time PCR) genutzt. Sie ermöglicht auch einer Überwachung des Amplifikationsprozesses in Echtzeit.

Industrien und Applikationen für PCR-Thermocycler

PCR-Thermocycler haben heute vielfältigste Anwendungsgebiete. Durch die Corona-Pandemie ist das PCR-Verfahren vor allem für den Nachweis von Krankheitserregern bekannt geworden. Die Diagnostik von Viren und Bakterien ist ein Hauptanwendungsgebiet der PCR. Sie liefert hier tagtäglich valide Nachweise und Datengrundlagen, damit Ärzt*innen und anderes medizinisches Personal informierte Entscheidungen treffen können. PCR-Thermocycler stehen in nahezu jedem medizinischen, veterinärmedizinischen oder klinischen Labor auf der ganzen Welt. Neben der Diagnostik hat die PCR jedoch noch viele weitere Applikationen. In der Lebensmittelindustrie etwa ist die PCR ein Standardverfahren für Herkunftsanalysen bestimmter Lebensmittel und ihrer Zutaten. Je nach Herkunftsregion weisen Produkte wie beispielsweise Wein andere genetische Merkmale auf. Das Klima und die Umwelt einer Region hinterlassen über Jahrtausende genetische Spuren, die sich via PCR nachweisen lassen. Eng damit verknüpft ist das Thema Food Fraud – die Deklaration falscher Inhaltsstoffe in einem Lebensmittel. Hier werden PCR-Thermocycler schon sehr lange von Kontrolllaboren zur Überprüfung von Herstellerangaben eingesetzt. Stammt ein Wein tatsächlich aus Frankreich wie vom Hersteller angegeben? Ist ein Lebensmittel tatsächlich 100 Prozent vegan oder halal? Derartige Fragen lassen sich eindeutig mit der PCR klären. Dabei können auch geringste Spuren von pflanzlicher oder tierischer DNA nachgewiesen werden. Die Umweltanalytik ist ein weiteres Anwendungsfeld, das in letzter Zeit immer mehr Bedeutung gewonnen hat. PCR-Thermocycler werden hier etwa zum Nachweis von Erregern im Abwasser eingesetzt, um ein flächendeckendes Gesundheitsmonitoring und entsprechende Frühwarnsysteme zu etablieren. Natürlich nutzt auch die universitäre Forschung die PCR für verschiedenste Untersuchungen und Analysen. In der Forensik ist die PCR ebenfalls ein etabliertes Verfahren, um genetische Fingerabdrücke, etwa an Tatorten, nachzuweisen.