DNA-Isolation

Einleitung

Vor einiger Zeit schon bin ich auf die Seiten des Genetic Science Learning Center der University of Utah gestoßen, vor allem durch deren Podcast BioBits. Auf diesen Seiten findet sich auch eine Anleitung, wie man relativ einfach aus etwas lebendem die DNA extrahieren kann, und das Ganze vor allem daheim, in der eigenen Küche. Da ein Leser/Hörer jetzt hier im Forum die Frage gestellt hat, wie man denn aus Zellen die DNA gewinnen kann, dachte ich mir, dass dies ein guter Anlass sei, das mal selbst in der Küche auszuprobieren und damit die Kategorie Küchenexperimente, und vor allem das Blog selbst, einzuweihen. In dieser Kategorie wird es von Zeit zu Zeit immer wieder mal kleinere Experimente und Versuche geben, die man ganz einfach auch daheim nachmachen kann.

Die Theorie

Die DNA einer Zelle befindet sich ja im Zellkern. Der Zellkern ist, wie die Zelle selbst, von der Zellmembran umgeben. Wie andere Biomembranen besteht sie hauptsächlich aus Lipiden und Proteinen.

(Quelle: Wikipedia (900x736 Pixel); GNU-Lizenz für freie Dokumentation)

Die Lipide haben einen hydrophilen (Wasser anziehend, in Wasser löslich) Kopf und einen lipophilen (Fett anziehend, in Fett löslich) Schwanz. Da sich die Lipide ja in einer wässrigen Umgebung befinden, bilden sie eine Doppelschicht, oder besser gesagt eine Doppellipidschicht, bei der die lipophilen Schwänze zueinander zeigen, und die hydrophilen Köpfe zu der wässrigen Umgebung.

(Quelle: Wikipedia; GNU-Lizenz für freie Dokumentation)

Um also an die DNA einer Zelle zu kommen, muss man erst mal an einzelne Zellen kommen, von diesen die Biomembranen der Zellen selbst und ihrer Zellkerne zerstören, und anschließend aus den ganzen Inhaltsstoffen die DNA herauspicken. Und das soll man wirklich in der eigenen Küche schaffen? Ja! Das ist in der Tat gar nicht so schwer!

Die Zutaten

Diese Geräte und Zutaten braucht man:

• Verschiedene "Reaktionsgefäße"
• DNA-Quelle
• Mixer
• Wasser
• Salz
• Spülmittel
• Das Enzym Papain
• Alkohol

Hier alles noch einmal in der Übersicht:

Die meisten Zutaten finden sich wohl in den meisten Haushalten. Schwierig könnte es mit dem Alkohol und dem Papain (was Papain genau ist wird weiter unten erklärt). Als Alkohol sollte man laut der Anleitung entweder Isopropyl-Alkohol oder Ethanol verwenden (bekommt man in Apotheken, 100 ml bekommt man für ein paar Euro). Es geht aber auch handelsüblicher Spiritus. Auf jeden Fall sollte der Alkohol einen Alkoholanteil von mindestens 70% aufweisen. Je mehr desto besser. Was man als "DNA-Ausgangsquelle" nimmt ist relativ egal. In meinem Fall wurden Tomaten verwendet.

1. Schritt: Mix it!

Zunächst mal muss man also an die einzelnen Zellen rankommen, das bedeutet, man muss sie aus ihren Zellverbänden lösen. Dazu verwendet man am besten einen handelsüblichen Mixer. In diesen schmeisst man die DNA-Quelle, streut eine Prise Salz darüber und gießt etwas Wasser dazu. Dann mixt man das Ganze schön durch, bis man eine schöne "Suppe" hat. Für meine zwei Tomaten habe ich 200 ml Wasser genommen, es hätten aber wahrscheinlich auch nur 100 ml oder sogar weniger gereicht, wie sich später herausgestellt hat. Bei der Wassermenge muss man immer ein wenig schauen, wieviel Wasser das Ausgangsmaterial schon enthält, und die Wassermenge dementsprechend etwas anpassen.

2. Schritt: Membranen zerstören

So, höchstwahrscheinlich hat man jetzt noch etwas größere Brocken in seiner Suppe. Diese Brocken filtert man raus, indem man die Suppe einfach durch ein feines Küchensieb fließen lässt. Jetzt muss man die Zellmembranen und die Kernmembranen der Zellen in dem Filtrat zerstören. Dies erreicht man mit einem Detergens. Detergenzien (waschaktive Substanzen) setzen zum einen die Oberflächenspannung von Wasser herab und binden vor allem Fette, weshalb sie eben in Reinigungsmitteln enthalten sind. Durch die ähnliche chemische Struktur der Detergenzien und der Lipide in den Biomembranen, können Detergenzien die Membranen "aufbrechen", indem sie sich mit den Lipiden zu Kugeln (Micellen) zusammenlagern. So wird der Inhalt der Zellen und der Zellkerne freigegeben.

(Micelle; Quelle: Wikipedia)

Ein Detergens, was man normalerweise immer zuHause hat, ist normales Spülmittel. Davon gibt man nun etwas zu der gefilterten Suppe und schwenkt bzw. rührt das Ganze gut um. Ich habe in meinem Versuch 15 ml eines Spülmittelkonzentrats zugegeben.

Damit das Spüli seine Arbeit tun kann, muss man jetzt ca. 10 Minuten warten. Während dieser Zeit kann man das Gemisch öfter mal ein wenig schwenken, oder die Tomatenreste aus dem Mixer kratzen ;-)

3. Schritt: DNA abtrennen

Nachdem die Membranen beseitigt wurden hat man nun ein Gemisch aus Proteinen, Kohlenhydraten und eben DNA in seiner Suppe. Die DNA ist im Zellkern um bestimmte Proteine, die sogenannten Histone gewickelt. Da man ja nur die DNA extrahieren will, muss man diese Proteine irgendwie loswerden. Das macht man mit Enzymen, die diese Proteine zerschneiden. Ein solches eiweißspaltendes Enzym (Peptidase) ist zum Beispiel Papain, das in großen Mengen in den Kernen von Papayafrüchten vorkommt. Aufgrund seiner Wirkung wird es als Zartmacher für Fleisch verwendet. "Fleischzartmacher" findet man in größeren Supermärkten bei den Gewürzen, und die Menge des darin enthaltenen Papains reicht für unseren Versuch vollkommen aus. Einfach eine Prise, oder eine Messerspitze, davon in das Reagenzglas schütten und ganz vorsichtig umrühren! Die DNA-Moleküle liegen als langer Strang vor (insgesamt ca. 1,8 Meter pro Zelle!), und wenn man nun zu sehr rührt, dann reißen diese Stränge auseinander und man hat nur noch kleine DNA-Fetzen, die man anschließend nicht mehr so gut sehen kann. Jetzt hat man zwar die DNA von den Histonen befreit, aber wie kann man die jetzt aus diesem Gemisch in dem Reagenzglas herausfischen? Das kann man ganz einfach erreichen, indem man nun vorsichtig Alkohol in das Reagenzglas gibt. Dazu das Glas etwas schief halten und den Alkohol langsam einfliessen lassen.

Da der Alkohol eine geringere Dichte hat als Wasser, schwimmt er auf diesem (wenn man ihn langsam und vorsichtig hinzugibt zumindests). Wenn man alles richtig gemacht hat, kann man deutlich zwei Phasen in dem Gläschen erkennen. Unten das Wasser mit dem Zellgemisch, oben der reine Alkohol. Es sollte nicht lange dauern, dann geht die DNA von der Wasserphase in die Alkoholphase über. Durch die Zugabe des Alkohols wird die Hydrathülle um die DNA verdrängt und das Molekül wird so destabilisiert. Dadurch fällt die DNA aus und bewegt sich in die alkoholische Phase. Man nennt diesen Vorgang auch Präzipitation. Je nachdem wie viel DNA in eurem Gläschen ist, könnt ihr sie mehr oder weniger deutlich als längliche Fäden (normalerweise weiß, durch die Farbstoffe der Tomaten in diesem Fall rötlich) erkennen. Oft sind auch kleine Luftbläschen dabei, dann geht der Aufstieg der DNA in die Alkoholphase auch schneller. Mit einem Holzspieß kann man nun die DNA aufwickeln. Sie hat eine schleimige, ja gelartige, Konsistenz.

Nachbetrachtung

In meinem Versuch mit den Tomaten habe ich wohl am Anfang zu viel Wasser in den Mixer gegeben. Da die Tomaten selber schon viel Wasser enthalten, war meine Suppe nach dem Sieben sehr dünn, es war also nicht viel DNA enthalten. Daher müsst ihr ein wenig ausprobieren wie viel Wasser ihr beim Mixen zugeben müsst. Am besten ist es, wenn man durch die gefilterte Suppe nicht hindurchschauen kann. Bei meiner Tomatensuppe konnte man das allerdings ohne Probleme. Ich hab das Ganze dann auch noch mit zwei Zwiebeln gemacht. Im ersten Versuch mit den Tomaten hatte ich Isopropyl-Alkohol (70%) aus der Apotheke verwendet. Da den aber wahrscheinlich nicht jeder zuhause hat, habe ich es bei den Zwiebeln mal mit Spiritus (94%) probiert, den vielleicht mehr Leute daheim haben. Damit ging es fast noch besser, wahrscheinlich deshalb, weil er weniger Wasser als der Isopropyl-Alkohol enthielt. Auch hier habe ich aber wohl zu viel Wasser erwischt, allerdings war meine Ausbeute bei den Zwiebeln doch höher, als bei den Tomaten.

Ihr könnt das ja selber mal ausprobieren und ein wenig rumspielen. Ich übernehme aber keine Haftung für kaputte Mixer, verwüstete Küchen, oder Ähnliches, und Kinder sollten das nicht ohne ihre Eltern machen ;-) Und alle Geräte und Produkte, dich ich verwendet habe, gibt es natürlich auch von anderen Herstellern ;-) Welche Wege es gibt DNA auf professionelle Weise im Labor zu isolieren, ist zum Beispiel hier im Rahmen einer Facharbeit beschrieben. Kommentare zu diesem Beitrag könnt ihr in unser Forum schreiben.