Artenkenner – molekulargenetische Bestimmung von Tierarten über das DNA-Barcoding

Was ist DNA-Barcoding?

Der DNA-Barcode oder auch Barcode-of-Life ist eine molekularbiologische Methode zur eindeutigen Bestimmung einer Art. Die Produkte im Supermarkt können an der Kasse eindeutig durch einen Strichcode identifiziert werden. Die Lebewesen dieser Erde tragen ihren Strichcode in der DNA. Sie können über die Abfolge der Nukleotide bestimmter DNA-Abschnitte identifiziert werden.

Welcher DNA-Abschnitt wird für den DNA-Abschnitt untersucht?

Zur Identifikation einer Tierart wird das CO-I-Gen (Cytochrome c oxidase subunit I) untersucht. Es handelt sich hierbei um ein mitochondriales Gen, welches in allen Tierarten vorkommt. Die Abfolge der Basen ist in jeder Tierart unterschiedlich, jedoch bei den Individuen einer Art gleich. So lässt sich mithilfe dieses DNA-Abschnitts eine Art eindeutig identifizieren.

Warum untersucht man mitochondriale DNA?

Da jede Zelle eine Vielzahl von Mitochondrien und damit vergleichsweise mehr mtDNA als genomische DNA enthält, besteht eine höhere Chance diese zu isoliert. Sie wird des Weiteren nur maternal vererbt, weshalb die Allele schneller fixiert werden. Eine weitere wichtige Eigenschaft der mtDNA ist, dass sie eine relativ hohe und konstante Mutationsrate besitzt sowie, dass Rekombinationen ausgeschlossen werden können. Dadurch kann der Stammbaum deutlich leichter rekonstruiert werden als anhand der genomischen DNA.

Welche Bedeutung hat das DNA-Barcoding für die Biologie?

DNA-Barcoding ermöglicht es auch Arten zu unterscheiden, die aufgrund ihrer Morphologie nicht zu unterscheiden sind. Umgekehrt lässt sich so beweisen, dass Individuen mit unterschiedlichem Aussehen dennoch einer Art angehören können (z.B.: beim Sexualdimorphismus).

Wie funktioniert die Sequenzierung?

Die bekannteste Methode ist Sanger-Sequenzierung oder auch Kettenabbruch-Methode genannt. Hier katalysiert eine DNA-Polymerase den komplementären DNA-Strang zum zu sequenzierenden DNA-Abschnitt. Entscheidend ist, dass der DNA-Polymerase sowohl die gewöhnlichen Nukleotide (dNTPs) wie auch modifizierte Nukleotide (ddNTPS) zur Verfügung gestellt werden. Den modifizierten ddNTPs fehlt am C3-Atom der Ribose die Hydroxygruppe. Diese Hydroxygruppe ist jedoch notwendig, um über die Phosphodiesterbindung eine Verbindung zum nächsten Nukleotid herzustellen. Wird ein ddNTP in den komplementären DNA-Strang eingebaut bricht die Synthese des Doppelstrangs an dieser Stelle ab, da keine weiteren Nukleotide hinzugefügt werden können.

Damit die Sequenzierung gelingt müssen dNTPs und ddNTPs in einem bestimmten Verhältnis vorhanden sein. Der Zufall entscheidet darüber, ob die DNA-Polymerase einen modifizierten oder ein gewöhnliches Nukleotid einbaut. Die Polymerase produziert dadurch zahlreiche DNA-Schnipsel, mit einem Längenunterschied von jeweils einem Nukleotid. Diese Längenunterschiede werden durch Elektrophorese-Verfahren aufgetrennt.

Um den Basencode zu bestimmen, gibt es unterschiedliche Ansätze. In unserem Erklärvideo werden die modifizierten ddNTPs jeder Nukleinbase mit unterschiedlichen Fluoresenzfarbstoffen markiert. Heutzutage gibt es weitaus schnellere Verfahren, die die Sanger-Methode abgelöst haben. Diese sind jedoch bioinformatisch zu komplex, um sie hier in Kürze darzustellen.

Welches Vorwissen und welche Vorkenntnisse benötigen Schüler*innen?

• Notwendige praktische Vorkenntnisse
  • Erste Erfahrungen mit Mikropipetten sind empfehlenswert, aber nicht zwingend notwendig
• Inhaltliches Vorwissen
  • Molekularer Aufbau der DNA
  • Funktionsprinzip der PCR
  • Optimal: Vorwissen zum Sequenzieren

Zur Durchführung eines Versuchsansatzes werden folgende Materialien benötigt: