PCR-Systeme: Funktion, Anwendung und Auswahl

PCR-Systeme sind Laborgeräte, die durch wiederholte, exakt gesteuerte Temperaturzyklen doppelsträngige DNA-Abschnitte in vitro vervielfältigen. Sie bilden die technische Grundlage der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und sind damit ein zentraler Bestandteil molekularbiologischer Arbeitsabläufe – von der Grundlagenforschung bis zur medizinischen Diagnostik. Die Bandbreite reicht von einfachen Endpunkt-Thermocyclern bis zu hochautomatisierten Systemen mit optischer Detektion für die Echtzeit-Analyse.

Die praktische Bedeutung von PCR-Systemen ergibt sich aus ihrer Anwendungsbreite: Sie kommen unter anderem in der DNA-Analytik, der Diagnostik von Infektionskrankheiten, der forensischen Spurenauswertung und der Qualitätskontrolle in der Lebensmittel- und Agrarbranche zum Einsatz. Je nach Fragestellung eignen sich unterschiedliche Gerätetypen – etwa Echtzeit-PCR-Thermocycler für die quantitative Genexpressionsanalyse oder digitale PCR-Systeme für die absolute Quantifizierung ohne Standardkurve.

Auf dieser Seite gelistete Produkte unterscheiden sich unter anderem in Durchsatz, Multiplexing-Fähigkeit, Automatisierungsgrad und Temperaturgenauigkeit. Die folgenden Kapitel erläutern Funktionsprinzip, Gerätetypen, Auswahlkriterien und Anwendungsfelder von PCR-Systemen.

Was ist ein PCR-System?

Ein PCR-System ist ein Gerät, das die Polymerase-Kettenreaktion durch automatisierte Temperaturzyklen durchführt und dadurch spezifische DNA-Abschnitte exponentiell vervielfältigt. Im Kern besteht jeder Zyklus aus drei Temperaturschritten: Bei der Denaturierung wird die DNA auf eine hohe Temperatur erhitzt, wodurch sich der Doppelstrang in zwei Einzelstränge trennt. Beim Annealing sinkt die Temperatur, sodass sich kurze Primer an die komplementären Zielsequenzen anlagern können. In der anschließenden Elongation synthetisiert eine hitzestabile DNA-Polymerase neue Stränge ausgehend von den Primern. Dieser Zyklus wird typischerweise 20- bis 40-mal wiederholt, wodurch sich die Zielsequenz mit jedem Durchlauf verdoppelt.

Moderne PCR-Systeme unterscheiden sich vor allem darin, ob und wie sie die Amplifikation zusätzlich messen. Einfache Thermocycler führen lediglich die Temperaturzyklen aus; Echtzeit-PCR-Systeme sind zusätzlich mit optischen Modulen zur Fluoreszenzanregung und -detektion ausgestattet und ermöglichen so eine Quantifizierung während der laufenden Reaktion. Digitale PCR-Systeme wiederum teilen die Probe vor der Amplifikation in tausende Einzelreaktionen (Droplets oder Kammern) auf und werten diese anschließend einzeln aus, was eine absolute Quantifizierung ohne Referenzkurve erlaubt.

Welche Arten von PCR-Systemen gibt es?

Auf dieser Seite sind Produkte in unterschiedlichen Gerätekategorien vertreten. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Typen sowie Beispielprodukte aus den aktuell gelisteten Systemen:

Echtzeit-PCR-Thermocycler

Echtzeit-PCR-Thermocycler messen die Fluoreszenz während jedes Amplifikationszyklus und erlauben so eine quantitative Auswertung in Echtzeit. Der qTOWER iris von Analytik Jena bietet dafür Multiplexing für bis zu sechs Targets gleichzeitig sowie eine Temperaturhomogenität von ±0,15 °C über den gesamten Heizblock. Der qTOWER³ auto, ebenfalls von Analytik Jena, ist auf Automatisierung ausgelegt und lässt sich mit bis zu vier Real-time-Thermocyclern in ein Liquid-Handling-System integrieren, was den Probendurchsatz erhöht. Der CFX Opus von Bio-Rad Laboratories arbeitet mit einem kalibrierungsfreien optischen System und ermöglicht die Fernüberwachung und -analyse von Läufen.

Digital-Droplet-PCR-Systeme

Digital-Droplet-PCR-Systeme (ddPCR) teilen eine Probe vor der Amplifikation in tausende einzelne Öl-Tröpfchen auf und werten jedes Tröpfchen separat als positiv oder negativ aus, wodurch eine absolute Quantifizierung ohne Standardkurve möglich wird. Die QX700 Serie von Bio-Rad Laboratories verarbeitet 96 bis 384 Proben und bietet 7-Farben-Multiplexing mit unabhängiger Temperaturregelung pro 16-Well-Kartusche. Das QX600 Droplet Digital PCR System, ebenfalls von Bio-Rad Laboratories, ermöglicht eine Multiplex-Genomanalyse mit bis zu zwölf Markern pro Well bei einem 6-Farben-System und einer Reproduzierbarkeit von unter 10 % Variationskoeffizient.

Digital-PCR-Systeme

Digital-PCR-Systeme im weiteren Sinn umfassen neben der Droplet-basierten Methode auch chip- oder kammerbasierte Ansätze zur Partitionierung der Probe. Sie werden insbesondere dort eingesetzt, wo geringe Ausgangsmengen an Nukleinsäure präzise quantifiziert werden müssen, etwa bei der Analyse von zellfreier DNA oder bei seltenen Mutationen.

Wichtige Kriterien bei der Auswahl eines PCR-Systems

Bei der Auswahl eines PCR-Systems sind Kriterien wie Durchsatz, Multiplexing-Fähigkeit, Temperaturgenauigkeit und Automatisierungsgrad entscheidend für die Eignung im jeweiligen Laboralltag. Die folgenden Punkte helfen bei der Einordnung:

• Probendurchsatz: Systeme wie die QX700 Serie von Bio-Rad Laboratories verarbeiten zwischen 96 und 384 Proben pro Lauf, was für Hochdurchsatz-Labore relevant ist. Kleinere Serien mit weniger Proben pro Lauf eignen sich eher für Routineanwendungen mit geringerem Probenaufkommen.
• Multiplexing-Fähigkeit: Die Anzahl gleichzeitig messbarer Farbkanäle bestimmt, wie viele Targets in einem Ansatz parallel nachgewiesen werden können – der qTOWER iris von Analytik Jena deckt bis zu sechs Targets ab, das QX600 Droplet Digital PCR System von Bio-Rad Laboratories bis zu zwölf Marker pro Well.
• Temperaturgenauigkeit und -homogenität: Eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Block, wie sie der qTOWER iris mit ±0,15 °C angibt, wirkt sich direkt auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse aus.
• Automatisierungsgrad: Für Labore mit hohem Probenaufkommen sind Systeme wie der qTOWER³ auto relevant, die sich in automatisierte Liquid-Handling-Umgebungen integrieren lassen.
• Anwendungsspezifische Ausstattung: Für Next Generation Sequencing (NGS) vorbereitende Amplifikationsschritte bieten Geräte wie der Biometra TAdvanced von Analytik Jena austauschbare Blockmodule für unterschiedliche Applikationen.

Die Wahl zwischen einem Echtzeit-PCR-Thermocycler und einem Digital-Droplet-PCR-System hängt zudem davon ab, ob eine relative Quantifizierung über eine Standardkurve ausreicht oder eine absolute Quantifizierung ohne Kalibrierung erforderlich ist.

In welchen Bereichen werden PCR-Systeme angewendet?

PCR-Systeme sind Laborgeräte, die in einer Vielzahl wissenschaftlicher und industrieller Bereiche zur DNA-Vervielfältigung und -Analyse eingesetzt werden. Die Anwendungsfelder reichen von der medizinischen Diagnostik bis zur forensischen DNA-Analyse.

Medizinische Diagnostik und Molekularbiologie

In der Diagnostik werden PCR-Systeme zum Nachweis von Krankheitserregern und genetischen Markern eingesetzt.

• Nachweis viraler und bakterieller Infektionen über spezifische Gensequenzen
• Genexpressionsanalyse zur Untersuchung von Krankheitsmechanismen
• Analyse der Kopienzahlvariation, etwa mit dem QX600 Droplet Digital PCR System von Bio-Rad Laboratories

Forschung und Biotechnologie

In der Grundlagenforschung dienen PCR-Systeme der Vorbereitung und Validierung molekularbiologischer Experimente.

• Amplifikation von DNA-Fragmenten für nachgelagerte Sequenzierung, etwa als Vorbereitung für Next Generation Sequencing mit dem Biometra TAdvanced von Analytik Jena
• Genexpressionsstudien mit Echtzeit-PCR-Thermocyclern wie dem qTOWER iris von Analytik Jena
• Klonierung und Mutationsanalysen

Lebensmittel- und Agrarindustrie

In der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln kommen PCR-Systeme zum Nachweis gentechnisch veränderter Organismen und zur Authentizitätsprüfung zum Einsatz.

• GVO-Tests mit kalibrierungsfreien Systemen wie dem CFX Opus von Bio-Rad Laboratories
• Erregernachweis in Lebensmittelproben
• Speziesidentifikation zur Betrugsprävention

Automatisierte Hochdurchsatz-Analytik

Für Labore mit hohem Probenaufkommen sind automatisierbare Systeme relevant, die sich in bestehende Laborworkflows integrieren lassen. Für diesen Einsatzzweck kommen unter anderem folgende Produkte infrage: der qTOWER³ auto von Analytik Jena, der sich mit bis zu vier Real-time-Thermocyclern in ein Liquid-Handling-System einbinden lässt, sowie die QX700 Serie von Bio-Rad Laboratories für die Verarbeitung von 96 bis 384 Proben je Lauf.

FAQs zu PCR-Systemen

Wie unterscheidet sich ein Echtzeit-PCR-Thermocycler von einem digitalen PCR-System?

Ein Echtzeit-PCR-Thermocycler misst die Fluoreszenz während jedes Zyklus und ermöglicht eine relative Quantifizierung über eine Standardkurve. Ein digitales PCR-System teilt die Probe vor der Amplifikation in tausende Einzelreaktionen auf und erlaubt dadurch eine absolute Quantifizierung ohne Referenzkurve, beispielsweise mit dem QX600 Droplet Digital PCR System von Bio-Rad Laboratories.

Wie oft muss ein PCR-System kalibriert werden?

Der Kalibrierungsbedarf hängt vom optischen System des jeweiligen Geräts ab. Einige moderne Systeme, wie der CFX Opus von Bio-Rad Laboratories, sind laut Produktbeschreibung mit einem kalibrierungsfreien optischen System ausgestattet, während andere Systeme eine regelmäßige Überprüfung der Temperaturhomogenität und Fluoreszenzdetektion vorsehen.

Welche Probenvorbereitung ist für ein PCR-System notwendig?

Vor dem Einsatz eines PCR-Systems müssen DNA- oder RNA-Proben extrahiert, aufgereinigt und mit Primern, Nukleotiden sowie einer hitzestabilen Polymerase in Reaktionsgefäße pipettiert werden. Die genaue Zusammensetzung des Reaktionsansatzes richtet sich nach der jeweiligen Anwendung und dem verwendeten Gerätetyp.

Wie lange dauert ein typischer PCR-Lauf?

Ein einzelner Temperaturzyklus besteht aus Denaturierung, Annealing und Elongation und dauert je nach Gerät und Protokoll wenige Sekunden bis mehrere Minuten. Da ein vollständiger Lauf typischerweise 20 bis 40 Zyklen umfasst, ergibt sich eine Gesamtdauer, die stark vom Automatisierungsgrad und der Heiz-/Kühlgeschwindigkeit des jeweiligen Systems abhängt.

Welche PCR-System-Typen eignen sich besonders für die Quantifizierung seltener Mutationen?

Für den Nachweis seltener Mutationen oder geringer Kopienzahlen eignen sich digitale PCR-Systeme, da sie durch die Aufteilung der Probe in einzelne Partitionen eine hochsensitive, absolute Quantifizierung ermöglichen, wie sie beispielsweise bei der QX700 Serie von Bio-Rad Laboratories mit ihrem 7-Farben-Multiplexing zum Einsatz kommt.

Abschließende Zusammenfassung

PCR-Systeme automatisieren die Temperaturzyklen der Polymerase-Kettenreaktion und ermöglichen dadurch eine präzise Vervielfältigung und teils gleichzeitige Quantifizierung von DNA-Abschnitten. Die auf dieser Seite gelisteten Produkte umfassen Echtzeit-PCR-Thermocycler, Digital-Droplet-PCR-Systeme und Digital-PCR-Systeme, die sich in Durchsatz, Multiplexing-Fähigkeit und Automatisierungsgrad unterscheiden. Je nach Anforderung – von der qualitativen Genexpressionsanalyse bis zur absoluten Quantifizierung seltener Zielsequenzen – kommen unterschiedliche Systemtypen in Betracht. Eine sorgfältige Prüfung von Temperaturgenauigkeit, Probendurchsatz und Integrationsfähigkeit in bestehende Laborabläufe erleichtert die Entscheidung für ein geeignetes Gerät.