Genetischer Fingerabdruck einfach erklärt: DNA & Auswertung

Ein Einbrecher flieht in der Nacht. Er hat keine Fingerabdrücke hinterlassen und niemand hat ihn gesehen. Doch am Fensterrahmen hängt ein einziges, winziges Haar. Für die Polizei ist dieser Fall damit so gut wie gelöst!

Wie kann ein einziges Haar einen Täter überführen? In fast jeder Zelle unseres Körpers tragen wir einen unsichtbaren, einzigartigen Code: unsere DNA. In diesem Artikel lernst du, wie Wissenschaftler aus winzigen Spuren wie Haaren, Speichel oder Hautschuppen einen sogenannten genetischen Fingerabdruck erstellen und damit nicht nur Verbrecher jagen, sondern auch Familiengeheimnisse lüften.

Vorwissen

• Die DNA: Der Bauplan des Lebens befindet sich im Zellkern. Sie besteht aus komplementären Basenpaaren (A paart sich mit T, G paart sich mit C). Beispiel: Wenn ein Strang die Sequenz $\text{A-T-G}$ hat, hat der gegenüberliegende Strang die Sequenz $\text{T-A-C}$.
• Vererbung: Jeder Mensch erbt genau die Hälfte seiner genetischen Information von der Mutter und die andere Hälfte vom Vater. Beispiel: Von deinen 46 Chromosomen stammen 23 von deiner Mutter und 23 von deinem Vater.

Aufgabentyp 1: Grundlagen und Erstellung des genetischen Fingerabdrucks

Die DNA aller Menschen ist zu über $99 \%$ völlig identisch. Das ist logisch, denn diese codierenden Bereiche enthalten die Baupläne für Dinge, die wir alle haben: zwei Arme, ein Herz, eine Leber. Wenn wir Menschen unterscheiden wollen, nützen uns diese Bereiche also nichts.

Es gibt jedoch große Bereiche in unserer DNA, die keine Baupläne enthalten. Man nennt sie nicht-codierende Bereiche. Hier ist die DNA von Mensch zu Mensch extrem unterschiedlich (hochvariabel).

In diesen Bereichen finden Wissenschaftler ein faszinierendes Phänomen: Kurze Buchstabenfolgen aus 2 bis 7 Basenpaaren wiederholen sich immer wieder direkt hintereinander, wie ein genetisches Stottern. Diese Abschnitte nennt man STRs (Short Tandem Repeats).

Das Geniale daran: Die Anzahl dieser Wiederholungen ist bei jedem Menschen anders! Person A hat die Sequenz AATG vielleicht 4-mal hintereinander, Person B hat sie 7-mal. Untersucht man 8 bis 16 solcher STR-Regionen (sogenannte Marker), erhält man ein Profil, das so einzigartig ist wie ein echter Fingerabdruck.

Wie macht man diese winzigen STR-Wiederholungen sichtbar? Dafür nutzen Biologen einen cleveren Trick im Labor:

1. Ausschneiden: Zuerst wird die DNA aus den Zellen (z. B. aus Speichel oder Blut) geholt. Spezielle Werkzeuge, die sogenannten Restriktionsenzyme, wirken wie winzige molekulare Scheren. Sie schneiden die DNA genau vor und hinter den STR-Bereichen ab.
2. Kopieren (Amplifizieren): Da die Spuren vom Tatort oft winzig sind, werden die ausgeschnittenen STR-Stücke in einer Maschine millionenfach kopiert, damit man genug Material zum Untersuchen hat.
3. Sortieren: Jetzt kommt der wichtigste Schritt. Die DNA-Stücke werden auf ein spezielles Gel gegeben, das wie ein dichter Wald aus Molekülen aufgebaut ist. Dann wird Strom angelegt. Die DNA-Stücke wandern durch das Gel.

Stell dir einen Hindernislauf im Wald vor: Kurze DNA-Stücke (wenige STR-Wiederholungen) sind flink und kommen sehr weit. Lange DNA-Stücke (viele STR-Wiederholungen) bleiben früh hängen. Wenn man das Gel am Ende unter UV-Licht betrachtet, leuchten die sortierten DNA-Stücke als einzigartiges Bandenmuster auf.

Aufgabentyp 2: Bandenmuster auswerten

Wenn du in einer Prüfung ein Bandenmuster (ein Gel) auswerten sollst, gehe immer nach diesem Plan vor:

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Finde heraus, ob ein Kriminalfall oder eine Vaterschaft gesucht wird.
2. Wende bei Kriminalfällen die Regel an: Die Banden des Täters müssen zu $100 \%$ exakt mit der Tatortspur übereinstimmen.
3. Wende bei Vaterschaftstests die Regel an: Jede Bande des Kindes muss entweder bei der Mutter oder beim biologischen Vater zu finden sein.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 0

Aufgabe

Nach einem Banküberfall wurde eine Speichelprobe an einer weggeworfenen Maske gefunden. Die Polizei hat drei Verdächtige. Werte das folgende Bandenmuster aus und bestimme, welcher Verdächtige die Maske getragen hat.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

2 / 2

1. 1
   Schritt 1
   Kriminalfall oder Vaterschaft?

   Es handelt sich um einen Kriminalfall (Tätersuche).

2. 2
   Schritt 2 · Ergebnis
   Regel für Kriminalfälle anwenden

   Wir suchen nach einer $100 \%$-igen Übereinstimmung mit der Spur vom Tatort.

   • Verdächtiger 1 hat ganz andere Banden.
   • Verdächtiger 3 hat zwar zwei gleiche Banden, aber seine oberste Bande passt nicht zur Tatortspur.
   • Verdächtiger 2 hat exakt dasselbe Muster (Banden auf den Positionen 2, 4 und 5) wie die Tatortspur.

Ergebnis:

Verdächtiger 2 hat die Maske getragen, da sein genetischer Fingerabdruck perfekt mit der Tatortspur übereinstimmt.

Beispiel 1

Aufgabe

Eine Frau möchte herausfinden, wer der biologische Vater ihres Kindes ist. Es gibt zwei mögliche Kandidaten (Mann A und Mann B). Werte das Bandenmuster aus und bestimme die Vaterschaft.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

2 / 2

1. 1
   Schritt 1
   Kriminalfall oder Vaterschaft?

   Es handelt sich um einen Vaterschaftstest.

2. 2
   Schritt 3 · Ergebnis
   Regel für Vaterschaftstests anwenden

   Wir betrachten die vier Banden des Kindes (Positionen 1, 3, 4 und 6).

   • Zuerst suchen wir die Banden der Mutter. Das Kind hat die Banden auf Position 1 und 4 eindeutig von der Mutter geerbt.
   • Die restlichen zwei Banden des Kindes (Position 3 und 6) müssen vom biologischen Vater stammen.
   • Mann A hat zwar eine Bande auf Position 6, ihm fehlt aber die Bande auf Position 3.
   • Mann B besitzt sowohl die Bande auf Position 3 als auch die Bande auf Position 6.

Ergebnis:

Mann B ist der biologische Vater, da er alle väterlichen Banden aufweist, die das Kind benötigt. Das macht biologisch Sinn, da das Kind exakt die Hälfte seiner Marker von der Mutter und die andere Hälfte vom Vater geerbt hat.

Wichtige Erkenntnisse

• Nicht-codierende DNA: Bereiche der DNA ohne Baupläne, die von Mensch zu Mensch extrem unterschiedlich sind.
• STRs: Kurze Buchstabenfolgen (2-7 Basenpaare), die sich stotternd wiederholen. Die Anzahl der Wiederholungen ist bei jedem Menschen einzigartig.
• Das Verfahren: Restriktionsenzyme (Scheren) schneiden die STRs aus. Nach dem Kopieren werden sie im Gel nach Länge sortiert. Kurze Stücke wandern schneller als lange.
• Auswertung: Bei Tätern muss das Muster zu $100 \%$ passen. Bei Kindern stammt das Muster zur Hälfte von der Mutter und zur Hälfte vom Vater.