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DNA-Schnipsel-Jagd auf Verbrecher

Von Hans-Jörg Müllenmeister

Kein Verfahren seit Einführung des Fingerabdrucks vor gut 100 Jahren hat die Forensik so revolutioniert wie der „genetische Fingerabdruck“. Ein Fallbeispiel: Am Tatort hinterließ der Mörder unbemerkt seine biologische Visitenkarte: ein paar winzige Hautschüppchen. Ein Gentest − fachmännisch eine DNA-Typisierung − genügte, um ihn als Täter eindeutig zu identifizieren. Der oft zitierte „Gentest“ trifft nicht den Sachverhalt. Man testet nämlich keine Gene, sondern nur Längenunterschiede bestimmter „genfreier“ DNA-Abschnitte, also DNA-Schnipsel. Sie enthalten keine codierende Erbinformation, auch keine Bauanleitungen für Proteine, wie sie die Gene enthalten.

Das Riesenmolekül DNA

Ehe wir die spannende DNA-Schnipseljagd antreten, werfen wir kurz einen ehrfürchtigen Blick auf das Urwunder des Lebens: das DNA-Riesenmolekül, das Genom des Menschen. Riesig ist es deswegen, weil dieser „Lebensfaden“ im Zellkern die unglaubliche Länge von über 1,8 Meter ergäbe – könnte man das Knäuel entwirren. Die Gesamtzahl unserer Körperzellen beträgt rund 10.000.000.000.000. (10.000 Milliarden) Im Zellkern sitzt die Erbinformation (DNA) und kodiert sämtliche Aufgaben und Stoffe, die die Zelle erfüllen oder produzieren kann. In der Zelle liegen die Baupläne niedergeschrieben und bilden die Bibliothek des Lebens. Wie Perlen auf einer Schnur aufgereiht, finden sich da etwa sechs Milliarden Basenpaare. Das zweifache Kettenmolekül (Polymer) schraubt sich wie eine Doppelwendelleiter (Doppelhelix) um die eigene Achse. Damit erhöht es seine Stabilität. Der Helix-Durchmesser misst nur etwa 0,000.000.000.0002 Meter. Die DNA besteht aus zwei gleich langen Polynukleotid-Strängen. Die Sprossen dieser Wendelleiter bilden die Basen der Nukleotide. Auf ihr sind die Gene wie ein Buchstaben-Code aufgereiht, vergleichbar mit den Buchstaben, die in diversen Abfolgen verschiedene Wörter ergeben.

Genauer betrachtet, bestehen jede dieser Sprossen aus einem Basenpaar: aus Adenin und Thymin bzw. aus Guanin und Cytosin. Diese Basen verschlüsseln unsere gesamte genetische Information. Drei aufeinander folgende Basen bilden ein „Codewort“ für die Zelle. Diese Codewörter setzt die Zelle dann aus kleinsten Eiweißbestandteilen, den Aminosäuren zusammen. Sie steuern Zellaufbau und Funktion der Zelle.

Das Nukleotid – das Gen

Jedes Nukleotid hat die Bestandteile: Phosphorsäurerest, Zucker, (genauer Desoxyribose) sowie Nukleobasen (Adenin, Thymin, Cytosin oder Guanin). Das Gen kann man auch als Merkmalsanlage betrachten, denn es repräsentiert ja eine bestimmte Erbanlage, etwa die Augenfarbe. Diese Erbinformationen sind durch spezielle Basenabfolgen (Nukleotid-Sequenz) verschlüsselt. Die DNA ist bei neutralem pH-Wert ein negativ geladenes Molekül. Diese negativen Ladungen sitzen auf den Phosphaten im „Rückgrat“ der Stränge. Übrigens ist das überhaupt der Grund, warum man gewonnene DNA-Schnipsel der Größe nach sortieren kann. Bestimmte Abschnitte des DNA-Fadens mit stets gleichen Gen-Bausteinen, den sogenannten Minisatelliten, sind auf dem Genstrang jedes Menschen nach einem jeweils anderen Muster verteilt.

Die Abfolge der Basen in dem DNA-Molekül sind codiert für verschiedene Proteine oder Enzyme. Die meisten Menschen haben gleiche oder ähnliche Proteine. Nur einige wenige Prozent des gesamten Genoms sind dafür codiert. Der Rest der DNA sind Sequenzen, deren tiefere Bedeutung man noch nicht genau durchschaut. Der Clou ist aber, dass sich hier die Verschiedenheit zwischen den Individuen ausdrückt. Eine besonders hohe Variabilität haben wiederholende Sequenzen, die meist über das gesamte Genom verteilt sind. Entscheidend daran ist, dass man diese Sequenzen bei allen Menschen an verschiedenen Orten (Loki) im Genom findet.

Neues vom Erbgut: es ist nicht starr, es wandelt es sich ständig

Der genetische Prozess hat viele Freiheitsgrade. Nichts ist vorbestimmt in diesem offenen System. Genauer betrachtet, gleicht kein Zelltyp exakt dem anderen. Jede Zelle ist ein eigenes genetisches Universum. Bisher nahm man an, dass sich das Erbgut zweier beliebiger Menschen nur in etwa im Promillebereich aller DNA-Bausteine unterscheidet. Aber in nahezu jedem zweiten Gen stießen die Forscher bereits auf Unterschiede zwischen den mütterlichen und väterlichen Genkopien: Ganze Abschnitte der Erbmoleküle waren z.B. in neuer Reihenfolge eingebaut oder gar verschwunden. In der Tat durchlaufen zahlreiche Erbinformationen einen Kopierprozess im Zellkern und existieren dort mehrfach kopiert. Auch Umweltbedingungen, so genannte epigenetische Prozesse, können sich im Erbgut niederschlagen, selbst eineiige Zwillinge sind nicht, wie bisher angenommen, perfekte identische Kopien voneinander.

Birgt die „Junk-DNA“ ein Geheimnis?

Besitzt unser Erbgut sogar eine Art dunkle Materie? Verbirgt diese sich in jenem Teil des Erbguts, den die Biowissenschaftler bisher als „Junk-DNA“, als evolutionären Schrott apostrophieren? Inzwischen stellte sich nämlich heraus, dass diese nicht-kodierten „Bio-Mülltüten“ des Genoms wichtige biologische Funktionen erfüllen. Offenbar verbirgt sich in ihnen der gesamte hochkomplexe Steuerungsapparat, der die Aktivität der Gene reguliert und koordiniert. Das sind erstaunliche über 90% des gesamten Erbguts.

Stotter“-Muster im Erbgut

Wie gesagt, wissenschaftlich heißen jene kurzen mehrfach wiederholten Sequenzen Minisatelliten. Das sind „Muster ohne Wert“, aber unverwechselbar Orte der Individualität: Kern der forensischen Untersuchung zur Identifizierung möglicher Täter oder zur Analyse von Verwandtschaftsverhältnissen (Vaterschaftstest). Auf verschiedene dieser „informationslosen“ Abschnitte, den Introns haben es die Biologen abgesehen, denn ihre Längen sind von Mensch zu Mensch verschieden. Innerhalb dieser Abschnitte gibt es viele verschiedene sog. VNTR-Loci oder STR-Gene. Sie bestehen aus Wiederholungen derselben kurzen Basensequenz. Diese Stotter-Sequenzen sind unterschiedlich lang, da die Anzahl der Stottersilben in einem STR-Gen bei verschiedenen Menschen unterschiedlich groß ist.

Das spezifische Stottern ist es, was man also zur Identifizierung einer DNA-Probe heranzieht. Schon sehr kleine Mengen reichen aus für einen genetischen Fingerabdruck. Bei extrem kleinen Spuren aus Blut, Speichel oder Sperma, muss man die DNA zunächst vervielfältigen. Dieses biochemische Kopieren übernimmt die Polymerase-Kettenreaktions-Methode (PCR). Der Erfinder Kary Banks Mullis, erhielt dafür 1993 den Chemie-Nobelpreis. Für den genetischen Fingerabdruck reichen heute Minispuren von 5 bis 10 µg DNA aus, etwa die Blutspur an einem Glassplitter. Folgende Verfahrensschritte führen schrittweise zum „genetischen Fingerabdruck“:

·       isolieren der DNA aus den Zellen,

·       reinigen und anreichern,

·       bestimmte DNA-Abschnitte separieren,

·       auftrennen der DNA-Stücke nach Größe.

Zur Isolierung der DNA benötigt man Zellen in denen Zellkerne enthalten sind. Übrigens kommen rote Blutkörperchen dafür nicht infrage, denn sie enthalten keinen Zellkern. Ansonsten ist es unerheblich, welche Sekrete oder Gewebe vorliegen. Die DNA wird aus jedem Zelltyp mit einem spezifischen Verfahren gewonnen.

Reinigung und Anreicherung der DNA

Der wässrige Extrakt wird mit organischen Lösungsmitteln, etwa mit Chloroform vermischt. Verunreinigungen und Proteine verbleiben in der organischen Phase, da sie „wasserscheu“ (hydrophob) sind. Der wasserlösliche, also hydrophile Anteil lässt sich nach dem Zentrifugieren aus der DNA-haltigen Lösung mit der Pipette abschöpfen.

Aufschneiden der DNA

Die DNA liegt als hochmolekularer Doppelstrang vor. Das Aufschneiden an spezifischen Erkennungsstellen übernimmt eine biochemische Schere. Das sind so genannte Restriktionsenzyme, die bestimmte Sequenzen in der DNA erkennen und dann den Doppelstrang an dieser bestimmten Stelle schneiden. Damit erhält man Fragmente verschiedener Länge. Diese Schnittstellen sind meist 4 bis 8 Nukleotide lang.

Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

Diese „Kopierstraße“ für Erbinformationen liefert zahlreiche, identische Kopien der gesuchten Abschnitte, die von ganz spezifischen Startsequenzen eingerahmt sind. Diese Startsequenzen markiert ein sogenannter Primer. Mit einem wohldosierten biochemischen Cocktail und gezieltem Erwärmen und Abkühlen erreichen die Biochemiker, dass sich der Doppelstrang der DNA auftrennt. Das zugegebene Enzym Polymerase bewirkt anschließend, dass jeder dieser Einzelstränge wieder zu einem Ganzen ergänzt wird – das Gen-Material hat sich dann verdoppelt. Die Prozedur kann man wiederholen und so viele Kopien gewinnen.

Gel-Elektrophorese: das Auftrennen des DNA-Fragment-Gemischs

Das Verfahren trennt die gemischten, unterschiedlich langen DNA-Fragmente nach ihrer Größe auf. Nun frag ich Sie, ob Sie noch wach sind, wenn Sie das folgende Fachchinesisch lesen:

Die Wanderungsgeschwindigkeit ist bei der Elektrophorese proportional zur Feldstärke und zur Ionenladung, umgekehrt proportional zum Teilchenradius und zur Viskosität des Stoffes“.

Stattdessen stellen Sie sich den Sortiervorgang besser bildlich so vor wie einen Pferde-Parcours. Am Start (Minus-Pol) stehen in ihren Startboxen (Gel-Taschen) unbekannte Pferde verschiedener Rasse (DNA-Schnipsel) − vom Ackergaul bis zum Rennpferd. Das Ziel ist der Pluspol. Beim Läuten der Startglocke (Stromkreis geschlossen), peitscht eine Gleichspannung von etwa 200 V die Gäule, also die unterschiedlichen DNA-Fragmente über den Gel-Parcours. Der ist mikroskopisch klein gelöchert wie ein Schweizer Käse. Klar, dass zierliche, kleine Vierfüßer (Moleküle) schneller unterwegs sind. Korpulente Ackergäule tun sich schwerer, überhaupt die engen Löcher zu passieren im vernetzten Agarose-Gel. Viele von ihnen bleiben auf der Strecke. Übrigens während des Rennens laufen außen vor „Normpferde“ zur Eichung mit − also DNA-Fragment bekannter Länge. So lassen sich nach dem Rennen im Gel exakt die Längen der in den Proben enthaltenen DNA-Stücke bestimmen.

Sichtbarmachen des Streifenmusters (genetischer Fingerabdruck)

Bis zu diesem Augenblick ist der genetische Fingerabdruck nichts als ein milchiger Lappen, denn DNA ist farblos. Danach zerlegt man den Doppelstrang mit einer alkalischen Lösung in Einzelstränge. Eingebrachte biochemische Sonden lassen daraus komplementäre Basenpaare entstehen: die Sonden lagern sich an die repetitive Sequenz (Hybridisierung). Um später diese Sequenz wieder zu erkennen, markiert man die Sonde meist mit einem radioaktiven Stoff. Die Stellen an denen sich die Sonden angelagert haben, lassen sich nachweisen: Man legt einen Röntgenfilm auf das Gel. Dort wo sich der radioaktive Marker, und damit die Sonde befinden, schwärzt sich der Röntgenfilm. Es entsteht ein Sonden-spezifisches Bandenmuster. Das Resultat ist eine Art Streifenmuster, ein Strichcode: jeder Streifen entspricht einem DNA-Fragment bestimmter Länge. Der „genetische Fingerabdruck“ ist am Ende der Prozedur nichts anderes als eine Zahlentabelle.

Die forensische Praxis

Ihr Debüt hatte die forensische DNA-Analyse 1986 in England. In Deutschland wurde das Verfahren erstmals 1988, als Beweis in einem Strafprozess, vor Gericht anerkannt. Man kann von einer Zuverlässigkeit von mehr als 99,999 Prozent ausgehen. Für den genetischen Fingerabdruck werden derzeit zwischen 8 und 15 Abschnitte aus der DNA betrachtet. Das Bundeskriminalamt in Wiesbaden hat in seiner DNA-Datenbank Untersuchungsergebnisse in Form von jeweils 16 Zahlen gespeichert, die den acht untersuchten Gen-Orten zugeordnet sind. Mit der seit 1998 an Verdächtigen oder verurteilten Gewaltverbrechern vorgenommenen DNA-Analyse wurden laut BKA bisher über 18.000 Straftaten aufgeklärt. Mittlerweile existieren an die 400.000 Datensätze. Die Kosten für die DNA-Typisierung liegen bei 100 bis 200 Euro.

In der Fachliteratur ist die Rede von einer Wahrscheinlichkeit von 4 zu 100.000.000.000, dass zwei Personen das gleiche Bandenmuster haben; bei Verwandten liegt sie immer noch unter 4 zu 100.000. Nur bei eineiigen kriminellen Zwillingen scheitert das Verfahren. Noch! Allein sie hätten die Chance nach einer Straftat, nicht durch ihren genetischen Fingerabdruck individuell erwischt zu werden. Provokant gefragt: Wie viele von diesen unerkannten eineiigen Zwillingen gibt es wohl in unserem Banken-Unwesen? Genügend, denn viele Bankster gleichen sich wie ein Ei dem anderen. Zumindest in ihren kriminellen Taten.