Wie erklärt man Kindern die Prinzipien eines Nukleinsäuretests?

Liebe Kinder und Mitschüler! Hallo zusammen! Ich bin Li Yongle, ein externer Berater der Beijing Young Pioneers und komme von der Affiliated Middle School der Renmin University of China.

In letzter Zeit wurden bei vielen Kindern zahlreiche Nukleinsäuretests durchgeführt. Wir alle wissen, dass der Zweck von Nukleinsäuretests darin besteht, Menschen zu untersuchen, die mit dem neuen Coronavirus infiziert sind. Aber wissen Sie es? Warum kann man mit einem kleinen Wattestäbchen aus zig Millionen Menschen diejenigen herausfiltern, die das Virus in sich tragen? Heute werde ich Ihnen die Prinzipien der Nukleinsäuretests erläutern.

1. Was ist Nukleinsäure?

Um Ihnen die Prinzipien des Nukleinsäuretests zu erklären, müssen wir zunächst wissen, was Nukleinsäure ist.

Wie wir alle wissen, besteht der menschliche Körper aus vielen Zellen. Zellen haben Zellmembranen, die die Zellen schützen. Es gibt viele Organellen, die verschiedene Funktionen erfüllen können. Es gibt auch einen Zellkern, der eine Substanz namens Chromosomen enthält. Die Chromosomen sind mit einer Doppelhelixstruktur umwickelt, die Desoxyribonukleinsäure oder kurz DNA genannt wird. Wissen Sie, wofür DNA verwendet wird?

Von der Zelle zur DNA

Wenn wir die DNA etwas stärker vergrößern, werden wir feststellen, dass sie aus Nukleotidstücken besteht, genau wie eine Burg aus Ziegelstücken besteht. Es gibt vier Arten von Nukleotiden, die A, T, C und G genannt werden. Und für sie gilt eine Regel: A muss das Gegenteil von T sein, C muss das Gegenteil von G sein. Dies wird als Prinzip der komplementären Paarung bezeichnet. Jeder muss sich dieses Prinzip merken, denn Nukleinsäuretests basieren auf diesem Prinzip.

Desoxyribonukleotidsequenz auf DNA

Obwohl es viele verschiedene Arten von Organismen gibt, werden ihre genetischen Informationen durch diese vier Nukleotide gespeichert. Zum Beispiel: Aus 7 Noten können unzählige schöne Melodien entstehen und aus 26 englischen Buchstaben können auch Shakespeares Meisterwerke entstehen. Verschiedene Anordnungen und Kombinationen der vier Nukleotide A, T, C und G können unterschiedliche genetische Informationen von Organismen darstellen. Die Menschen haben dieser Kombination auch einen Namen gegeben: Gen. Jeder Organismus hat seine eigenen, einzigartigen Gene. Durch Beobachtung der Gene können wir feststellen, um welche Art von Organismus es sich bei seiner DNA handelt.

Neben der Desoxyribonukleinsäure DNA besitzen Organismen auch eine andere Art von Nukleinsäure, die Ribonukleinsäure oder kurz RNA genannt wird. Was bewirkt es?

Da sich die DNA auf Chromosomen befindet und Chromosomen sehr groß sind und nicht aus dem Zellkern herauskommen können, stellt sich die Frage, wie ihre genetische Information ausgedrückt wird. Zellen verwenden DNA als Vorlage, um im Zellkern einzelsträngige RNA zu produzieren. RNA besteht ebenfalls aus vier Nukleotiden. Durch komplementäre Paarung mit der DNA kann es auch genetische Informationen transportieren.

Die winzige RNA kommt dann aus den Kernporen des Zellkerns und findet ein Zellorganell namens Ribosom. RNA weist das Ribosom an, gemäß den Anweisungen der genetischen Information verschiedene Proteine ​​zu produzieren. Proteine ​​sind ein wichtiger Bestandteil unseres Lebens und viele Funktionen in meinem Körper werden von Proteinen ausgeführt.

Von der Synthese von DNA, Messenger-RNA und Proteinen

Aus DNA wird RNA hergestellt, und die RNA leitet dann das Ribosom zur Herstellung von Proteinen. Der gesamte Prozess wird als zentrales Dogma bezeichnet und ist die Kernfunktion der Zelle. Lassen Sie uns eine Analogie ziehen: Wenn die Zelle eine Fabrik ist, dann ist die DNA der Fabrikleiter, der für die Formulierung der Produktionspläne verantwortlich ist. Der Fabrikleiter sitzt jedoch im Büro und kommt nicht so leicht heraus. Er geht nicht direkt in die Werkstatt, um den Arbeitern zu sagen, was sie produzieren sollen, sondern er wird dies über den Werkstattleiter, RNA, mitteilen. Er hört sich zunächst die Anweisungen des Leiters im Büro an und kommt dann in die Produktionswerkstatt, das Ribosom. Unter Anleitung des Werkstattleiters produzieren die Arbeiter in der Werkstatt Proteine. Die Effizienz der Zellproduktion ist sehr hoch. Die Effizienz jedes Unternehmens auf der Welt liegt heute weit hinter der einer Zelle zurück.

Zellfabrik

Nachdem ich das gesagt habe, verstehen Sie? Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren: DNA und RNA, die beide genetische Informationen tragen können. Wir Menschen verwenden DNA als unser wichtigstes genetisches Material und RNA dient als Bote der DNA. Es gibt aber auch einige Viren, die keine DNA besitzen, sondern zur Vererbung direkt RNA verwenden. Das neue Coronavirus ist ein solches Virus. Wenn wir feststellen möchten, ob eine Person das neue Coronavirus hat, müssen wir prüfen, ob in den Zellen dieser Person die dem neuen Coronavirus entsprechende RNA-Sequenz vorhanden ist.

2. Wie sich Nukleinsäuren replizieren

Wenn Dabai jedoch in seine Nase oder seinen Hals sticht, kann er nur sehr wenige Zellen aufnehmen, und wenn doch, ist der Gehalt an Viren sehr gering. Da sich täglich Tausende von Menschen einem Nukleinsäuretest unterziehen, ist es zudem zu schwierig, ein oder zwei Infizierte zu finden. Was sollen wir tun?

Jeder denkt: Es ist sehr schwierig, eine Nadel im Heuhaufen zu finden, aber wenn sich die Nadeln im Heuhaufen vermehren können, wird aus 1 2, aus 2 wird 4, aus 4 wird 8 ... Ich lasse es 40 Mal vermehren, dann wird aus einer Nadel eine Billion Nadeln. Wäre es dann nicht viel einfacher, sie zu finden?

Wenn wir also einen Nukleinsäuretest durchführen möchten, müssen wir zunächst die Replikation der Nukleinsäure des Virus ermöglichen. Wissen Sie, wie der Replikationsprozess von Nukleinsäuren in der Natur funktioniert?

Unsere Zellen teilen sich täglich und wenn sich Zellen teilen, wird ihre DNA repliziert. Wir können uns vorstellen, dass eine Fabrik, wenn sie eine Niederlassung eröffnet, einen weiteren Fabrikleiter ausbilden muss. Eine wichtige Rolle spielen dabei viele biologische Katalysatoren – Enzyme, die mithilfe von Nukleotiden in Zellen neue DNA vermehren können. Man kann sich Enzyme als Werkzeuge vorstellen, wie Schrauben oder Flaschenöffner. Mit diesen Werkzeugen kann aus Nukleotiden DNA gebildet werden. Ohne diese Werkzeuge kann DNA überhaupt nicht repliziert werden, genauso wie Sie eine Getränkeflasche nicht ohne Flaschenöffner öffnen können.

Der spezifische Prozess der DNA-Replikation läuft wie folgt ab:

Zunächst öffnet sich unter der Einwirkung der Helikase die Doppelhelixstruktur der DNA und bildet zwei Einzelstränge.

Helikase entwindet die DNA-Doppelstränge

Anschließend bilden die Nukleotide in der Zelle unter der Einwirkung des Primerenzyms nach dem Prinzip der komplementären Paarung einen kurzen Primer auf der ursprünglichen DNA-Kette. Die Rolle der Grundierung ist sehr wichtig. Es kann den Grundstein für die nachfolgende DNA-Replikation legen, ähnlich wie der Klassenkamerad, der einen Chor anstimmt, oder der Reiseleiter einer Reisegruppe. Ohne Primer kann DNA nicht repliziert werden.

Primerbildung

Dann erschien das dritte Enzym, die DNA-Polymerase. Durch seine katalytische Wirkung werden die Nukleotide in der Zelle nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung hinter dem Primer einzeln miteinander verbunden, um zwei neue DNA-Ketten zu bilden. Es ist, als würden Kinder mit ihren geschickten Händen die Bausteine ​​nach den Zeichnungen Stück für Stück zusammensetzen.

DNA-Replikation

Schließlich gibt es noch etwas namens DNA-Ligase, das die Lücken im neuen Strang repariert, sozusagen eine letzte Kontrolle der Bausteine.

Auf diese Weise entsteht eine neue doppelsträngige DNA. Sie sehen, jetzt werden aus einem Paar DNA-Ketten zwei Paare, wodurch die DNA-Replikation erreicht wird.

Allerdings ist die DNA-Replikationsrate in der biologischen Welt nicht hoch. Nehmen wir beispielsweise die sich am schnellsten teilenden Bakterien: Unter geeigneten Umweltbedingungen teilen sie sich etwa alle 30 Minuten einmal. Wenn die Replikation mit dieser Geschwindigkeit durchgeführt wird, würden 40 Reproduktionen etwa 20 Stunden dauern. Kann dieser Prozess künstlich beschleunigt werden?

Bakterielle Teilung

3. Polymerase-Kettenreaktion

Vor vierzig Jahren erfand ein Wissenschaftler namens Mullis in den USA eine Methode, mit der sich Nukleinsäuren außerhalb von Zellen extrem schnell replizieren ließen. Im Volksmund wird diese Methode Polymerase-Kettenreaktion oder kurz PCR genannt. Dies ist eine sehr wichtige biologische Methode. Wenn Sie einen Biologiestudenten auslachen möchten, weil er nicht gut lernt, können Sie sagen: Er kann nicht einmal eine PCR durchführen. Der aktuelle Nukleinsäuretest verwendet die PCR-Methode.

Mullis

Die spezifischen Schritte der PCR sind:

Erhitzen Sie die Nukleinsäureprobe zunächst 20 bis 30 Sekunden lang auf 94–98 Grad Celsius. Bei hohen Temperaturen denaturiert die DNA, die Doppelhelix entwindet sich und wird zu zwei Einzelsträngen. Sie sehen, dieser Schritt ist identisch mit der Wirkung der Helikase in biologischen Zellen.

Anschließend wird die Probentemperatur für 20 bis 40 Sekunden auf 50–65 Grad Celsius gesenkt, während spezifische Primer hinzugefügt werden. Erinnern Sie sich noch an die Rolle der Primer? Ein Primer ist eine kurze Nukleotidsequenz, die sich nach dem Prinzip der komplementären Paarung an ein bestimmtes Fragment der ursprünglichen DNA anheftet und so die nachfolgende DNA-Replikation einleitet.

Der dritte Schritt besteht darin, die Probentemperatur auf 75 bis 80 Grad Celsius zu erhöhen und genügend Nukleotide und DNA-Polymerase hinzuzufügen. Diese Nukleotide sind wie Bausteine. Nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung haften sie an der Rückseite des Primers der ursprünglichen DNA und bilden so eine neue DNA-Kette.

Abschließend wiederholen Sie diese drei Schritte noch einmal.

Einfach ausgedrückt nutzt die PCR-Methode eine Temperaturkontrolle zur künstlichen Replikation von Nukleinsäuren. Da die Zykluszeit sehr kurz ist, ist die Kopiergeschwindigkeit sehr hoch. Beispiel: Ein normales Huhn legt ein Ei pro Tag. Was sollten wir tun, wenn wir die Legegeschwindigkeit erhöhen möchten? Wir können die Beleuchtung so einstellen, dass es im Hühnerstall 6 Stunden lang Licht gibt und 6 Stunden lang kein Licht. Das Huhn denkt, ein Tag habe 12 Stunden und legt alle 12 Stunden ein Ei.

Ebenso können wir die DNA nach einem Zyklus in nur etwa 4 Minuten replizieren. Wenn wir diesen Zyklus immer wieder wiederholen, kann die DNA immer wieder repliziert werden. Für eine 40-malige Replikation benötigt es nur etwas mehr als 2 Stunden, DNA kann jedoch eine Billion Mal repliziert werden.

Bei der Erfindung der PCR gab es ein Problem. Die Polymerase im dritten Schritt musste temperaturbeständig sein, doch die meisten Enzyme in der biologischen Welt konnten solch hohen Temperaturen nicht standhalten. Was ist zu tun? Glücklicherweise gibt es eine Wissenschaftlerin aus Taiwan, China, namens Qian Jiayun. Sie fand heraus, dass es im Yellowstone-Nationalpark in den USA viele heiße Quellen gibt und dass es in diesen heißen Quellen einige thermophile Bakterien gibt, die bei hohen Temperaturen überleben können. Durch ihre Forschung an diesen Bakterien entdeckte sie eine DNA-Polymerase, die hohen Temperaturen standhält und damit das größte Problem der PCR löste.

Qian Jiayun

IV. Schritte des Nukleinsäuretests

Nachdem wir verstanden haben, was Nukleinsäuren sind, wie sich DNA in Organismen repliziert und welche künstliche PCR-Methode zum Einsatz kommt, können wir nun die Prinzipien des Nukleinsäuretests auf das neue Coronavirus erklären.

Das Coronavirus besitzt eine mit Stacheln bedeckte Proteinhülle – die Schlüssel, die es dem Virus ermöglichen, in unsere menschlichen Zellen einzudringen. Innerhalb der äußeren Hülle befindet sich das genetische Material des Virus – Ribonukleinsäure, die wir gerade RNA genannt haben. Wir wollen lediglich prüfen, ob sich in der Probe die RNA-Sequenz des neuen Coronavirus befindet.

COVID-19-Modell

Nachdem die Probe an das Labor geschickt wurde, löst das Personal dort zunächst mit chemischen Mitteln die Proteinhülle des Virus auf, um die darin enthaltene RNA freizusetzen. Dieser Vorgang wird Lyse genannt. Danach müssen wir Chemikalien zum Waschen hinzufügen und die Probe dann in eine Zentrifuge geben, um die Nukleinsäuren von anderen Verunreinigungen zu trennen. Nach mehreren Schritten können wir relativ reine RNA erhalten.

Lyse, Waschen und Zentrifugieren

RNA ist jedoch instabil und zerbricht leicht und kann nicht direkt durch PCR amplifiziert werden. Daher müssen wir zunächst die RNA-Vorlage verwenden, um die der viralen RNA entsprechende DNA zu kopieren. Dieser Vorgang wird als reverse Transkription bezeichnet. Anschließend wird eine PCR-Amplifikation dieser DNA durchgeführt, die das Virus darstellt.

Herstellung komplementärer DNA aus RNA

Da die Forscher die RNA-Sequenz des Virus bereits kennen, können sie Primer herstellen, die auf die virale Nukleinsäure abzielen. Erinnern Sie sich noch an Grundierungen? Es kann an DNA binden und die DNA-Replikation einleiten. Da dieser Primer auf virale Nukleinsäure abzielt, kann seine Sequenz nur komplementär zur viralen Nukleinsäure sein, sodass er sich nur an virale Nukleinsäure anheften und andere DNA ignorieren kann. Bei der Amplifikation wird nur die Nukleinsäure dieses Virustyps repliziert.

Apropos: Auch unser Land hat in dieser Hinsicht einen Beitrag für die Welt geleistet. Im Januar 2020, als sich das neuartige Coronavirus gerade zu verbreiten begann, veröffentlichte das chinesische Zentrum für Seuchenkontrolle und -prävention (CDC) die Ergebnisse der RNA-Sequenzierung des neuartigen Coronavirus sowie empfohlene Sequenzen zur Herstellung von Primern und gab sie der Welt bekannt.

Als nächstes folgt der PCR-Amplifikationsprozess. Heutige PCR-Geräte sind vollautomatisch. Geben Sie einfach die Probe, Primer, Polymerase und Nukleotide hinein und drücken Sie eine Taste. Die Maschine führt dann automatisch Temperaturerhöhungen und -senkungen durch. Eine Maschine kann 96 Probenröhrchen gleichzeitig testen. Wenn ein Probenröhrchen eine Mischung aus Nukleinsäuren von 10 Personen enthält, können 960 Personen gleichzeitig getestet werden. Wenn der Test jeweils 4 Stunden dauert, kann ein Gerät 5.760 Personen pro Tag testen. Jetzt wissen Sie, dass wir täglich an zig Millionen Menschen Nukleinsäuretests durchführen, nicht wahr?

PCR-Gerät

Denken Sie darüber nach: Wenn die Probe überhaupt keine virale Nukleinsäure enthält, wird es keine Wirkung geben, egal wie oft sie repliziert wird. Wenn die Probe jedoch virale Nukleinsäure enthält, wird die virale Nukleinsäure nach mehreren Replikationen immer mehr. Darüber hinaus kann dieser Unterschied in Echtzeit beobachtet werden, da wir der Probe auch eine fluoreszierende Sonde hinzugefügt haben – eine kurze Nukleotidsequenz, die die beiden Gruppen verbindet.

Fluoreszierende Sonden können kein Licht emittieren

Diese fluoreszierende Sonde kann an virale Nukleinsäure binden und ihre beiden Enden sind mit einer fluoreszierenden Gruppe bzw. einer Löschgruppe verbunden. Wenn die Sonde mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird, kann die fluoreszierende Gruppe der Sonde normalerweise kein Licht emittieren, da die Löschgruppe der fluoreszierenden Gruppe Energie entzieht. Wenn die Sonde jedoch zerlegt und die fluoreszierende Gruppe und die Löschgruppe getrennt werden, emittiert die fluoreszierende Gruppe Licht unter ultraviolettem Licht. Es ist, als ob Sie Geld unter das ultraviolette Licht eines Banknotenprüfers halten und feststellen, dass die Fälschungsschutzmarkierung auf dem Geldschein leuchtet.

Die Löscher- und Fluoreszenzgruppen sind getrennt, und die Fluoreszenzgruppe emittiert Licht unter ultraviolettem Licht

Während des PCR-Amplifikationsprozesses bindet sich die fluoreszierende Sonde zunächst an die virale Nukleinsäure. Wenn die virale Nukleinsäure bei ihrer Replikation feststellt, dass die Sonde den Weg blockiert, wird sie diese ohne zu zögern entfernen. Zu diesem Zeitpunkt werden die fluoreszierende Gruppe und die Löschgruppe getrennt und wir können Fluoreszenz erkennen.

Sondenlumineszenzprinzip

Während des PCR-Prozesses bestrahlen wir die Probe kontinuierlich mit ultraviolettem Licht. Wenn wir allmählich eine Fluoreszenz der Probe sehen, bedeutet das, dass die virale Nukleinsäure zunimmt. Dies wird als quantitative Fluoreszenz-PCR in Echtzeit bezeichnet.

Quantitative Fluoreszenz-PCR in Echtzeit

Als Schwellenwert wurde das Zehnfache des von der Ausgangsprobe emittierten Fluoreszenzwerts festgelegt. Wenn die Fluoreszenzintensität den Schwellenwert überschreitet, wird die Anzahl der PCR-Zyklen als Ct-Wert bezeichnet. Je kleiner der Ct-Wert ist, desto höher ist offensichtlich die Viruskonzentration in der Ausgangsprobe, was darauf hinweist, dass die Person mit dem Virus infiziert ist. Wenn der Ct-Wert sehr hoch ist, bedeutet dies, dass die Probe kein Virus enthält oder dass der Virusgehalt in der Probe sehr gering ist. In meinem Land wird ein Ct-Wert unter 37 als positiv, ein Ct-Wert über 40 als negativ und ein Ct-Wert zwischen 37 und 40 als verdächtig definiert.

Schüler, diese Stunde ist vorbei. Was haben wir gelernt? Machen wir eine Zusammenfassung!

Zuerst haben wir gelernt, was Nukleinsäure ist: Nukleinsäure ist biologisches genetisches Material, das in zwei Typen unterteilt wird: DNA und RNA. Wir Menschen sind bei der Vererbung auf DNA angewiesen, und das genetische Material des neuen Coronavirus ist RNA. Durch Nukleinsäuretests soll festgestellt werden, ob sich in der Probe virale RNA befindet.

Dann haben wir etwas über den Prozess der DNA-Replikation gelernt. Die DNA-Doppelhelixstruktur öffnet sich und bildet nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung eine neue DNA-Kette, und aus einem DNA-Paar werden zwei Paare.

Dann lernten wir, künstliche Methoden zur Replikation von DNA zu verwenden, nämlich die PCR-Methode. Es ist sehr effizient und kann in nur wenigen Minuten repliziert werden. Wir wissen auch, dass das bei der PCR verwendete, hochtemperaturbeständige Enzym von Wissenschaftlern aus Taiwan, China, entdeckt wurde.

Schließlich lernten wir den gesamten Prozess der Nukleinsäureuntersuchung kennen. Zunächst muss die Nukleinsäure gereinigt werden, dann muss die RNA-Nukleinsäure in DNA-Nukleinsäure umgewandelt werden, dann muss die DNA-Nukleinsäure amplifiziert werden und schließlich muss sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt und die Fluoreszenz beobachtet werden, um den Virusgehalt zu bestimmen.

Kinder, jetzt kennt ihr das Prinzip des Nukleinsäuretests! Tatsächlich kann diese Methode nicht nur zum Nachweis des neuen Coronavirus verwendet werden, sondern ist auch für die gesamte Biotechnologie und Medizin von großer Bedeutung. In Filmen und Fernsehsendungen sehen wir beispielsweise häufig, dass die Polizei den Mörder identifizieren kann, indem sie am Tatort ein wenig von seiner DNA entnimmt. Dies ist der Nutzen dieser Technologie.

Außerdem kam es in der Vergangenheit vor, dass Patienten mit einem bestimmten Virus oder Bakterium infiziert waren und sich in einem kritischen Zustand befanden, die Behandlung jedoch verzögert wurde, weil man nicht wusste, um welches Bakterium oder Virus es sich handelte. Mit dieser Testmethode können wir nun Patientenproben entnehmen und die Nukleinsäuresequenz jedes verdächtigen Bakteriums oder Virus testen. Der erfolgreiche Test zeigt an, welcher Mikroorganismus die Ursache der Infektion ist. Diese Methode rettet immer mehr Leben.

Wie wäre es damit? Ist Biologie nicht interessant? Das ist alles für den heutigen Kurs der Jungen Pioniere! Kinder und Mitschüler, raus aus dem Unterricht, es ist vorbei!

ENDE