Elektrophorese-System MCE-202 MultiNA

Forensische Genotypisierung mit Hilfe von PCR und Mikrochipelektrophorese

Kriminalbiologische Methoden erleichtern die Aufklärung von Kapitalverbrechen und eine eindeutige Identifizierung der Täter. Es ist immer wieder spektakulär, wenn mittels neuer genetischer Techniken und Methoden Täter auch viele Jahre nach dem bislang unaufgeklärten Verbrechen doch noch überführt werden können. Die Mikrochip-Elektrophorese ist hier sehr hilfreich, denn damit lassen sich schnell und unkompliziert DNA- und RNA-Proben analysieren.

Menschen ähneln einander, aber sie sind nicht gleich. Die DNA (Desoxyribonukleinsäure), der menschliche Bauplan, entscheidet, wie wir aussehen und wie unser Stoffwechsel funktioniert. Sie ist zu einem Großteil in allen Menschen identisch. Dennoch unterscheiden sich gewisse Sequenzen voneinander. Gerade in Bereichen, die keine genetische Information tragen, in den sogenannten „nicht-kodierenden DNA-Sequenzen“, gibt es Unterschiede. Dort findet man häufig Wiederholungssequenzen, die „Short Tandem Repeats“ (STR). Diese kurzen, sich wiederholenden Basenpaarsequenzen werden in der Abstammungsanalyse und in der Forensik als Marker verwendet, wobei die Anzahl der Wiederholungen gemessen wird. Mit Hilfe von STR-Analyse, Polymerase-Kettenreaktion und Mikrochipelektrophorese können innerhalb kürzester Zeit und mit wenigen manuellen Schritten Vorauswahlen zur Identifizierung von Personen getroffen werden.

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Ein wenig Kriminal-Statistik

Laut Bundeskriminalamt kam es 2011 in Deutschland zu über 2000 Mord- und Totschlagsdelikten, zu etwa 7500 Fällen von Vergewaltigung und sexueller Nötigung und knapp 140 000 Mal zu gefährlicher und schwerer Körperverletzung.

Bei 81,8 Mio. Einwohnern (Statistisches Bundesamt) geschahen demnach auf 100 000 Einwohner rund 2,7 Morde/Totschläge, 9,2 Fälle von Vergewaltigung/sexueller Nötigung und 170 Fälle von gefährlicher/schwerer Körperverletzung.

Die hohe [5] Aufklärungsquote dieser Kapitalverbrechen hat auch mit der kriminalbiologischen Bestimmung von Tätern zu tun. Vor allem lange zurückliegende Straftaten lassen sich im Nachhinein mit DNA-Analysen noch aufklären.

DNA-Spuren am Tatort

Aus den am Tatort gesammelten Proben wird im ersten Schritt die DNA extrahiert. Kleinste DNA-Mengen reichen aus, um die Kriminalbiologen auf die richtige Fährte zu bringen. Aus den unterschiedlichsten Proben kann DNA isoliert werden. Hierbei kann sowohl auf Körpersekrete (Speichel, Nasensekret, Schweiß, Tränen, Sperma, etc.), auf Organ- und Gewebsspuren (Knochen, Hautstücke, Zähne, Haare, Fingernägel) oder aber auf Körperflüssigkeiten (Blut und Urin) zurückgegriffen werden. Auch am Tatort gefundene Gegenstände (die so genannten Asservate) – wie Kleidungsstücke, Schuhe, Drosselwerkzeug, Flaschen, Dosen, Zigarettenkippen oder Zahnbürsten – eignen sich, um DNA zu gewinnen.

DNA-Vervielfältigung mit PCR

Im zweiten Schritt werden bestimmte DNA-Bereiche über die sogenannte Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vermehrt. Die von Kary Banks Mullis im Jahre 1983 entwickelte Methode ist heute eine der wichtigsten Techniken in der Molekularbiologie und Genetik.

Die PCR besteht aus einer bestimmten Anzahl von Zyklen, die in einem Thermocycler durchgeführt werden. Jeder Zyklus besteht aus diesen drei Schritten: Denaturierung, Annealing und Elongation. Bei der Denaturierung werden die Wasserstoffbrückenbindungen aufgetrennt, wodurch die sonst doppelsträngige DNA nun als Einzelstrang vorliegt. Bei dem Annealing-Schritt lagern sich spezifische Start- und Stoppmoleküle (die sogenannten Primer) an die DNA. Sie entscheiden, welcher DNA-Bereich vervielfältigt wird. Im Elongations-Schritt wird der Bereich zwischen zwei Primern durch das Enzym DNA-Polymerase mit komplementären Nukleotiden aufgefüllt.

Mikrochip-Elektrophorese

Im dritten Schritt wird die DNA der Größe nach aufgetrennt und sichtbar gemacht. Klassischerweise verwendet man hierzu die Methode der Gel-Elektrophorese. Da die DNA negativ geladen ist, wandert sie in einem elektrischen Feld zum positiven Pol. Anhand der Wandergeschwindigkeit lässt sich auf die DNA-Größe zurückschließen. Mit Hilfe von interkalierenden Farbstoffen kann die DNA dann in der Regel unter UV-Licht sichtbar gemacht werden.

Die Mikrochip-Elektrophorese ist eine moderne Alternative zur klassischen Elektrophorese mit vielen Vorteilen. Die MCE-202 MultiNA von Shimadzu (Bild 1) analysiert sowohl DNA- als auch RNA-Proben unkompliziert, genau und in Hochgeschwindigkeit. Im Vergleich zur klassischen Gel-Elektrophorese erfolgt die Auftrennung der DNA/RNA nicht in einem Agarose-Gel, sondern in einem 23 mm langen Trennkanal auf einem Quarz-Mikrochip, der sich vielfach wiederverwenden lässt.
Zahlreiche manuelle Arbeitsschritte entfallen, da das Befüllen der Mikrochips mit Trennpuffer und Probe, die Elektrophorese und das anschließende Spülen vollautomatisiert ablaufen. Sowohl Analysen von einzelnen Proben als auch das Verwenden von 96-well-PCR-Platten, die nach dem Amplifizieren mittels PCR-Reaktion direkt ins Gerät gestellt werden können, sind möglich. Insgesamt bietet das Gerät Platz für 108 Proben.

Täteridentifizierung auf der MCE-202 MultiNA

Das DNA-2500 Kit von Shimadzu wurde hier in Kombination mit dem Crime Scene Investigation Kit® (Bio-Rad), einer Größenleiter (Bio-Rad) und dem SYBR® Gold Farbstoff (Invitrogen) verwendet.
Das Crime Scene Investigation Kit® wurde entwickelt, um Studenten einen Einblick in die PCR-Techniken zu geben. Der untersuchte DNA-Locus (TH01) wird auch in der forensischen Genotypisierung verwendet. In der Regel sind bei einer richtigen forensischen Genotypisierung allerdings mehrere Genloci zu betrachten.

In Bild 2 sind die Ergebnisse einer solchen Messung dargestellt. In dieser Untersuchung wurde eine Größenleiter ("Allelic ladder") mit acht verschiedenen Allelen verwendet. Eine Probe aus der Tatumgebung ("Crime Scene") und vier Proben von Verdächtigten ("Suspect A, B, C und D") wurden analysiert. Nach Mikrochip-Elektrophorese auf der MCE-202 MultiNA von Shimadzu wird deutlich, dass es sich bei dem Verdächtigen C mit hoher Wahrscheinlichkeit um den Täter handelt.

Fazit

Mit PCR und der MCE-202 MultiNA von Shimadzu können Vorauswahlen getroffen werden, die dabei helfen, Täter zu identifizieren. Auch wenn die Literatur häufig den Gärtner als Mörder vorsieht, sieht es in der Realität doch zumeist etwas anders aus; auch der nette Nachbar von nebenan kommt in Frage. Oder, wie im Lied, der Butler ...

Neben der Identifizierung von Tätern bzw. Opfern und Entlastung von Unschuldigen können über die Erstellung eines DNA-Profils (genetischer Fingerabdruck) auch Verwandtschaftsbeziehungen nachgewiesen werden (z.B. Bestimmung der Vaterschaft/Mutterschaft/Geschwisterschaft). Auch die Identifizierung von Verstorbenen, beispielsweise nach einer Katastrophe, wäre denkbar.

Quellen

  1. Bundeskriminalamt, Polizeiliche Kriminalstatistik (PKS) 2011 - IMK-Kurzbericht 2011. http://www.bka.de/DE/Publikationen/PolizeilicheKriminalstatistik/pks__node.html (Stand 17.09.2012).
  2. Statistisches Bundesamt: https://www.destatis.de/DE/Startseite.html (Stand 17.09.2012).
  3. "Abstammungsuntersuchungen, Chimärismen und Spurenanalytik", Dr. Iris Schulz, Institut für Rechtsmedizin der Ludwigs-Maximilians-Universität München
    http://www.math.uni-augsburg.de/prof/dida/fortbildungen/2007/mnutag07/bio_schulz.pdf (Stand 17.09.2012).
  4. Bio-Rad: http://www3.bio-rad.com.
  5. Statista: http://de.statista.com/statistik/daten/studie/152525/umfrage/entwicklung-der-polizeilichen-aufklaerungsquote-bei-mord-seit-1995/

(Stand 02.10.2012).

Vanessa Liedschulte*)

    Applikationsspezialistin BioTech, Shimadzu Deutschland GmbH, E-Mail: info@shimadzu.de.
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