HFA: PCR-Tests werden schon lange in der Holzforschung eingesetzt

Folgt man den Plaudereien von Passanten, so hört man sie oft von „vor“ und „nach Corona…“ sprechen. Die Bezeichnung steht also mittlerweile nicht mehr nur für eine Pandemie, sondern auch für eine Zeitzäsur. Während der Coronazeit heißt es aber weiterhin „Testen, testen, testen…“, um dem Virus zu begegnen. Deswegen sind PCR-Tests momentan durch die Medien in aller Munde. Das Wissen über deren Bedeutung und Einsatzgebiete, wie z.B. bei der Pilzbestimmung, ist aber weniger bekannt.

PCR steht für den englischen Ausdruck „Polymerase Chain Reaction“. Wie der Name schon sagt, haben wir es hier mit einer chemischen Kettenreaktion zu tun, die von einem Enzym, der Polymerase, gesteuert wird. Mit dieser Kettenreaktion wird unter bestimmten Voraussetzungen und den entsprechenden Umgebungsbedingungen genetisches Erbmaterial vervielfältigt. Dadurch können bestimmte Organismen nachgewiesen werden. Im Fall von Corona-PCR Tests ist es Sars-CoV-2, das Coronavirus.

Ein weiteres Anwendungsgebiet des PCR-Tests ist z.B. der  sogenannte Vaterschaftsnachweis. Hier werden zwei PCR Tests durchgeführt: einmal vom Vater, einmal vom Sprössling und dann wird die DNA verglichen.

Nachweis von Schadorganismen

An der Holzforschung Austria vergleichen wir auch, allerdings DNA-Sequenzen von Mikroorganismen z. B. von Pilzen und Bakterien mit den DNA-Sequenzen, die in internationalen Datenbanken hinterlegt sind, um Pilze oder Bakterien identifizieren zu können.

Das genetische Probenmaterial wird im Falle eines Corona PCR Tests als Sekret aus den oberen Atemwegen, wie Nase und Rachen eines Covid-19 Verdachtsfalles entnommen. An der Holzforschung Austria werden Proben vorwiegend aus dem Holz gewonnen, aber bei Bedarf können auch Putz-, Mauerreste und andere Materialien, die Spuren von Mikroorganismen aufweisen, untersucht und das darin enthaltene genetische Material mit der PCR Methode vervielfältigt werden. Was den medizinischen Tests und den Untersuchungen an der Holzforschung Austria wieder gemein ist, ist der Schritt nach der Probenahme, wo die Zellen der Mikroorganismen in der Probe mechanisch und chemisch aufgebrochen werden und das genetische Material, die DNA (doppelsträngige Desoxyribonukleinsäure) oder im Fall von Coronaviren RNA (einzelsträngige Ribonukleinsäure), chemisch extrahiert und gereinigt wird.

Nach diesem Schritt kommt die mittlerweile allseits bekannte PCR - die Polymerase Kettenreaktion ins Spiel. Wie bereits erwähnt, werden hier gezielt spezifische Abschnitte des genetischen Materials vervielfacht. Als Starter dieser Reaktion sind Primer notwendig. Das sind kurze spezifische Sequenzen, die den Startpunkt für die Ziel-DNA markieren. Die PCR ist ein zyklisches Verfahren, bei dem sich in jeder neuen Runde die Anzahl der DNA-Kopien verdoppelt. Die Stränge der „Ziel-DNA“ werden durch Erhitzen getrennt. Dann wird die Reaktion abgekühlt damit sich die Primer, spezifisch an die Einzelstränge anlagern können. Dabei füllt die DNA-Polymerase die fehlenden Stränge mit freien Nukleotiden auf und es bildet sich ein Komplementärstrang. So entstehen Kopien der ursprünglichen „Zielregion“. Dieser Zyklus wird in der Regel 20 bis 40 Mal wiederholt, sodass sich die Stränge zunächst verdoppeln, dann vervierfachen sowie weiter exponentiell amplifizieren, d.h. vervielfältigen.

Nach der Amplifikation wird das PCR-Produkt mit einem Fluoreszenzfarbstoff gefärbt und unter UV-Licht sichtbar gemacht. Anhand des Nachweises dieser genetischen Sequenzen ist das Vorhandensein eines Organismus belegt. Zurzeit ist es in den medizinischen Labors der Beleg für Coronaviren - an der Holzforschung Austria kann es zum Beispiel der Nachweis auf den Echten Hausschwamm sein.

Das Prinzip ist also immer das gleiche: Probenmaterial entnehmen, Extraktion und Reinigung der DNA durchführen und charakteristische Gensequenzen vervielfältigen. Dabei kann das Ausgangsmaterial sehr unterschiedlich sein. An der Holzforschung Austria wurde bereits vor 20 Jahren der Startschuss zur DNA-Analyse mit dem Projekt „Zur molekularbiologischen Erfassung von Hausfäulepilze“ gelegt.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Die Notwendigkeit für eine korrekte Identifizierung eines Schadpilzes ist in diesem Zusammenhang von wirtschaftlicher Relevanz, da davon der tatsächliche Sanierungsaufwand für ein mit einem Schadpilz befallenes Gebäude abhängig gemacht wird. Oft kann an Hand des vorgefundenen Pilzmyzels oder aufgrund des Schadbildes darauf geschlossen werden, ob es sich in dem Fall um den Echten Hausschwamm oder um einen anderen Vertreter der Nassfäulepilze handelt. Kann aber weder makroskopisch noch mikroskopisch ein eindeutiger Befund gestellt werden, kann eine DNA-Analyse unter Hilfenahme der PCR eine eindeutige Aussage getätigt werden. Die Verwendung der DNA-Analyse mit PCR-Technik hat bereits in die ÖNORM B 3802-4 wie auch nach DIN 68 800 Teil 4 Eingang gefunden und wird neben der makroskopischen und mikroskopischen Untersuchung als Methode der Wahl angeführt.

Mit der PCR-Technik ist es aber nicht nur möglich, einen Organismus zu identifizieren, sondern auch zwischen Mikroorganismen-Gruppen zu unterscheiden. Im Laufe der Jahre wurden an der Holzforschung Austria im Rahmen von unterschiedlichsten Forschungsprojekten Primer für spezifische Pilzarten, -gattungen, Algen und Bakterien etabliert. Durch die Verwendung dieser Primer in der PCR-Technik kann der Nachweis erfolgen bzw. das Fehlen dieser Organismengruppen festgestellt werden. So kann die zeitliche Abfolge - die sogenannte Sukzession einer Besiedlung von Mikroorganismen auf Holz, Holzwerkstoffen und auf anderem Material untersucht werden. Die Wirksamkeit einer bioziden Ausstattung eines Beschichtungssystems oder von Fassadenanstrichen kann ebenfalls untersucht werden, da das Auftreten von Mikroorganismen sehr früh detektiert werden kann. Auch die Entwicklungen von Biofilmen in Industrieanlagen kann mit der PCR und anschließend mit weiteren molekularbiologischen Methoden untersucht und die am Aufbau des Biofilms beteiligten Bakterien identifiziert werden.

Der Vorteil der PCR Methode liegt darin, dass direkt aus dem Probenmaterial ohne einer vorgeschalteten Kultivierungstechnik die Untersuchung erfolgen kann. Herzstück all dieser Analysetechniken bleibt aber das Prinzip der PCR-Technik mit der die Vervielfältigung von DNA erst ermöglicht wird. Erfunden hat sie der Chemiker Kary B. Mullis im Jahr 1983. Zehn Jahre später wurde er dafür mit dem Chemienobelpreis ausgezeichnet. Zurecht, da ohne dieser PCR keine DNA in ausreichender Menge vorliegen würde, und eine rasche und exakte Detektion wie sie in der Medizin und in der Wissenschaft gefordert ist, nicht realisierbar wäre.

Wir werden jedenfalls weiterhin an der Holzforschung Austria auch nach Corona unserem Motto treu bleiben und testen, testen, testen ...

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