Sind wir krank, dann merken wir das meistens sehr schnell. Wir bekommen Husten, Schnupfen, Kopf- und Gliederschmerzen, Fieber und müssen niesen. Dass wir krank sind, bekommen wir also schnell mit, aber an was wir erkrankt sind, das ist wiederum eine andere Frage. Die Immunantwort des Körpers ist ja schließlich sehr ähnlich. Daher ist es schwer zu sagen, ob wir einfach nur eine harmlose Erkältung haben oder ob uns COVID19 erwischt hat. Zum Glück ist die heutige Molekularbiologie weit genug entwickelt, um verschiedene Krankheitserreger nachzuweisen. Dabei kommen Methoden zum Einsatz, die entweder das virale Erbgut (PCR-Test) oder die verschiedenen viralen Proteine (z.B. Antigen-Schnelltest) nachweisen können. Um zu verstehen, wie das funktioniert, werden im Folgenden einige wichtige Methoden vorgestellt.

Eine Möglichkeit, ein bestimmtes Virus zu erkennen, besteht darin, zielgenau die entsprechenden viralen Proteine nachzuweisen. Ein aktuelles Beispiel, das mittler­weile jeder von uns durchführen musste, ist der Antigen-Schnelltest während der Corona-Pandemie. Dieser weist beispielsweise das Nukleokapsid-Protein des SARS-CoV-2 nach. Es gibt aber auch andere Methoden, wie den Western Blot oder den ELISA. Da all diese Methoden auf dem gleichen Grundprinzip basieren, soll exemplarisch der ELISA vorgestellt werden.Der Sandwich-ELISA ist eine gängige Methode in der medizinischen Diagnostik, wird aber auch in der Grundlagenforschung häufig eingesetzt. Mit ihm können gezielt Proteine nachgewiesen und auch deren Konzentration annäherungsweise bestimmt werden. Dabei wird die Menge des Zielproteins zwischen zwei Lagen von Antikörpern detektiert. Die Antikörper wirken dann wie die Brotscheiben bei einem Sandwich. Das Prinzip soll im Folgenden an einem SARS-CoV-2-Nachweis beschrieben werden:

4. Damit nicht unspezifisch irgendwelche anderen Proteine (z.B. von der Schleimhaut) an die Antikörper binden, wird die ELISA-Platte gründlich gewaschen. Die Bindung zwischen dem viralen Protein (dem Antigen) und dem Antikörper ist aber so stark, dass die Antigene nicht von der Platte gewaschen werden (Abbildung 3).

6. Die Platte wird wieder gewaschen, um ungebundene Antikörper zu entfernen (Abbildung 4).

8. Es wird ein letztes Mal gewaschen, um überschüssige Antikörper zu entfernen (Abbildung 5).

Da bei dieser Methode die Proteine indirekt über Enzyme nachgewiesen werden, die an Antikörper gebunden sind, bezeichnet man diese Methode als Enzyme-linked Immunosorbent Assay oder kurz: ELISA. Das Grundprinzip des ELISAs hat vermutlich schon jeder in der Corona-Pandemie gesehen und als Corona-Schnelltest auch oft genug selbst durchgeführt.

Neben dem Nachweis von viralen Proteinen, kann auch das Erbgut des jeweiligen Virus nachweisen werden. Diese Methoden sind äußerst genau und auch deutlich anpassungsfähiger als ein ELISA, da nur die Primer- oder Sonden-Moleküle angepasst werden müssen, um einen neuen Virus nachzuweisen. Als Nachweismethoden bieten sich der Northern Blot für RNA-Moleküle und der Southern Blot für DNA-Moleküle an. Diese Methoden sind aber ziemlich langwierig und kompliziert. Deutlich schneller funktioniert die sogenannte Polymerasekettenreaktion oder kurzs PCR (für polymerase chain reaction). Diese wurde ebenfalls während der Corona­Pandemie in der breiten Öffentlichkeit bekannt und ist deutlich genauer als ein Antigen-Schnelltest. Aber warum ist die PCR so viel genauer als der Schnelltest? Dies soll im Folgenden erklärt werden. Die PCR ist eine Methode, um gezielt DNA-Abschnitte zu vervielfältigen. Das Grundprinzip basiert dabei auf dem Aufbau der DNA. Die DNA ist nämlich eine lange Kette, die abwechselnd aus Zucker (Desoxyribose) und Phosphatresten aufgebaut ist. Diese Kette wird als Rückgrat oder backbone bezeichnet. An den Zuckermolekülen des DNA-Rückgrates sitzt jeweils eine der vier Basen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin(C). Da an jedem Zucker nur eine Base sitzt, entsteht über die Länge der DNA hinweg eine ganz spezielle Basen-Abfolge, die als DNA-Sequenz bezeichnet wird. Schlussendlich bildet diese Basen-Abfolge einen Code, der den Aufbauplan verschiedener Proteine beinhaltet. Da jedes Virus teilweise ganz eigene Proteine bildet (z.B. Hüllproteine), ist auch das Erbgut von Virus-Art zu Virus-Art unterschiedlich. Diese Unterschiede können durch die PCR nachgewiesen werden.

Die DNA ist aber nicht eine einzelne Kette, sondern besteht aus zwei Ketten, die sich gegenüberstehen und in sich gedreht sind. Dabei steht einem Adenin immer ein Thymin und einem Guanin immer ein Cytosin gegenüber (Abbildung 7). Genau diese Art der Basen-Paar­ung macht sich die PCR zunutze.

Die PCR funktioniert also sehr gut, um DNA zu kopieren. Nun tragen aber viele Viren gar keine DNA als Erbgut. SARS-CoV-2 oder das Influenzavirus sind beispielsweise RNA-Viren. Um auch diese Virusarten zu erkennen, muss man erst die virale RNA in DNA umschreiben. Dazu macht man tatsächlich das gleiche Enzym wie das HI-Virus, die reverse Transkriptase. Wurde eine Schleimhautprobe genommen, dann wird diese zuerst in Puffer gelöst. Anschließend wird die reverse Transkriptase genutzt, um die RNA in DNA umzuschreiben und sie in die PCR einzusetzen. Diese Art der PCR wird als RT-PCR (für reverse Transkriptions-PCR) bezeichnet. Auf diese Weise nutzt man die Prinzipien der Natur, um die vielen Erreger nachzuweisen. Die Viren und Bakterien sind dabei selbst unser Werkzeugkasten.

Ein weiterer Begriff, der während der Corona-Pandemie auftauchte, ist der CT-Wert. Dieser kommt bei einer bestimmten Form der PCR, der quantitativen PCR, vor. Bei dieser PCR befindet sich während der Reaktion ein Farbstoff im Reaktionsgefäß, der sich in DNA-Doppelstränge einlagert. Da nur der eingelagerte Farbstoff fluoresziert, kann bei jedem Zyklus nachvollzogen werden, wie viel DNA gebildet wurde. Zu Beginn der PCR wird mit jedem Reaktionszyklus noch sehr wenig DNA vervielfältigt. Ab einem gewissen Punkt ist aber soviel DNA vorhanden, dass die DNA-Bildung mit jedem Zyklus exponentiell zunimmt. Ab diesem Reaktionszyklus ist dann eine Schwelle (englisch: threshold) erreicht, die man als Cycle Threshold oder kurz CT-Wert bezeichnet (Abbildung 13). Dabei gilt: Je kleiner der CT-Wert, desto mehr DNA war zu Beginn der Reaktion vorhanden, sodass der Punkt des exponentiellen Wachstums schneller erreicht war. Ein CT-Wert von 20 heißt, dass nach 20 Reaktionszyklen die DNA-Bildung mit jedem weiteren Reaktionszyklus exponentiell zunahm. Liegt der CT-Wert bei 30, dann nahm die DNA-Bildung erst ab dem 30. Zyklus exponentiell zu. Daher sind Corona-Infizierte, deren PCR-Test einen CT-Wert von 20 zeigte deutlich ansteckender als Infizierte mit einem CT-Wert von 30.