Biotechnologie in der Schule
                                                       

   Milchsäurebakterien auf Chinablau/ Lactose Agar                         Daumenabdruck 
Biotechnologie in der Schule
Biologen arbeiten verstärkt mit chemischen und physikalischen Modellen, um die Grundprinzipien des Lebens auf molekularer Ebene deuten und verstehen zu können. Chemiker arbeiten besonders in der medizinischen und pharmazeutischen Forschung zunehmend mit Organismen oder Teilen daraus oder verwenden biologische Systeme zur Durchführung chemischer Reaktionen. In der Schule können weder der traditionelle Biologie- noch der Chemie- oder Physikunterricht dieser Entwicklung gerecht werden. Daher wird an zwei hessischen Schulen seit dem Schuljahr 2002/03 ein Biotechnologie-Grundkurs für die Oberstufe erprobt, mit dem solche fächerübergreifenden Kompetenzen den SchülerInnen vermittelt werden können. Die an dem Projekt teilnehmenden Lehrer wollen eine Qualitätsverbesserung des naturwissenschaftlichen Unterrrichts erreichen und damit den Anforderungen unserer Zeit an eine moderne Ausbildung gerecht werden.
 

 An dem Projekt sind beteiligt:

 Dr. Dietmar Scherr, Max-Beckmann-Schule, Frankfurt am Main 
 Rolf Schuhmann, Max-Beckmann-Schule, Frankfurt am Main 

 Rainer Werel, Stiftsschule St. Johann, Amöneburg 
 

Übersicht einer möglichen Kursfolge: 

 Kurs

 12 I  

Biologisch relevante Moleküle: Strukturen und Reaktionen, Mikrobiologie, Stoffwechsel von Mikroorganismen, Nutzung des Zellstoffwechsels in der klassischen Biotechnologie mit Mikroorganismen, Fermentation, Fermentations-Techniken, Lebensmitteltechnologie (Beispiel: Milch, Milchverarbeitung), Nutzung der Photosyntheseleistung von Grünalgen, Photosysnthese   
       

Unterrichtsstunden: 50

12 II

Bakterielle Ökosysteme, Naturstoffe und ihre Struktur, Nachweismethoden von Naturstoffen, ihre Funktion in Zellen, Aufbau von Zellen, Struktur und  Funktion der Zellorganellen, Energiestoffwechsel, Struktur und Funktion von Proteinen, Enzyme, enzymatische Katalyse, Anwendungen in der medizinischen Diagnostik und Produktion, Immunreaktionen als Werkzeug in der Diagnostik (ELISA) 

Unterrichtsstunden: 50

13 I

Informationsverarbeitung der Organismen, DNA/RNA, Replikation, Proteinsynthese, Regulation der Proteinsynthese Veränderung der Information von Organismen: Gentechnik: Klonierung eines Gens Nutzung der veränderten Syntheseleistung von GVO

Unterrichtsstunden: 50 

 13 II

Projektarbeit: Beispiel: Insulin und Diabetes, Human Genom Projekt, Diagnostik auf molekularbiologischer Basis,  Nachweis gentechnisch veränderter Pflanzen, "DNA-Fingerprint"
In der Regel sind im Prüfungshalbjahr noch ca. 25 Stunden zur Verfügung

Wichtiger Bestandteil der Kurse ist die Anwendung der Bioinformatik, Recherche in Datenbanken z. B. (NCBI) National Center for Biotechnology Information, (RCSB) Brookhaven Protein Data bank, Visualisierung von Strukturen mit Hilfe von Programmen wie jmol

Die Gentechnik liefert zentrale Methoden zur Erforschung und technischer Anwendung biologischer Systeme. Die Expression bestimmter Proteine in Organismen durch eine gentechnische Arbeit wird hier exemplarisch vorgestellt. Ein Quallen-Gen, das beim Anregen im UV-Bereich grünes Fluoreszenzlicht aussendet, wurde in einer Arbeitsgemeinschaft der Max-Beckmann-Schule in Bakterien (E. coli)
transformiert. Die Expression des Green Fluorescent Proteins unter der Kontrolle des Arabinose- Operons von E. coli kann nun unter einer UV-Lampe (Anregung 390 nm) beobachtet werden. Links ist
eine Platte ohne, rechts eine mit Arabinose versetzt. Das Expressionssystem stammt von der Firma Biorad. Wir danken an dieser Stelle sehr herzlich für die Überlassung des Plasmids. 

Fluoreszierenden Bakterien

 

Rund um die Milch

Milch ist ein Thema, das in der Schule als Kontext verwendet werden kann, kommen doch Schülerinnen und Schüler jeden Tag mit Milch und deren Fermentationsprodukten in Kontakt.

  Lagerung von Käse in einer Molkerei

  Tertiärstruktur des Chymosins (Labferment) aus der Brookhaven Protein Data Bank einer Asparaginsäure-Proteinase, mit der Milch eingedickt wird. Diese Proteinase spaltet das Kappa-Casein, welches für die Stabilität der Micellen in Milch verantwortlich ist. Das aktive Zentrum mit den beiden Asparaginsäuren ist markiert.

Methylenblau ist ein Indikator für im anaeroben Bereich entstehende „Reduktionsäquivalente“ in Form von NADH, welches bei dem einzigen energieliefernden Schritt der Glykolyse, der Oxidation des Glycerinaldehyd-3-phosphats, gebildet wird. 

Methylenblau als Redoxindikator

Dabei wird  das blaue Methylenblau zu der farblosen Leukoform reduziert.

Das bei der Oxidation von Glycerinaldehyd–3–Phosphat gebildete NADH muss aus Mangel an Sauerstoff auf andere Weise reoxidiert werden, da sonst die Glykolyse nicht ablaufen kann. Hauptsächlich führen dabei die Mikroorganismen entweder die Milchsäuregärung oder die alkoholische Gärung oder auch beide nebeneinander durch.

Es gibt auch weitere heterofermentative Gärungsformen, wie z. B. die Propionsäure- gärung  (Emmentaler):