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Science live-Mobil am 14. und 15. 09.2000 bei uns in Fulda

Foto: Science live

Die Informationskampagne “Science live - Wissenschaft im Dialog: Perspektiven moderner Biotechnologie und Gentechnik” wurde im April 2000 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gestartet und hat als Ziel die umfassende Aufklärung über Grundlagen, Verfahren und Anwendungen der Biotechnologie und Gentechnik sowie deren Chancen und Risiken.

Praktika

Zwei Tage stand das mobile Genlabor an unserer Schule. In dieser Zeit führten Schülerinnen und Schüler der drei Leistungskurse Biologie der Jahrgangsstufe 13 selbständig unter Anleitung der projektbegleitenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler (Dr. Gabriele Labes und Dr. Burkhard Kleemeier), einfache molekularbiologische Experimente durch. Während der Arbeiten bestand umfangreiche Gelegenheit für Fragen und Diskussionen mit dem Wissenschaftlerteam.

Nach einer umfassenden Einführung in die Sicherheitsvorkehrungen für experimentelles Arbeiten im mobilen Genlabor wurden die Grundlagen und Anwendungsgebiete der im Praktikum vermittelten Methoden besprochen.

Im Anschluss daran wurden folgende Experimente durchgeführt:

1. Isolierung von Plasmiden aus einer E.coli-Kultur
Bakterien enthalten neben ihrer chromosomalen DNA noch zusätzliche kleine, ringförmige DNA-Moleküle (Plasmide), auf denen beispielsweise Gene für Antibiotikaresistenzen liegen. Im  mobilen Genlabor werden Escherichia coli Bakterien verwendet, denen ein Plasmid übertragen wurde, auf dem sich das Gen für ein grün fluoreszierendes Protein (GFP) aus der Qualle Aequoria victoria befindet (In der Natur bewirkt dieses Protein, dass die Qualle im Ozean grün leuchtet.)

Dieser Gen-Transfer erfolgte durch den Einsatz von sogenannten Restriktionsenzymen. Bakterien enthalten sie als Abwehrmechanismen gegen eindringende Viren (sogenannte Bakteriophagen), um die virale DNA sofort an spezifischen Stellen zerschneiden und dadurch die Vermehrung der Viren verhindern zu können. Jedes Restriktionsenzym erkennt unterschiedliche DNA-Bereiche (Nukleotidfolgen) und schneidet ausschließlich an diesen Stellen. Die Molekulargenetiker machen sich diese Enzyme als Werkzeuge zunutze, um Gene aus ihrem Kontext herauszuschneiden und sie anschließend in einer anderen Stelle wieder einsetzen zu können.

Mit Hilfe eines einfachen Verfahrens sollten die Schüler die E.coli-Plasmide von der chromosomalen DNA trennen und isolieren. Hierfür wurden die Bakterien zunächst mit einem Lysepuffer aufgelöst. Durch alkalische Bedingungen wurde die genomische DNA und die Plasmid-DNA jeweils in ihre beiden Einzelstränge getrennt ("denaturiert"). Während der anschließenden pH-Änderung (Zugabe einer Acetat-Lösung pH 5 zur Proteinfällung) lagerten sich die Einzelstränge der Plasmide wieder korrekt aneinander, wohingegen die genomische DNA größtenteils denaturiert blieb bzw. zu größeren Knäueln aggregierte und anschließend von den Plasmiden durch Zentrifugation abgetrennt werden konnte. Dieses Verfahren der Plasmidisolierung wird auch in den Forschungslabors routinemäßig eingesetzt. Zur Gewinnung hochgereinigter Plasmid-DNA wurde hier noch eine Isopropanolfüllung eingesetzt.

2. Polymerase-Kettenreaktion (PCR)
Die Polymerase-Kettenreaktion dient zur Vervielfältigung definierter Abschnitte sehr gering konzentrierter DNA-Moleküle. Voraussetzung ist, dass man die Basenfolge des Anfangs und des Endes eines gewünschten DNA-Abschnitts kennt. Komplementär zu diesen Bereichen werden kurze "Starter"-DNA-Stücke (Primer) hergestellt, die an die Enden des zu vermehrenden DNA-Abschnitts binden. Anschließend kann mit Hilfe eines Enzyms (Taq-Polymerase) und einem computergesteuerten Heizblock in drei wechselnden Temperaturschritten pro Zyklus (Verdoppelung) der gewünschte DNA-Bereich in einer sehr hohen Kopienzahl vervielfältigt werden.

Die PCR ist mittlerweile zu einer etablierten Technik in den molekularbiologischen Forschungslabors geworden.

 Im "Science live-Mobil" sollten die Schüler aus dem isolierten E.coli-Plasmid das Gen für das grün fluoreszierende Protein mit Hilfe der PCR-Technik vervielfältigen. Alle für die DNA-Vervielfältigung benötigten Zutaten wurden hierfür in ein kleines, dünnwandiges Spezialgefäß pipettiert...

Fotos: Dr. Josef Gossenreiter

... und anschließend in die PCR-Maschine gestellt, wo die gewünschten Erbgutabschnitte millionenfach kopiert wurden. Während des Versuchs konnte über ein computergesteuertes Analysesystem die Reaktion mitverfolgt werden. Das resultierende PCR-Produkt wurde auf ein Agarosegel aufgetragen und die DNA -Fragmente über die Fluoreszenz des Farbstoffes Ethidiumbromid sichtbar gemacht.

3. Agarosegelelektrophorese
DNA-Moleküle besitzen negative Ladungen und können deshalb in einem elektrischen Feld wandern. Um DNA-Fragmente ihrer Größe nach aufzutrennen, schickt man sie durch ein molekulares Sieb aus verzweigten Zuckerketten (Agarosegel), an das eine Spannung angelegt wird. Je kleiner die DNA-Fragmente sind, desto besser können sie sich durch das Maschennetz in Richtung Pluspol bewegen, d.h. desto schneller ist ihre Wanderungsgeschwindigkeit im Vergleich zu größeren DNA-Fragmenten.

Bei der Herstellung des Agarosegels wurde eine chemische Verbindung (Ethidiumbromid) in das zunächst noch flüssige Gel hineingegeben. Ethidiumbromid ist ein so genannter Interkalator, der mit DNA-Molekülen Komplexe bildet, welche im UV-Licht sichtbar gemacht werden können.

Während der Elektrophorese bildeten sich im Agarosegel zwischen den einzelnen DNA-Fragmenten und dem Ethidiumbromid nun diese Komplexe aus. Nach Beendigung der gelelektrophoretischen Auftrennung wurde das Agarosegel auf eine UV-Lampe gelegt und die DNA-Fragmente erschienen als rosa-leuchtende, strichförmige "Banden".

4. DNA-Extraktion aus einer Frucht
Das Erbgut höherer Organismen liegt im Zellkern in Form von Chromosomen vor. Exemplarisch sollte aus einer Frucht (Banane oder Tomate) die DNA isoliert und sichtbar gemacht werden. Das methodische Prinzip, das diesem Isolierungsverfahren zugrunde liegt, ist auf alle Organismen anwendbar.

In Zweiergruppen sollten die Schüler je ein fein zerschnittenes Stück einer Frucht im Extraktionspuffer zerstampfen (zerreiben). Ein im Extraktionspuffer enthaltenes Detergens (Spülmittel) diente dem Auflösen der Zellmembranen. Der entstandene Brei wurde filtriert. Die im Filtrat vorliegende DNA wurde anschließend mit Ethanol "gefällt". Ethanol macht die sehr langen, fadenförmigen DNA-Moleküle unlöslich, indem es ihnen die umgebenden Wassermoleküle entzieht. Die DNA-Fäden lagern sich aneinander oder verknäulen sich und fallen als eine große, sichtbare Flocke aus.

(Projektbeschreibung: Science live Internetseiten)

Besichtigung
Am Donnerstag war zwischen 16.00 und 18.00 für interessierte Besucher die Möglickeit gegeben, das BioTechmobil zu besichtigen. Die Wissenschaftler standen gern für Fragen und Erläuterungen zur Verfügung.

Abendveranstaltung
Herr Jürgen Weber konnte zu der zweistündigen Vortragsveranstaltung am Donnerstag abend mit anschließender Plenumsdiskussion ca. 90 Besucher aus Schule und Öffentlichkeit begrüßen.

Im Rahmen des etwa einstündigen Vortrages einer Wissenschaftlerin bzw. eines Wissenschaftlers des "Science live"-Teams wurden Grundbegriffe erklärt und über eine verständliche Einführung in die grundlegenden Verfahren der modernen Biotechnologie und Gentechnik der Bogen zu den Anwendungsgebieten dieser Disziplinen gespannt. Das Themenspektrum des Vortrages umfasste die Bereiche Medizin, Landwirtschaft, Ernährungswirtschaft und Umweltbiotechnologie. Jedes Themenfeld wurde hinsichtlich der jeweiligen Anwendungsziele mit Bezug auf aktuelle Beispiele sowie auf Chancen, mögliche Risken und ethische Aspekte erörtert. Die anschließende kritische Diskussion befasste sich im Wesentlichen mit diesen ethischen, religiösen und gesellschaftlichen Auswirkungen.



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