Aktiv in den Osterferien –  im Labor der Universität Köln

Aktiv in den Osterferien –  im Labor der Universität Köln

Dank der guten Kontakte des Goethe Gymnasiums konnten gleich drei der insgesamt nur zwölf landesweit ausgeschriebenen Praktikumsplätze in diesem Jahr mit Schülerinnen und Schülern unserer Biokurse besetzt werden. In so genannten CEPLAS Laboren (Center of excellence on plant sciences) erfuhren die Praktikanten hautnah etwas über die Arbeit in naturwissenschaftlichen Forschungszentren und gewannen so wertvolle Einblicke in ihre mögliche berufliche Zukunft.

Das Praktikum begann am Donnerstag, den 07.04.2020 mit einer allgemeinen, thematischen Einführung und einer Sicherheitsbelehrung. Die ganztägige, praktische Laborarbeit fand dann von Freitag bis zum Donnerstag der darauf folgenden Woche statt.

 Die Schülerinnen und Schüler befassten sich mit der Untersuchung der Interaktion von Erbsenpflanzen mit Knöllchenbakterien und Mykorrhiza unter verschiedenen Wachstumsbedingungen. Das Projekt wurde von Berufsfeldpraktikantinnen geleitet, die von Dr. Mitzi Villajuana-Bonequi unterstützt wurden. Das Praktikum fand in den Laborräumen von Prof. Dr. Bucher im Biozentrum in Köln statt.

Das Ziel sollte sein. die symbiotische Beziehung zwischen Pflanzen und Mikroorganismen beschreiben zu können sowie Erkenntnisse über die Ökologie, Morphologie, Physiologie und Genetik von Wurzelraumsymbiosen miteinander zu vernetzen.

Während des Praktikums wendeten die Schülerinnen und Schüler selbst wissenschaftliche Methoden an und leisteten viel praktische Arbeit auf makroskopischer (Vermessung von Pflanzen und Aufnahme verschiedener Parameter), mikroskopischer (Beobachtung von Wurzelproben) und molekularer Ebene (DNA-Isolierung, PCR, Gelelektrophorese, usw.). Außerdem erstellten sie selbst eine PPT Präsentation und präsentierten diese vor dem gesamten Labor-Kurs.

Ich möchte mich an dieser Stelle bei Nasser Drechsler (Bio LK Q2, Nadja Taoutaou und Isaiah Böhlhoff-Martin (Bio LK Q1) bedanken, die das Goethe Gymnasium würdig vertreten und durch die Teilnahme in den Ferien ihr hervorragendes Engagement im Fach unter Beweis gestellt haben. Durch den Erfahrungsbericht, den Nadja und Isaiah im Unterricht vorgetragen haben, konnte der gesamte LK Biologie profitieren.

 Dieser Laborkurs ist von der Robert Bosch Stiftung (RBS), Rhein Energie Stiftung (RES) und CEPLAS gefördert.

Dr. Michael Tech
Bio-GK im Neanderthalmuseum

Bio-GK im Neanderthalmuseum

Um die unterrichtlichen Inhalte zum Thema Evolution zu vertiefen besuchte der  Q2 Biologie Grundkurs einen Workshop zum Thema Humanfossilien des Neanderthalmuseums in Mettmann.

Mit einer beachtlichen Replika-Sammlung von Schädelfunden von Verwandten des Menschen wurde die stammesgeschichtliche Entwicklung der Menschwerdung bis zum heutigen Homo sapiens sapiens nachverfolgt.

Doch wie alt ist ein Fund? Welcher Vorfahre hat schon früher die Sonne auf der Erde aufgehen sehen? Anhand wissenschaftlicher artspezifischer Merkmale konnten die Schülerinnen und Schüler diesen Fragen auf den Grund gehen und in diesem Zusammenhang z.B. darauf schließen, wie sich eine Art ernährte oder ob sie bereits über den aufrechten Gang verfügte.

Das Ergebnis war ein beeindruckender Stammbaum, welcher die mögliche Abstammung und die sieben Millionen Jahre Menschwerdung aufzeigte

 

Gregor Hiepler
Bio-LK beim Uni-Stem-Day der Heinrich-Heine-Universität

Bio-LK beim Uni-Stem-Day der Heinrich-Heine-Universität

Im Rahmen des internationalen Stammzellentags fand am 11.  März 2022 an der Heinrich-Heine-Universität der „Uni-Stem-Day“ statt. om Graduiertenkolleg 2578 hierzu eingeladen war der Biologie Leistungskurs der Q1 unter Leitung von Gregor Hiepler. Zunächst informierte eine kurze Vorlesung die Schülerinnen und Schüler über das Thema Stammzellen und dessen Zusammenhang mit der genetischen Toxikologie von Professor Fritz, Leiter der Fakultät für Toxikologie an der HHU. Im Anschluss konnte der Kurs unter Anleitung der Wissenschaftler verschiedener teilnehmenden Labore mit Stammzellen fachmethodisch arbeiten. So konnten z.B. Stammzellen unter dem Mikroskop angeschaut oder die Proliferation (Zellvermehrung) mittels Zugabe gefärbter Schadstoffe untersucht werden.

Darüber hinaus hatten die Schülerinnen und Schüler eine wunderbare Gelegenheit des Austauschs mit den Wissenschaftlern über ihre Beweggründe und Empfehlungen für das Studium. Während den Arbeitsphasen gab es viele Informationen zu Studienmöglichkeiten an der HHU und allgemein innerhalb der naturwissenschaftlichen Felder.

Alles in allem lieferte der Exkurs die perfekte Möglichkeit, das Unterrichtswissen über das Thema praktisch anzuwenden, zu erweitern und in Erfahrung zu bringen, wie die tägliche forschende Arbeit im Labor von statten geht.

Eine erneute Teilnahme im nächsten Jahr ist fest eingeplant.

                


Unabhängig von dieser Veranstaltung besuchten zwei Schülerinnen, Martha und Elena aus dem Bio-LK von Dr. Michael Tech, den Uni-Stem-Day. Was sie dort erlebten, können Sie hier nachlesen:

Anlässlich des UniStemDays 2022 haben wir, Elena und Martha, letzten Freitag, den 11.03.22, im Forschungslabor der translationalen UroOnkologie verbracht. Wir sind Schülerinnen des Biologie LKs von Herrn Dr. Tech, der mit uns bereits letztes Jahr Webinare und Exkursionen zum internationalen Stammzellentag durchgeführt hat. Dieses Jahr haben wir uns freiwillig noch einmal unabhängig voneinander beworben und hatten das Glück, gleich zwei der insgesamt acht verfügbaren Plätze belegen zu dürfen. Unter Leitung von Prof. Dr. Nettersheim konnten wir von 9-14 Uhr einen Einblick in die Arbeit und den Alltag des Forschungslabors gewinnen. Zuvor wurde uns ein Skript zur Vorabinformation und Vorbereitung zugesandt. Das Angebot war für uns besonders ansprechend, da wir neben allgemeinem Interesse an der Forschung, vor allem von dem Thema der Tumor-Stammzellen angetan waren, da dieses generell innerschulisch verhältnismäßig wenig behandelt wird. Wir konnten es also kaum erwarten! Nun aber zu unseren Erfahrungen, die wir an dem Tag gesammelt haben:

Der Tag hat um 9 Uhr (also zu einer sehr humanen Uhrzeit) auf dem Gelände der Heinrich-Heine- Universität gestartet. Begonnen wurde mit einer Vorlesung zu den „Molekularbiologische Methoden Heute und Gestern“ von Prof. Dr. Nettersheim, mit der er uns Schülern zunächst die Grundlagen zu DNA, RNA und Proteinen und deren Analysemethoden wiederholte. Von der Entdeckung der DNA bis hin zu modernen Methodiken wie das New Generation Sequencing oder der Optogenetik wurden uns viele wissenschaftliche Errungenschaften und Innovationen der letzten Jahre vorgestellt. Dabei ging er beispielsweise näher auf Methoden wie die PCR, die Senger Sequenzierung oder auch CRISPR/ Cas9 ein. Auch vergleichsweise ältere Editierungsverfahren wie ZFN oder TALEN wurden präsentiert und ihre Vor- und Nachteile gegenüber moderneren Techniken abgewogen. Neben der Gentechnik wurde auch das Themengebiet rund um Stammzellen mit Shinya Yamanaka und seiner Entdeckung von IPS Zellen angeschnitten. Im Anschluss daran klärte uns Dr. Margaretha Skowron über die Epidemiologie von Krebserkrankungen auf, um uns das Thema näher zu bringen, mit dem wir uns befassen sollten: Krebszellen.

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 In dieser sehr interaktiv gestalteten Präsentation durften wir unsere Schätzungen zu Fragen wie „Was ist die häufigste Krebsursache?“, „Welche Krebsart ist die Häufigste?“ oder „Wie werden sich die Krebserkrankungen in Zukunft verändern?“ abgeben. Nebenbei lernten wir über das TNM Verfahren, die Auswertung bestimmter Analysemethoden in der Krebsforschung, Therapieansätze, die sogenannten „hallmarks of cancer”, sowie wie wir feststellen können, ob der Krebs angeboren oder erworben ist. Abgeschlossen wurde dieser Vortrag mit einer kleinen Fragerunde zu dem Studiengang Biomedizin, zu dem uns Dr. Skowron ausführlich Fragen beantwortete. Trotz der sehr fachlich ausgelegten Themen, haben sowohl Prof. Dr. Nettersheim als auch Dr. Skowron in einer sehr netten und lockeren Atmosphäre die Themen sehr verständlich näherbringen können. Das hat auch eine Teilnehmerin des Kurses bestätigt, die als einzige von uns acht Schülern den Bio GK in der Q2 besucht und meinte: „Ich hatte schon Angst, dass ich nichts verstehen werde, aber das ging echt voll klar!“

Nach diesen etwas theoretischeren Einheiten, sollte es nach einer kleinen Pause nun endlich ins Labor gehen!

Alexa und Christian, so hießen unsere beiden Betreuer im Labor, forschen beide an Krebszellen, insbesondere an testikulären Keimzelltumoren. Diese wurden uns auch sofort gezeigt. Dafür haben Alexa und Christian verschiedene Zellkulturen vorbereitet, die wir unter dem Mikroskop betrachten durften und anschließend beschreiben sollten. Beispielsweise sahen viele von uns in den Tumorzellen „ein Spiegelei“ oder „einen Donut“. Neben den verschiedenen Zelltypen wurden uns aber auch neue Methoden zur Analyse gezeigt. Mikroskopiert hatten die meisten von uns bereits; die „Hanging- Drop Zellkulturtechnik als 3D Modell“ war jedoch allen neu.

Statt den zweidimensionalen Monolayerkulturen, wird es durch diese sogenannten „Hanging Drops“ ermöglicht, die Zelle und ihre Entwicklungsprozesse dreidimensional zu verfolgen – und das in vitro. Wir Schüler beobachteten also beispielsweise wie durch Immunzellen die Apoptose (Zelltod) einer Tumorzelle eingeleitet wurde. Damit uns Begriffe wie „Seminom“ oder „GCNIS-Zellen“, die im Labor des Öfteren fielen, nicht unbekannt waren, hatten wir ja am Tag zuvor das Skript bekommen. Und selbst wenn man mal eine Frage hatte, war das auch kein Problem. Ganz im Gegenteil: Wir wurden regelrecht dazu animiert Fragen zu stellen und nachdem wir unsere anfängliche Hemmschwelle überwunden hatten, löcherten wir die Forscher nur so.

Als nächstes gingen wir zu Mara, die sich in erster Linie mit der Analyse des Tumor-Proteoms befasst. Sie hat uns erklärt, dass die Zusammensetzung der Proteine innerhalb einer Zelle je nach Kondition variiert und es sich genau deshalb anbietet, dieses bei Tumor- und Stammzellen zu untersuchen. Daher haben wir hier mithilfe einer Gelelektrophorese, Unterschiede zwischen behandelten und unbehandelten Proteinproben aufdecken wollen. Hierzu wurden zwei Trenngele in eine Konstruktion gespannt und mithilfe einer Art Kamm einzelne Taschen hineingestochen, sodass sich schmale Kammern zwischen den Gelen ergaben. In diese haben wir nacheinander verschiedene Proteinproben pipettieren dürfen. Es folgte die Auftrennung der Proteine durch das Aufbauen einer elektrischen Spannung. Je nachdem wie groß die Proteine sind und wie sie geladen sind, wandern sie weiter und schneller durch das Gel. So ergibt sich letztendlich durch das anschließende Einfärben der Proteinbanden ein Bandenmuster, welches Auskunft über die Zusammensetzung des Proteoms einer Zelle gibt.

Zuletzt begaben wir uns in den dritten Laborraum. Aaron hat uns hier die Zellzyklus-Analyse mit Hilfe der Durchflusszytometrie gezeigt. Klingt kompliziert, jedoch hat uns das sogenannte Durchflusszytometer die meiste Arbeit abgenommen. Zuvor durften wir uns erneut im Pipettieren beweisen, indem wir eine Lösung mit vielen Zellen in ein Reagenzglas überführt haben. Die darin enthaltene DNA war bereits angefärbt. Das Durchflusszytometer hat daraufhin mit einer feinen Kanüle alles eingesogen. Im Inneren des Gerätes wurde jede Zelle einzeln in einem Engpass per Laser gescannt und die Menge der DNA gemessen. So ließ sich letztendlich auf einem Display ablesen, wie viele Zellen sich in welcher Phase des Zellzyklus befanden und wie hoch dementsprechend ihr DNA-Gehalt war. Nach jedem Durchgang hat sich das Zytometer von selbst gereinigt – sehr praktisch! Daraufhin haben wir den Vorgang mit behandelten Tumorzellen wiederholt. Durch die Behandlung sollte ermöglicht werden, dass während der DNA-Replikation mehr DNA abgelesen und repliziert wird. Tatsächlich fielen die Ergebnisse der zweiten Probe höher aus und der gemessene DNA-Gehalt stieg an.

Dieser ereignisreiche Tag wurde von einer abschließenden Fragerunde abgerundet. Im Plenum hatten wir acht Schüler die Möglichkeit Prof. Dr. Nettersheim und seinem gesamten Team ganz persönlich(e) Fragen zu stellen. „Was macht Ihnen im Beruf am meisten Spaß?“, „Haben sich Ihre Erwartungen an Ihr Studium/Beruf erfüllt?“ und „Lohnt sich die ganze Mühe überhaupt?“ waren nur einige Fragen, die wir an diesem Nachmittag beantwortet bekommen haben. Dabei hat man durchgehend gemerkt, wie viel Begeisterung in dem Forscherteam gesteckt hat, was uns Schüler in unseren Interessen und Studienwahl selbst natürlich sehr bestärkt hat.

Ein großes Dankeschön an Professor Nettersheim und sein Team und ein großes Danke an Dr. Tech, der uns die Teilnahme möglich gemacht hat.

(von Elena Raber und Martha Beckmann)

 

Gregor Hiepler Dr. Michael Tech
Von der Spucke zum genetischen Fingerabdruck

Von der Spucke zum genetischen Fingerabdruck

Wie wird DNA aus lebenden Zellen gewonnen? Wie funktioniert das Verfahren PCR, dass zurzeit auch bei dem Test auf Covid-19 angewendet wird? Und wie kann das gewonnene und vervielfältigte Erbgut schließlich sichtbar gemacht werden?

Diesen aktuellen und spannenden Fragen gingen die Schülerinnen und Schüler des Biologie Leistungskurses der Q1 ganz praktisch auf den Grund. Bereits zum dritten Mal in Folge verbrachte der Biologie-Leistungskurs einen ganzen Tag in einem Profi-Labor des Vereins „KölnPub“, der Fortbildungsmaßnahmen für Schulen, Wirtschaft und Politik im Bereich der Biologie und besonders in der Molekulargenetik organisiert und durchführt.

Die theoretische Einführung in das Thema hatten die Schülerinnen und Schüler bereits im Unterricht erhalten. Obligatorisch wird das Praktikum parallel zum Lehrplanthema „Molekulargenetik“ geplant und durchgeführt, so dass der Kurs nach einer kurzen Einweisung sofort anfangen konnte, zu arbeiten.

Die Schülerinnen und Schüler extrahierten dazu eigene DNA aus Mundschleimhautzellen. Dabei waren viele Arbeitsschritte notwendig, die sie einzeln an ihren Laborarbeitsplätzen durchführen mussten. Exaktes und sauberes arbeiten, Umgang mit kleinsten Mengen diverser Chemikalien zum Lösen und Säubern der Zellbestandteile und die Handhabung verschiedener Laborgeräte stellten den Kurs vor große Herausforderungen.

Das Ziel der Arbeit sollte es sein herauszufinden, ob man ein bestimmtes genetisches Merkmal nur von einem, oder von beiden Elternteilen vererbt bekommen hat; dieses Merkmal konnte man dann mit dem genetischen Fingerabdruck sichtbar machen. Gleichzeitig lernte der Kurs im Detail alle Arbeitsschritte kennen, wie sie dazu in Laboren notwendig sind, z.B. beim Landeskriminalamt, wo Täterspuren wie Blut oder Hautschuppen in einem genetischen Fingerabdruck (Foto) sichtbar gemacht werden, oder eben, ganz aktuell, um DNA von Viren nachzuweisen.

Die gewonnene DNA wird in einem Gerät (Thermocycler) vervielfältigt und schließlich in einem elektrischen Feld (Gel-Elektrophorese) aufgetrennt. Durch das Hinzufügen eines lumineszierenden Farbstoffes kann die DNA in Form eines so genannten Bandenmusters sichtbar gemacht werden. Über Lage und Länge der Bandenmuster kann dann eine Aussage über das Vorhandensein bestimmter genetischer Merkmale getroffen werden (Foto).

Am Ende des Tages hatte der Kurs nicht nur einen spannenden Arbeitstag hinter sich, sondern auch einen Eindruck von der täglichen Arbeit im Labor, die gerade im Bereich der Biologie besonders vielfältig und abwechslungsreich ist.“

 

Gregor Hiepler
Bio-LK beim Internationalen Jugendkongress

Bio-LK beim Internationalen Jugendkongress

Über eine besondere Einladung konnten sich Schüler des Biologie Leistungskurses der Q2 freuen. Nachdem sie bereits in den Osterferien erfolgreich ein Praktikum an der Universität Köln absolviert hatten, wurden sie gebeten, ihre Ergebnisse auf dem internationalen Kongress „Our common future“ zu präsentieren. In dem einwöchigen Praktikum wurde die Bedeutung von symbiotisch lebenden Pilzen im Wurzelgeflecht von Pflanzen erforscht. Je mehr dieser mikroskopisch kleinen Pilze im Boden vorhanden sind, umso besser ist das Pflanzenwachstum und umso höher ist z.B. bei Nutzpflanzen auch der Ertrag.

Der Internationale Jugendkongress der Robert Bosch Stiftung fördert Projekte, die wissenschaftsbasierte Antworten zu Alltagsthemen wie Mobilität, Ernährung und Umwelt geben. Lehrer und Schüler sollen in gemeinsamen Projekten mit Wissenschaftlern die aktuellen Erkenntnisse der Nachhaltigkeitsforschung und konkrete Handlungsalternativen aktiv entdecken.

In der insgesamt dreitägigen Veranstaltung, die digital und virtuell vom 06. Bis 08. Mai abgehalten wurde, kamen in Vorträgen international renommierte Wissenschaftler/innen zu Wort, die ihre Themen wie E-Mobilität, Stadtgärten, Mikroplastikrecycling uvm. in anschließenden Workshops vertieften. In kurzen Videoeinspielungen stellten die Schüler/innen der drei beteiligten Schulen, darunter auch das Goethe Gymnasium, ihre Forschungsbeiträge vor. Ein besondere Anerkennung gilt den beteiligten Schülern Malte Muino und Ahmed Brahmia, die sich zwischen dem schriftlichen und mündlichen Abiturprüfungen die Zeit genommen haben, das Goethe Gymnasium auf dem Kongress mit ihrem Beitrag zu vertreten.

Eine Zusammenfassung der Highlights gibt es hier zu sehen:

 

Dr. Michael Tech
Gemeinschaftsoffensive für den MINT Nachwuchs

Gemeinschaftsoffensive für den MINT Nachwuchs

Seit April 2021 ist auch das Goethe Gymnasium Teil des Partner-Netzwerkes zdi (Zukunft durch Innovation.NRW). Durch viele gemeinsame Veranstaltungen hat das Goethe Gymnasium das Kooperationssiegel als verlässlicher Partner erworben und wird die Zusammenarbeit in Zukunft noch weiter ausbauen. Die Urkunde können sie hier sehen.

Zdi ist eine Gemeinschaftsoffensive zur Förderung des naturwissenschaftlichen und technischen Nachwuchses in Nordrhein-Westfalen. Die Federführung liegt beim NRW-Wissenschaftsministerium. Mit über 4.000 Partnern aus Wirtschaft, Wissenschaft, Schule, Politik und gesellschaftlichen Gruppen ist sie die größte ihrer Art in Europa. Im ganzen Land verteilt gibt es inzwischen über 40 zdi-Netzwerke und mehr als 60 zdi- Schülerlabore.

Die gemeinsamen Ziele der Partner lauten:

  • Studium oder eine MINT-Ausbildung und dadurch eine langfristige Sicherung des MINT-Nachwuchses (MINT: Mathematik-Informationstechnik- Naturwissenschaft-Technik)
  • Heranführung Jugendlicher an gesellschaftlich relevante Themen wie Ressourcenschonung, Klimawandel, Energieversorgung und Armutsbekämpfung über MINT-Zugänge
  • Talente möglichst vieler junger Menschen fördern und so einen Beitrag zur Bildungsgerechtigkeit und Durchlässigkeit im Bildungssystem leisten
  •  Ausbilder/innen, Lehrkräfte, aber auch Hochschulen dabei unterstützen, ihre Arbeit noch praxisnäher, attraktiver und abwechslungsreicher zu gestalten

Folgende Exkursionen und Projekte wurden bisher am GOETHE mit Partnern des zdi durchgeführt:

Der Internationale Stammzelltag, Berufsorientierung in virtuellen Meetings, Der DNA auf der Spur und Botanisch-genetischer Ferienkurs.

Interessierte können sich hier den Flyer des zdi ansehen und herunterladen.

 

Dr. Michael Tech