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

 

Der internationale Stammzellentag

Der internationale Stammzellentag

Die Schüler/innen des Biologie LK Q1 hatten das große Glück die wenigen für Schulen vorgesehenen Plätze des Universitätsklinikums Bonn zu ergattern. So konnten die beiden großen Themenblöcke des Biologieunterrichtes der Q1, nämlich Genetik und Neurobiologie, ideal miteinander verknüpft werden. Das Institut für rekonstruktive Neurobiologie leitet das mit führenden internationalen Wissenschaftler/innen besetzte Symposion als interaktive Videokonferenz. In der fünfstündigen Veranstaltung ging es u.a. um humane Stammzellen als Werkzeug für Krankheitsforschung und Wirkstoffentwicklung oder um Genomchirurgie mit dem neuen gentechnischen Verfahren des CRISPR/ Cas 9. In allen Teilen der Veranstaltung war es möglich, mit den Forschern und Forscherinnen direkt in Kontakt zu treten und Fragen zu stellen, wovon die LK-Schüler/innen des Goethe- und des kooperierenden Humboldt Gymnasiums eifrig gebraucht machten. Durch den Unterricht gut vorbereitet konnten die Schüler/innen kompetente Fragen stellen, z.B. zu Verfahren der Herstellung von Stammzellen (IPS-Zellen: induzierte pluripotente Stammzellen) oder zu Risiken der Transplantation neuronaler Zellen; teilweise wurde der Chat durch die fachkundigen Beiträge der Schüler/innen geradezu dominiert.

Meiner Meinung nach war das Webinar der Universität Bonn eine sehr gelungene Veranstaltung, die reibungslos funktioniert hat. Es wurde sehr umfangreich und detailliert erklärt, jedoch so, dass man alles gut verstanden hat und gut folgen konnte.

Jedes Jahr im März findet der internationale Stammzellentag statt, an dem sich Wissenschaftler-/innen aus aller Welt mit ihren aktuellen Forschungsergebnissen an die Öffentlichkeit wenden. Universitätskliniken, Labore und Forschungseinrichtungen führen dazu zahlreiche Veranstaltungen durch, z.B. Seminare, Vorlesungen, Tage der offenen Tür oder des „gläsernen“ Labors. Bedingt durch die Covid-19 Lage fanden die Veranstaltungen in diesem Jahr vor allem virtuell als Videokonferenz oder Webinar statt.

Aus der Sicht des Lehrers eine rundum gelungene Veranstaltung, eine außerordentliche wissenschaftspropädeutische Ergänzung für den Unterricht und ein großes Lob an die wissbegierigen und sehr disziplinierten Schüler/innen, die an der Veranstaltung nicht nur interessiert teilgenommen haben, sondern sie durch fundierte Fragen zur Überraschung und Freude der beteiligten Forscher und Forscherinnen sogar bereichern konnten.

Hier können Sie einen Schülerbericht zu der Veranstaltung lesen

Im Webinar zum UniStemDay 2021 haben Dozenten über grundlegende Themen der modernen Stammzellenforschung referiert, zu denen wir währenddessen und im Anschluss eingeladen waren, Fragen zu stellen und zu diskutieren: Zunächst hat uns Herr Prof. Dr. Oliver Brüstle begrüßt und hat das große Thema „Stammzellen“ eingeleitet. Dabei wiederholte er die Grundlagen (z.B. Arten der Stammzellen) und gab Ausblick auf die Zukunft dieser Forschungsrichtung (z.B. Genschere CRISPR/Cas9, Organoide), insbesondere im Bereich der Neurobiologie. Hier konnten bereits einige Fragen der Schüler gestellt und beantwortet werden. Anschließend führte Michael Peitz die Gedanken Prof. Dr. Brüstels mit seinem Vortrag fort, indem er uns über humane Stammzellen als Werkzeug für Krankheitsforschung und Wirkstoffentwicklung informierte. Herr Petz thematisierte vor allem die IPS-Zellen, die wir bereits im Unterricht behandelt haben, in Bezug auf die Herstellung von Neuronen. An dieser Stelle wurde insbesondere der ethische Aspekt hervorgehoben und von den Teilnehmenden der Konferenz die Rechtslage zu Stammzellen in Deutschland/anderen Ländern hinterfragt, über die anschließend auch diskutiert wurde. Es folgte ein visueller Beitrag in Form eines Informationsvideos, das nochmal die bereits erfahrenen Informationen zusammenfasste und spezifisch das Thema „Stammzellforschung bei rekonstruktiver Neurobiologie“ behandelte. Nach einer kurzen Pause führten uns Vira Lefremova und Christine Au Yeung in das Gebiet der Organoide ein. Diese Organoide, die aus pluripotenten Stammzellen generiert werden können, weisen 3D-förmige, organartige Strukturen auf und dienen zur Erforschung von Krankheiten, Medikamenten und ermöglichen eine Reduzierung der Tierversuche. Arquimedes Cheffer referierte anschließend über die Genschere CRISPR-Cas9, die die „Genomchirurgie“ ermöglicht und somit das Werkzeug zur Therapie von beispielsweise genetischen Krankheiten in Zukunft sein wird. Als Beispiele wurden die Behandlung gegen HIV und Sichelzellenanämie oder auch die Keimbahntherapie angeführt. Auch hier wurden ethische Aspekte hervorgehoben, wie z.B. Designer Babys. Zuletzt hatten wir noch kleine breakout sessions, in denen ein persönlicher Austausch mit Experten aber auch Studenten rund um die Themen Stammzellen, Studium, Forschungen der Zukunft gewährleistet war. Zusätzlich waren wir immer dazu eingeladen, Fragen und Meinungen in den Chat zu schreiben.

 

Dr. Michael Tech
Berufsorientierung in virtuellen Meetings

Berufsorientierung in virtuellen Meetings

Gleich zwei Mal hatten Anfang November Schülerinnen und Schüler der Leistungskurse der Q1 und Q2 Gelegenheit, an Online-Seminaren im Rahmen von Berufsorientierungsmaßnahmen teilzunehmen. Eine ganze Reihe von Kooperationspartnern haben sich zusammengeschlossen, um diesen einmaligen Service möglich zu machen. Neben der Bundesagentur für Arbeit waren außerdem das zdi Netzwerk MINT Düsseldorf (Zukunft durch Innovation und die Initiative zur Förderung des mathematisch, informationstechnischen, naturwissenschaftlichen und technischen Unterrichtes) sowie die Universität Bielefeld als Durchführende beteiligt.

Doktoranden und Dozenten der Universität Bielefeld boten eine Reihe verschiedener Themen, analog zu den Lehrplänen der Oberstufe, für die sich die Fachlehrkräfte mit ihren Kursen einbuchen konnten. Der Biologie Leistungskurs der Q1 beschäftigte sich z.B. einen Vormittag lang mit dem Thema „Genetik vs Covid-19“. In diesem virtuellen Seminar ging es vor allem um die molekularbiologischen Nachweismethoden des Virus´. Mit Hilfe eines vorher zugesandten Skriptes konnten die Schülerinnen und Schüler die Vorträge der Dozenten verfolgen, kleine Aufgaben lösen und interaktiv dokumentieren; außerdem bestand jederzeit die Möglichkeit, Fragen zu stellen. Auf diese Weise konnte der Kurs die vorher im Fachunterricht erarbeiteten Grundlagen wiederholen und festigen. Gleichzeitig lernten die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit weiteren modernen Seminarmethoden kennen, Formen der analogen und digitalen Dokumentation und der virtuellen Kommunikation und übten, damit umzugehen. Durch die Dozenten erhielt der Kurs außerdem vertiefende Einblicke in das vielfältige Arbeitsgebiet der Biologen in Lehre und Forschung.

Das zweite Seminar war für den Biologie Leistungskurs der Q2 maßgeschneidert. In dieser sechsstündigen Veranstaltung ging es um die Biochemie der Fotosynthese. Das Besondere an diesem virtuellen Seminar war der wissenschaftspropädeutische Aufbau. Inhaltlich handelt es sich dabei also um akademische Lehr- und Lernmethoden bereits in der Oberstufe, wie es auch von der Kultusministerkonferenz der Bundesländer gefordert wird. Die Schülerinnen und Schüler lernten kleine Experimente digital zu planen, Hypothesen zu bilden und anschließend virtuell durchzuführen. Unterstützt von Vorträgen der Dozenten und aufwändig gestalteten Präsentationen, z.T. animiert oder von Videosequenzen begleitet, lernten die Schülerinnen und Schüler auch hier neue Formen des so genannten E-Learning kennen, also virtuelle und interaktive Seminarmethoden. Darüber hinaus bekam der Kurs Informationen zum neuesten Stand der Forschung und zu den Arbeitsgebieten der Biologen und Biochemiker und erhielten somit Impulse für eine mögliche eigene Berufsplanung.

Beide Veranstaltungen bekamen von den Schülerinnen und Schüler großes Lob und ausschließlich positives Feedback.

 

Dr. Michael Tech
Der DNA auf der Spur

Der DNA auf der Spur

Der genetische Fingerabdruck im Labor

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. Einen ganzen Tag verbrachte der Kurs 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.

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Dr. Michael Tech